1、 本科 毕业 论文 (设计 ) （二零 届） 24V 交流单相在线式不间断电源 -硬件设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 1 - 摘 要 文章设计的 UPS主要分为： UPS的运行部分，开关电源部分和电源逆变器部分。且每一部分都有其典型的控制芯片。该 UPS不间断电源为在线式 UPS电源，这种方式的不间断电源在 UPS电源当中性能是比较完美的一种。它可以很好的解决市电的浪涌，持续的高压或低压，断电等问题。而在市电故障的时候则有蓄电池给电源逆变器部分供电，从而保证 UPS的不间断供电。市电电压输入范围宽，则表明对市电的利用能力强（减
2、少电池放电）。输出电压、频率范围小，则表明对市电调整能力强，输出稳定。波形畸变率用以衡量输出电压波形的稳定性。而电压稳定度则表明当 UPS突然由零负载加到满负载时，输出电压的稳定性。智能型 UPS是当今 UPS的一大发展趋势，随着 UPS在网 络系统上应用，网络管理者强调整个网络系统为保护对象，希望整个网络系统在供电系统出现故障时，仍然可以继续工作而不中断。因此 UPS内部配置微处理器使之智能化是 UPS的新趋势， UPS内部硬件与软件的结合，大幅度提高了 UPS的功能，可以监控 UPS的运行工作状态，还可以通过软件对电池惊醒检测、自动放电充电，以及遥控开关等。网络管理者就可以根据信息资料分析
3、供电质量，依据实际情况采取相应的措施。当 UPS检测出供电电网中断时， UPS自动切换到电池供电。在电池供电能力不足时立即通知服务器做关机的准备工作并在电池耗尽前自行关机 。 关键词： 运行方式 ；开关电源；逆变器；脉宽调制 - 2 - Abstract The UPS is designed, divided into: UPS running part of the switching power supply and power inverter section. And each part has its typical control chip. The UPS uninterrup
4、tible power supply for the on-line UPS, uninterruptible power supply in this way among the properties in the UPS power is more perfect one. It can be a good solution to market power surge, sustained high or low voltage, power and other issues. The power failure in the city when there are parts of th
5、e battery to the power inverter power supply, UPS to ensure uninterrupted power supply. Mains input voltage range, it indicates that the use of mains strong (less battery discharge). Output voltage, frequency range of small, then the ability of electricity to adjust the output stable. Waveform disto
6、rtion rate used to measure the stability of the output voltage waveform. The voltage stability is that when the UPS suddenly from zero load added to the full load, output voltage stability. Smart UPS is today a major development trend, with the UPS system in the network application, network managers
7、 stressed that the whole network system for the protection of objects, want the whole network system failure in the power supply system.， It can continue working without interruption. So UPS to make intelligent microprocessor internal configuration is the new trend of UPS, UPS internal hardware and
8、software combination, substantially increased the UPS function can monitor the work status of the operation of UPS, the battery can also be awakened by software testing Automatically discharge charging, and remote control switch. Network managers can analyze power quality based on information, based
9、 on the actual situation to take appropriate measures. Detected when the UPS power supply is interrupted, UPS automatically switches to battery power. Battery capacity is low in the immediately shut down the server to do the preparatory work and before the battery ran itself off. Key Words: Run; Swi
10、tching Power Supply; Inverter; PWM - 3 - 目 录 1 引言 .1 2 总体设计 .3 2.1电力电子模块 .3 2.2主控芯片模块 .4 2.3控制器的设计原理与设计过程 .4 3 硬件设计 .9 3.1 UPS整流滤波电路、逆变器及静态开关 .9 3.1.1三相桥式全控整流电路 .9 3.1.2逆变器 .12 3.1.3静态开关 .13 3.2 UPS充电器电路及转换开关 .15 3.2.1UPS充电器电路 .15 3.2.2小功率转换开关 .16 结论 .17 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 .18 附录一 .19 - 1 - 1 引言
11、随着计算机的普及和信息处理技术的广泛应用，不间断电源 UPS 在关键负载连接至公共电网方面扮演着重要角色。它们旨在为处于任何正常或异常实用电源条件下的负载提供清洁、持续的电源。本文所介绍的 UPS 供电系统是属于在线式的，主要由输入滤波器、充电器、 DC/DC 变换器、微控制器、逆变电路、输入功率因素调节电路、报警电路等部分组成。 UPS 的英文全称是 Uninterruptible Power Supply，意为不间断电源系统，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。当市电输入正常时， UPS 将市电稳压后供应给负载使用，此时的 UPS 就是一台交流市电稳压器，同
12、时它还向机内的蓄电池充电；当市电中断（事故停电）时， UPS 立即将机内蓄电池的电能通过逆变转换的方法向负载继续供应 220V 交流电，使负载维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏。自从第一台采用电子调节技术的不间断交流稳压电源问世以来，经过几十年不断的努力与改进，不间断电源技术走过了快速发展的历程。 1.1 UPS 的分类 （ 1）后备式 UPS 后备式 UPS 在市电正常时直 接由市电向负载供电；当市电超出其正常的工作范围或停电时通过逆变器，将蓄电池中存储的化学电能向负载供电。其特点：结构简单，体积小，成本低，但输入电压范围窄，输出电压波形稳定精度差，且有切换时间 （ 2）在线互动式 UP
13、S 在线互动式 UPS 在市电正常时与后备式 UPS 相同，特点是：有较宽的输入电压范围，噪音低，体积小等优点，但同样存在切换时间 （ 3）在线式 UPS 在线式 UPS 在市电正常时，对市电进行整流提供直流电压给逆变器工作，由逆变器向负载提供恒压恒频的交流电；在市电异常时，逆变器由蓄电池提供较宽的输 入电压范围，无切换时间，且输出电压稳定精度高，特别适合对电源要求较- 2 - 高的场合，但是成本高，目前，功率大于 3KVA 的 UPS 几乎都是在线式 UPS，本文所研究的 UPS 便属于在线式 UPS。 1.2 UPS 的发展趋势 UPS 的智能化 智能化是 UPS 的主要目标之一，只有智能
14、化才可能对 UPS 本身各运行部件直至主要的元器件进行有效的监视，对已经出现的故障用冗余措施处理，提高 UPS的可靠度。 UPS 的网络化 网络化一方面是 UPS 及其监控系统与其所保护的负载。当电源出现异常时，UPS 内部的微控制器会及时把异常信息发送给它所保护的 计算机或局域网，并由监控软件在相应计算机上发出告警信息，提醒操作员将现场信息自动存盘，通过MODEM 向有关人员发出 E-MAILBP-CALL 等。在这个意义上， UPS 是其保护的网络的一个节点。另一方面的含义是把 UPS 当作广域网络的一个独立节点并安装上通信适配器，给 UPS 分配独立的 IP 地址。 UPS 的网络化是指
15、将传统式 UPS 通过与计算机相连的硬件接口，结合特殊设计的软件，以提供计算机电源及资料的双重保护。 UPS 的数字化 采用 DSP 技术设计的新一代 UPS 产品具有数字化、零部件少、精度高等特点。 - 3 - 2 总体 设计 UPS 的英文全称是 Uninterruptible Power Supply，意为不间断电源系统，是一种含有储能装置，能为负载提供连续电能的供电系统，以逆变器为主要组成部分的恒压恒频的不间断电源。主要为通信系统，计算机、计算机网络系统或是其他电力电子设备提供不间断的电力供应。文章将 建立三相全桥逆变器的控制模型，将三相全桥逆变器采用电压电流双环控制，目的是令采用三相
16、全桥逆变器结构的 UPS 系统具有更好、更强、更可靠的带负载能力，从而为用户提供更加优良的电源。 系统主要由 UPS 主电路拓扑结构、主控单元、各种系 统信号检测电路、保护电路、充电器、逆变驱动、辅助电源、键盘和显示、远程通信接口等电路组成。 在线式 UPS 系统框图如图 2-1 所示： 50 H z 市电输入输入滤波器转换开关C H A R G E R 充电器50 H z 输出蓄电池组D C / A C 变换器A C / D C 功率因素校正 D C / A C 逆变器输出滤波器旁路图 2-1 在线式 UPS 框图 2.1 电力电子模块 电力电子模块是构成 UPS 逆变器的关键部件之一，它的
17、质量优劣对系统性能 影响较大。以本设计功率 335KVA 计算，输出功率因数为 0.8，直流母线电压大约为 220V，则需选择的电力电子模块的主要参数如下 : (1)BVceo(器件击穿电压 ) ( 3 4 ) ,( 3 4 ) x 1 1 0 V= 3 3 0 -4 4 0 vB V ceo V (2-1) 上面等式 （ 2-1）前的系数是考虑了系统 3-4 倍的裕量 ,， Va 取 110V 是因- 4 - 为一个桥臂上有两只电力电子器件串联共同分压。根据计算，选择 BVceo为 V600. (2)Icm(最大通流电流 ) 如下公式（ 2-2）所示 1 / (2)高达 32K 的 FLAS
18、H 程序存储空间 ; (3)16K 字 x16 位的闪速 EEPROM(FLASHEEPROM); (4)两个事件管理模块 (Event-ManagerModule) 1） 12 路 CMP(PWM 输出 ); 2） 3 个 16位定时器 ; 3） 3 个具有死区控制的 16 位全比较单元， 3个 16 位单比较单元 ; (5)十位 A/D 转换器 (最小转换时间仅为 500ns); 2.3 控制器的设计原理与设计过程 为了结合实际设计的情况、简化设计，我在上述 分析上述各控制器策略的 基础上，将数字伺服系统的控制原理运用于单相 UPS正弦逆变器控制设计中，设 计了自己的单相 UPS正弦逆变控
19、制器。其设计的基本思想是 :将 UPS的逆变电源看作一个参考正弦波的随动系统，即其输出始终跟随标准正弦波，设计中将控制系统中分为内、外两环。在被控对象数学模型分析中，将输出负载电流视为对系统- 5 - 的扰动，通过内环状态反馈来消除扰动 .实现输出的稳定，减少输出电压的总谐波畸变率 (THD)，同时根据数字无差拍控制的原理通过状态反馈将系统极点配置在零点，以实现输出对参考正弦波的快速跟随，从而提高系统 的动态响应性能 ,实现系统的无差拍响应 .在三外环路的控制中，利一个简单的积分器来消除系统输出的睁态误差，从而提高了系统的静态响应性能。 综合上述，单相 UPS逆变控制器结构原理图如图 2-2所
20、示 : 图 2-2 单相 UPS逆变器机构原理图 图 2-2中的 E为直流母线电压和输出变压器的变比之积，相当于全桥逆变模块(此时的输入为 PWM平均电压输入 )和输出变压器对控制量的功率放大单元。将反馈电压衰减 220万倍一方面是为了作归一化处理，另一方面相当于逆变输出电压检测中对反馈信号 进行的降压处理。 r(k)为单位参考正弦波。图中可以看出，此控制器由两部分组成。一是由状态反馈组成的内环，它的作用在于对系统的镇定(无负载的情况下 )和减少负载电流对输出电压的影响，从而达到稳定输出电压 ,提高系统动态响应性能的目的 ;系统的外环是由输出反馈与一个误差积分器组成的。积分器的作用相当重复控制
21、器的作用，用以减少系统的静态误差同时稳定系统输出频率及相位。之所以没有使用重复控制器，是因为积分器的结构简单却能- 6 - 得到令人满意的效果。 由闭环状态反馈系统图可得，系统的输入方程为公式 (2-4)所示 : a ( k ) = -K E x ( k ) + K 1 E v ( k )U (2-4) 令 2220a ,则积分器的方程为公式（ 2-5）所示 : 1( ) ( 1 ) ( ) ( )v k v k r k y ka (2-5) 于是可得出如下公式（ 2-6） : 1 1 11 1 1( 1 ) ( ) ( ) ( ) 2 ( ) ( 1 )av k C H K E C G I
22、C H K E v k C H i k r ka a a (2-6) 同理可推得公式（ 2-7） : 1 1 1 2 0( 1 ) ( ) ( ) ( )x k G H K E H K E v k H i k (2-7) 对于整个闭环系统，可以得到下列状态方程 (2-8)和输出方程 (2-9) 1 2 0( 1 ) ( ) ( 1 ) ( )x k G x k H r k H i k (2-8) ( ) 0 ( )y k C x k (2-9) 式中 1 1 11 1 111( ) ( )G H KE H K ECH KE CG I CH K Eaa(2-10) 1 2 2 210 1 ;H H H C Ha (2-11)
