1、毕业设计开题报告 测控技术与仪器 数字式直流不间断电源的设计 1. 前言部分 （阐明课题的研究背景和意义） 1.1 UPS 的定义： UPS(Uninterruptible Power supply)，即不间断电源，是一种含有储能装置， 以逆变器为主要组成部分的恒压恒频的不间断电源 。主要用于给服务器、计算机网络系统或其它电力电子设备提供不间断的电力供应 1。 1.2 UPS 的作用： 1) 双电源之间的无间断切换 2) 频率变换功能，可以将输入电压的频率变成需要的频率 ; 3) 电压变换功能，可以将输入电压变换成需要的电压 ; 4) 隔离功 能，将瞬间间断、谐波、电压波动、频率波动以及电压噪
2、声等电网干扰阻挡在负载之前，既可使负载对电网不产生干扰，又可使电网中的干扰不影响负载 ; 后备功能， UPS 带有蓄电池，储存一定的能量，一方面在电网停电或发生故障时可继续供电一段时间来保护负载 ;另一方面在 UPS 的整流器发生故障时可使用户有时间来保护负载。按照用户的要求，后备时间可以是 5 分钟、10 分钟、 30 分钟，甚至更长 2。 随着电气化技术的不断发展，电器设备、电器产品的广泛应用，要求供电市电有更高的质量。实际的市电电网其实本身是很不稳的，这是因为造成电网污染 的因素，除了众所周知的电压波动、频率变化外，还有来自电网外部、内部的各种噪声和干扰。它们主要有以下几种：电涌 (po
3、wer surger),高压尖脉冲 (high voltage spikes)，瞬态高压干扰 (switching transients),电压下陷(power sages)，噪声电压，过压，欠压，谐波畸变，电源中断等 3。 UPS 对于计算机及网络、通信、金融、电力交通、国防及高等院校、科研院所等部门的供电起着关键作用。如在计算机系统中采用 UPS 作为后备电源，可以在停电时由 UPS 想客户计算机，特别 是大型服务器供电，能有足够的时间进行数据处理和存盘，甚至在关键时刻防止大型计算机网路瘫痪，避免造成巨大损失。 1.3 UPS 和 EPS(应急电源 )的比较 EPS 可以说是近两年才迅猛发
4、展起来的一个新兴产业，相比于发展成熟的 UPS 而言，有相同之处也有不同之处。其相同点在于都具备在市电故障 (中断 )情况下继续向负载提供交流电源的功能，均采用了 IGBI 逆变技术和脉宽调制 (PWM)技术。不同点可以参照表 14。 表 1. UPS 与 EPS 的差异 项目 UPS 不间断电源 EPS 应急电源 运行方式 在线式运行 离线式运行，高 节能 工作目的 确保供电不间断和稳压 确保应急供电万无一失 能否改善市电品质 能 否 要求切换时间 很短（ 0 10ms） 相对较宽（ 0 4s） 负载适应性 电容性和电阻负载 (计算机、精密仪器等 ) 电感性负载和各种混合用电负载 (电机等
5、) 对于运行环境要求 很高 能适应各种环境 逆变器冗余量 大 小 寿命 在电网正常供电时也连续不间断工作，寿命较短 只有在电网无电时才进行逆变工作，寿命长 1.4 直流不间断电源 直流不间断电源取消了交流逆变过程，大大减少了元器件的使用量。特别是取消了大功率逆变 电路及其相关电路，并相应地减少了供电功耗，因此，采用直流不间断供电具有较交流具有以下更好的性能 5-7：低生产成本、低运行成本、高可靠性、高效率。 随着数字化技术的发展，一些应用数字化控制的直流 UPS 产品开始出现在 UPS 市场上。由于数字化技术的应用能使有效的提高 UPS 输出电压的稳定性和纯净程度，同时也提高了 UPS 产品自
6、身的可靠性，加之直流不间断电源在设备体积，使用环境等条件上较交流不间断电源又有了很大的选择余地。由于保持 UPS 的一些优点，直流不间断电源在 EPS 应用局限领域起着不可忽视的作用。 因此直流不间 断供电极有可能对现有交流不间断供电模式产生影响和冲击，具有潜在的巨大市场。 1.5 设计目的： 此次设计要研究的是一种广泛应用于消防，轨道交通等领域监控、保安系统的数字式直流不间断电源。它能提供稳定的 24V 的直流输出电压，恒定功率为 100W，能在市电断电后持续工作 2 小时。 在消防中，当建筑物发生火灾时，该 UPS 将作为疏散照明和其它重要的一级供电负荷提供集中供电；在交流市电正常时，由交
7、流市电经过互投装置给重要负载供电；当交流市电断电后，互投装置将立即投切至逆变器供电，供电时间由蓄电池的容量决定；当市电电压恢复 时，应急电源又将恢复为市电供电。在轨道交通行业，该 UPS 主要在供电故障时为供电系统的重要控制及保护装置提供高可靠性的电源，结合高功率的交流不间断电源（主要是为重要的监控，指挥，信号，控制等提供高可靠及高质量的交流电源）保证一定时间内安全门的正常开启等一系列应急措施的展开。可以说，它是一种不仅能向负载提供不间断、优质、可靠的直流电能，还能实时保护和检测监控供电状态功能的供电设备 8-9。 2. 主题部分 2.1 不间断电源的发展现状： 2.1.1 不间断电源市场的崛
8、起 以电力电子学为核心技术的电源产业，随着 IT 产业、 CI 产业、 PC 机广泛应用而得到突飞猛进的发展 。电源产业是各类高科技产业发展的基础工业， 所有的高精尖科技设备都需要电力电子电源系统技术的配套和支持 。随着电力电子技术的发展与综合利用，电源产业在航空、航天、宇航、舰船、自控自导、尖端武器，原子能、军队现代化以及医学、通信、交通、运输、电力、电子、环保等领域得到空前的发展和应用，几乎国民经济各行各业都与电力电子电源产业密不可分。 近几年，境外主要的电源供应商逐渐看好中国电力电子电源市场， 纷纷把重点转向中国内地 。在 UPS 电源产品方面有山特 、 APC、爱克赛、 梅兰日兰、三菱
9、等；在通信开关电源方面有爱立信、西门子、美国的 Vicor、腾讯科技、朗讯、日本的新电元等。中国台湾地区的电源生产厂商也在内地设厂生产，如台达公司在东莞、上海、 天津都设立了工厂 。目前，跨国公司在国内电源市场占有主导地位，如：艾默生 (Emerson)、 APC、梅兰日兰、伊顿爱克赛，新近进入国内市场的有：荷兰海泰克、 Active Power 公司、施恩禧电气 (S&C)。现在中国本土也已形成一批超亿元的电源企业，如：中兴通讯、厦门科华、武汉洲际、烟台东方电子信息集团等， 他们有较强的技术力量和开发能力 。 UPS 电源技术也向着多功能、大功率、集成化的方向发展，其中 UPS 电源行业中的
10、厦门科华、冠军、科士达、易事特、捷益达等一批民营企业领跑国内 UPS 市场 7,10。 2.1.2 早期的不间断电源： 在使用电池的时代之前，不间断电源曾经使用飞轮和内燃机为负载提供电能供应，这种不间断电源被称为飞轮式或旋转式不间断电源。飞轮式不间断电源由整流器、直流电动机、飞轮、柴油机 (或汽油机 )及发电机等组成。在电网供电的情况下，由整流器提供的直流电驱动电动机带动飞轮旋转，并且带发电机为负载供电。由于飞轮的惯性作用，发电机转速可以保 持均衡，此时不间断电源起过滤电网干扰的作用。当电网断电后，飞轮继续带动发电机的转子旋转，同时启动柴油机带动发电机发电，替代原有电网为负载供电。由于飞轮式不
11、间断电源使用内燃机提供电力，会产生较大的噪音同时体积也较大，因此目前一般仅被用于应急情况和一些自然状况恶劣的场合，通常情况下不间断电源会使用蓄电池来提供电力 1。 这种 UPS 的缺点也是显而易见，就是笨重、效率低、噪声大、操作控制不灵活、输出的电压波形不平滑，同时由于存在着转换时间，不能及时响应，会中断负载的供电。 2.1.3 现代不间断电源 现代的不间断 电源由电池组、逆变器和控制电路组成，一端连接电网另一端连接电器负载。在电网电压正常的情况下，不间断电源利用电网电源为自身充电，在电网出现异常的时候，不间断电源将存储于电池中的电能释放，供负载使用 目前市场上已经有不同类型的 UPS，按输出
12、波形可分为正弦型、近似正弦型（用阶梯方波来拟合正弦波）等。按 UPS 的工作方式可分为在线式（ On-Line UPS）、后备式（ Off-Line UPS）和在线互动式（ Line-Interactive UPS）三大类，其中在线式又可分双变换在线式和双逆变电压补偿在线式两种类型。常 规不间断电源思路如图 1。 图 1. 不间断电源基本结构图 1. 后 备式 UPS 电源 它是静止式 UPS 的最初形式，应用广泛，技术成熟，一般只用小功率范围，电路简单，价格低廉。这种 UPS 对电压的频率不稳、波形畸变以及AC/DC 电 源 电 池 组 UPS 控制器 负 载 不间断供电 从电网侵入的干扰等
13、不良影响基本上没有任何改善 。后备式 UPS 电源控制电路如图 2。 图 2. 后备式 UPS 其工作性能特点： 1) 市电利用率高，可达 96%。 2) 输出能力强，对负载电流波峰因数、浪涌系数、 输出功率因数、过载等没有严格的限制。 3) 输出转换开关受切换电流能力和动作时间限制。 4) 输入功率因数和输入电流谐波取决于负载性质。 2. 在线互动式 UPS 电源 在线互动式 UPS 如图 3 所示 1，“在线”的含义是逆变器工作，但不输出功率，处于热备份状态，同时兼顾对电池充电，增大了 UPS 在市电正常时的功率容量，并减少了在市电中断时的转换时间，提高了输出电压的滤波作用，属于并联功率调
14、整方式，输出功率躲在 5kVA 以下。 图 3. 在线互动式 UPS 自动稳压器 充电器 DC/AC 双向逆变器 输入 输出 蓄电池 自动稳压器 充电器 DC/AC 逆变器 转换 开关 蓄电池 输入 输出 其工作性能特点： 1) 市电利 用率高，可达 98%。 2) 输出能力强，对负载电流波峰因数、浪涌系数、输出功率因数、过载等没有严格的限制。 3) 输入功率因数和输入电流谐波取决于负载性质。 4) 变换器直接接在输出端，并处于热备份状态。对输出电压尖峰干扰有抑制作用。 5) 输入开关存在断开时间，致使 UPS 输出仍有转换时间，但比后备式小得多。 6) 变换器同时具有充电功能，且其充电能力很
15、强。 7) 如在输入开关与自动稳压器之间串接一电感，当市电掉电时，逆变器可立即向负载供电，可避免输入开关未断开时，逆变器反馈到电网而出现短路的危险。 3. 双变换在线式 UPS 电源 双变换在线式 UPS 如图 4 所示。 它是属于串联功率传输方式。当市电存在时，实现 AC DC 转换功能，一方面向 DC AC 逆变器提供能量，同时还向蓄电池充电。该整流器多为可控硅整流器，但也有 IGBT PWM DSP高频变换新一代整流器。当逆变时，完成 DC AC 转换功能，向输出端提供高质量电能，无论由市电供电或转向电池供电，其转换时间为零。当逆变器过载或发生故障时，逆变器停止输出，静态开关自动转换，由
16、市电直接向负载供电。静态开关为智能型大功率无触点开关。 图 4. 双变换在线式 UPS AC/DC 整流器 DC/AC 逆变器 静态 开关 蓄电池 输出 输入 其工作性能特点： 1) 不管有无市电供应，负载的全部功率都由逆变器提供，保证高质量的电力输出。 2) 由于全部负载功率都由逆变器提供，因而 UPS 的输出能力不理想，对负载提出限制条件，如负载流峰值因数，过载能力，输出功率因数等。 3) 对可控整流器还存在输入功率因数低，无功损耗大，输入谐波电流对电网产生极大的，当然，若使用 IGBT PWM DSP 整流技术成功率因数校正技术，可把输入功率因数提高到接近 1。 4. 双逆变电压补偿在线
17、式 UPS 电源 双变换电压补偿在线式 UPS 如图 5 所示。 此项技术是近些年提出来的，主要是把交流稳压技术中的 电压补偿原理 (Delta 变换 )应用到 UPS 的主电路中，产生一种新的 UPS 电路结构型式，它属于串并联功率传输。 图 5. 双变换补偿在线式 UPS 其工作性能特点： 1) 逆变器 (II)监视输出端，并与逆变器 (I)参与主电路电压的调整，可向负载提供高质量的电能。 2) 市电掉电时，输出电压不受影响，没有转换时间；当负载电流发生畸变时，由逆变器 (II)调整补偿，因而是在线工作方式。 3) 当市电存在时，逆变器 (I)与 (II)只对输入电压与输出电压的差值进行调
18、整与补偿，逆变器只 承担最大输出功率的 20%，因而功率余最大。过载能力强。 AC/DC 逆变器 I DC/AC 逆变器 II 蓄电池 输出 输入 4) 逆变器 (I)同时完成对输入端的功率因数校正功能。输入功率因数可达到 0.99，输入谐波电流 3%。 5) 在市电存在时，由于两个逆变器承担的最大功率仅为输出功率的 1/5，因此整机效率可达到 96%。 6) 在市电存在时，逆变器 (II)功率强度仅为额定值的 1/5，因此功率器件的可靠性必然大大幅度提高。 7) 由于具有输入功率因数补偿，因而有节能效果。 2.1.4 我国不间断电源发展现状 我国 UPS 电源发展起步于上世纪 80 年代后期
19、，相距国外十几年。国内UPS 行业经过 20 年的发展 ，虽然在中国市场上的市场份额被国外知名品牌占据大部分，但是，少数国内较大规模的厂家在市场份额、高端技术等方面已经十分接近国际知名品牌。 UPS 电源企业总体规模与销售额分布 10： UPS 电源企业规模较大的销售额超过 2 亿元的企业有 5 家， l 亿 2 亿元的企业有 5 家， 5000 万 8000 万元企业有 15 20 家， 2500 万 5000 万元企业约有 274 家， 500 万 2500万元企业有 1380 余家，其他有 300 多家。 国内 UPS 电源市场总容量：根据相关统计， 2006 年国内信息设备用 UPS
20、电源市场总销售额达 26.1 亿元人 民币， 2007 年总销售额达到 27.4亿元人民币。工业动力 UPS 电源系统设备中大功率 UPS 年市场需求也达近30 亿元人民币。我国 UPS 电源年市场需求总容量应该在 50 亿 60 亿元人民币，市场需求巨大。 国内中大功率 UPS 电源市场容量：中大功率 UPS 是不问断电源行业中 的高端产品，据统计， 2006 年中国中大功率 UPS 电源市场销售额为 22.1亿元人民币，同比增长 7.3 。专家认为，如果加上工业动力设备用的大功率 UPS 电源需求，市场销售额应有相当比例的上升。 2.2 不间断电源的发展趋势： 1. 智能化 、 网络化 、
21、自动化 ： 微 处理器在 UPS 上的应用，过去只在大、中型 UPS 上来用，近年来已逐渐向小型、微型 UPS 方面发展，其结果是 UPS 的智能化发展，包括控制、检测、通信。 UPS 逐渐由计算机管理，并且计算机及外设能 “自主 ”应付一些可能预见到的问题，能进行自动管理和调整，并能将有关信息通过网络传递给操作系统或网络管理员，便于进行远程管理 710-11。 把 UPS 做为网络家庭一个成员的要求越来越迫切，因为它是网络能正常运行的基础。要求 UPS 拥有更大的蓄电量、可以同时为多台计算机或其它外设服务，并能够通过某种机制达成负载之间的动态配置 。 自动化是指 UPS 电源自动完成一些自我
22、检测、开关机控制、故障保护后的自动修复，无需过多的人工干预。 UPS 的自动化是实现网络化和保证系统高可用的重要因素。 2. 大容量单机冗余化： 由于网络对 UPS 可靠性的要求越来越高，而解决可靠性的途径除要求元器件本身高可靠外，就是用冗余的方法。小容量 UPS 的单机内冗余已出现。而大容量的 UPS 目前还必须通过并机的方法实现。但这样做又会使用户投资太大。但毫无疑问，使用 Internet 技术监控的 UPS 系统将成为未来 UPS 技术的主流之一。 3. 高频 技术： 虽然传统在线式的技术已经非常成熟 ，但由于它本身带有许多无法突破的问题，使其发展前途受限。高频化概念的引入，给 UPS
23、 的发展带来了许多新的思路和空间，随着高频技术和器件的发展， 3KVA 及以下的高频在线式UPS 的技术和产品已经成熟，其功能和可靠性均应高于传统 UPS，高频化对于减小体积、降低成本，以及对非线性负载有更好的响应上起着重要的作用12。 4. 数字化技术： UPS 的数字化并不是简单的指在系统中应用了数字器件，如单片机及FPGA 等，而是指整个系统的控制应用数字器件的计算能力和离散控制方法来完成，这也是本文的研究重点。数字化技术的使用提高了 UPS 产品输出电压的稳定性和纯净程度，同时也提高了 UPS 产品自身的可靠性。而 IGBT 技术和高频技术的应用，大大提高了电源效率，降低了系统噪音和电源自身的
