【正文】 在線式三相UPS設計與仿真畢業(yè)論文 目 錄摘要 IIAbstract III第1章 緒論 II UPS及應用 2 UPS技術現(xiàn)狀 2 UPS發(fā)展趨勢 4 5第2章 系統(tǒng)整體結構方案 7 系統(tǒng)整體方案構成 7 系統(tǒng)模塊結構方案 8 10第3章 整流和升壓模塊設計方案 11 整流模塊工作原理 12 整流模塊主要數(shù)量關系 13 升壓模塊設計方案 13 BOOST電路工作原理 14 開環(huán)電路參數(shù)設計 14 閉環(huán)電路工作原理和設計 15 本章小結 18第4章 蓄電池充電和放電模塊設計方案 69 蓄電池充電電路工作原理和設計 20 蓄電池放電電路工作原理和設計 22 蓄電池閉環(huán)控制方案 23 本章小結 25第5章 逆變器和輸出濾波器設計方案 26 逆變器工作原理 27 逆變器控制技術 28 輸出濾波器的設計 36 輸出濾波器原理和參數(shù)設計 37 本章小結 37結論 38參考文獻 39致謝 411附錄1 42 開題報告 42附錄2 47文獻綜述 47附錄3 53中期報告 53附錄4 59外文文獻中文翻譯 59附錄5 65外文文獻 65 第1章 緒論第1章 緒論 UPS及應用近幾年，境外主要電源供應商逐漸看好中國電力電子電源市場，紛紛把重點轉向中國內地。目前，跨國公司在國內電源市場占有主導地位，如：艾默生(Emerson)、APC、梅蘭日蘭、伊頓愛克賽?，F(xiàn)在中國本土也已形成一批超億元的電源企業(yè)，如中興通訊、廈門科華、武漢洲際、煙臺東方電子信息集團等。他們有較強的技術力量和開發(fā)能力。科技部近期設立2億元的電力電子項目專項資金，國家發(fā)改委專門在近期發(fā)文啟動專項課題，用于推進電力電子技術和產業(yè)的發(fā)展，包括應用裝置的產業(yè)化、重點圍繞節(jié)能、交通、電力、冶金等領域需求。支持應用具有自主知識產權芯片和技術的電力電子裝置。UPS隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展,供電網絡的負載越來越復雜,特別是大型用電負載的啟動和停止,大型可控電力電子設備的應用以及網絡內部噪聲會使交流正弦波發(fā)生畸變。另外,自然界的雷電,電網的接地不良等因素均影響到電網的供電質量。由于以上因素的影響,可能會導致接在電網上的計算機設備,包括通信醫(yī)療等精密的工業(yè)儀器設備發(fā)生失控、丟失數(shù)據、停機、損壞等嚴重后果,直接影響到用戶的正常工作,造成經濟損失或其他嚴重事故。UPS是一種能為負載提供連續(xù)電能的供電系統(tǒng)，作為計算機的重要外設，己從最初的提供后備時間的單一功能發(fā)展到今天提供后備時間及改善電網質量的雙重功能，在保護計算機數(shù)據，改善電網質量，防止停電和電網污染對用戶造成危害等方而起很重要的作用[1]。如何解決這些市電問題,正是UPS(Uninterruptible Power System)不間斷電源的責任。所在以單片機為控制核心的UPS電源可以為各種設備機器提供高質量的電源[2]。電源在幾十年的發(fā)展中經歷了晶閘管、功率晶體管、IGBT 、IPM等不同的發(fā)展時期，電路結構經歷了后備式、在線互動式、在線式等不同的形態(tài)。未來UPS技術將進一步朝著數(shù)字化、模塊化、綠色化、智能化、高頻化等幾個主要方向發(fā)展。UPS概述1第1章 緒論UPS是一種能為負載提供連續(xù)電能的供電系統(tǒng)，作為計算機的重要外設，己從最初的提供后備時間的單一功能發(fā)展到今天提供后備時間及改著電網質量的雙重功能，在保護計算機數(shù)據，改善電網質量，防止停電和電網污染對用戶造成危害等方面起很重要的作用。UPS分類：后備式UPS，在線式UPS，在線互動式UPS，DELTA變換式UPS。 UPS技術現(xiàn)狀 隨著電子器件的發(fā)展[1]，使UPS向小型化、高效率、高可靠性發(fā)展。而網絡智能化UPS技術和全數(shù)字化UPS技術的出現(xiàn)，不僅提供完全可靠的網絡電源管理，也為節(jié)能、環(huán)保提供了一種最佳的解決方案。所以UPS電源技術總的發(fā)展趨勢是逐步向小型網絡智能化和全數(shù)字方向發(fā)展。隨著科學的進步，UPS電源技術在不久的將來會開辟一個更新的領域。高頻化：雖然傳統(tǒng)在線式UPS的技術已經非常成熟[2]，由于它本身帶有許多無法突破的問題，使其發(fā)展前途受限。高頻化概念的引入，給UPS的發(fā)展帶來了許多新的思路和空間。隨著高頻技術和器件的發(fā)展，3KV及以下的高頻在線式UPS的技術和產品已經成熟，其功能和可靠性均應高于傳統(tǒng)UPS。高頻化對于減小體積、降低成本以及對非線性負載有更好的響應上起著重要的作用。智能化：微處理器在UPS上的應用，過去只在大、中型UPS上采用，但近年來已逐漸向小型、微型UPS方面發(fā)展，其帶來的結果是UPS的智能化發(fā)展，包括控制、檢測和通信。UPS逐漸由計算機來進行管理，并且計算機及外設能“自主”應付一些可能預見到的問題，能進行自動管理和調整，如自動關閉宿主計算機的操作系統(tǒng)并關閉其電源，定時開關UPS本身等，并能將有關信息通過網絡傳遞給操作系統(tǒng)或網絡管理員，便于進行遠程管理。網絡化：把UPS做為網絡家庭一個成員的要求越來越迫切，因為它是網絡能正常運行的基礎。要求UPS擁有更大的蓄電量、可以同時為多臺計算機或其它外設服務，并能夠通過某種機制達成負載之間的動態(tài)配置。大容量單機冗余化：由于網絡對UPS可靠性的要求越來越高，而解決可靠性的途徑除要求元器件本身高可靠外，就是用冗余的方法。小容量UPS的單機內冗余已出現(xiàn)。而大容量的UPS目前還必須通過并機的方法實現(xiàn)，但這樣作又使用戶投資太大。毫無疑問，使用Internet技術監(jiān)控UPS系統(tǒng)將成為未來UPS技術的主流之一。 UPS主要發(fā)展趨勢主要研究成果 對UPS的研究成果主要體現(xiàn)在對技術的研究上，其主要體現(xiàn)[3]： (1)功率變換技術UPS一個主要的發(fā)展趨勢就是小型輕量化，這就涉及到主電路結構的簡化。各種結構更簡單，性能更優(yōu)越的電路拓撲的研究是當前一大熱點。產品的小型輕量化趨勢對于UPS來說其開關器件的高頻化要求是必然的。第一代UPS的功率開關為可控硅，第二代為功率晶體管，第三代為場控型器件(MOSFET和IGBT )。功率晶體管開關速度比可控硅高一個數(shù)量級，場效應晶體管MOSFET比功率晶體管又高一個數(shù)量級，而IGBT功率器件電流容量比MOSFET大得多，且導通電阻小，工作頻率比MOSFET低，但也可以使功率變換電路的載波頻率高達50HZ。開關頻率的提高可以有效地減小裝置的體積和重量，并可消除變壓器和電感的聲音噪聲，同時改善輸出電壓的動態(tài)響應能力。在UPS輸入端采用高頻整流，可以獲得較高的功率因數(shù)，較低的諧波電流，使UPS具有較好的輸入特性。用高頻隔離裝置可以取掉笨重的工頻隔離變壓器，進一步減小裝置的體積和重量。(2)數(shù)字控制技術 最初的UPS采用模擬控制方法有以下局限性[3]:①電路結構復雜，元器件多，因器件特性差異造成各電源特性有所差別，電源一致性不好。②一旦控制方法變動，必須修改硬件控制板，工作量大，設計周期長。③因為硬件電路的局限性，一些先進的控制方法用模擬電路實現(xiàn)很困難或者無法實現(xiàn)。 隨著數(shù)字處理器計算速度的不斷提高，使得各種先進的控制方法得以實現(xiàn)，使UPS的設計具有很大的靈活性，設計周期縮短，性能大為提高。大多數(shù)UPS使用數(shù)字模擬混合電路或8位微處理器作為控制核心，部分公司采用了高檔微處理器(16位主機，主頻160MHz)，具有強勁數(shù)據及邏輯運算能力的芯片運行相對單一和規(guī)模不大的程序，極大加快了控制速度，使UPS的性能大大提高。這些UPS不僅有很強的故障診斷和自我保護能力以及通信能力，還具有友好的人機通信界面，而且減少了控制電路，提高了可靠性。(3)UPS的監(jiān)控及網絡管理技術為了適應計算機網絡的發(fā)展[3]，UPS中已經開始配置RS232接口、RS185接口、SNMP卡和MODEM，成為計算機網絡的一部分。這可使UPS具有以下優(yōu)異特性: (1)實時監(jiān)控功能。它對UPS電源的各模擬參量(市電的輸入電壓、電流和功率因數(shù)，電池組的充放電電壓、充放電電流，逆變器的充放電電壓、電流、功率因數(shù)及波形失真度，逆變器電源和交流旁路電源的相位差和瞬態(tài)電壓差等運行參數(shù))進行實時高速采樣，實現(xiàn)數(shù)字式監(jiān)控。類似的，對UPS中的表示工作狀態(tài)的開關量（主電源與交流旁路電路的輸入與否，斷路器的接通與斷開，輸入保險絲是否完好，電池組短路開關及靜態(tài)開關的接通與斷開等)進行實時監(jiān)控。(2)自診斷、自保護功能。UPS將實時采集來的各項模擬參量和工作狀態(tài)數(shù)據以及系統(tǒng)中的關鍵硬件設備的數(shù)據與正常值進行分析比較，以判斷UPS電源是否有故障隱患存在。如果有故障，根據相應的故障信息級別在控制面板的顯示屏上以友好的圖形界面、文字提示方式報警，或者在現(xiàn)場和控制室以指示燈光、報警器鳴叫方式報警，也可以用自動撥通電話等方式報警，并作出相應的保護動作。(3)人機對話的控制方式。大型UPS電源可向用戶提供監(jiān)控器液晶顯示屏以圖形和文字方式顯示工作流程和參數(shù)信息，可以提供讓用戶操作的可視化菜單，并以幫助和不斷提示的方式引導用戶按照既定方式處理故障，有效防止誤操作。(4)遠程控制功能。由于UPS和計算機網絡融為一體，在遠離UPS電源機房的計算機網絡上的任一個管理平臺上經過身份校驗后，可以對訪問網絡中的任一個UPS電源的各種資料以及遠程控制，從而實現(xiàn)特性。采用高頻隔離裝置可以取掉笨重的工頻隔離變壓器，進一步減小裝置的體積和重量。(4)冗余并聯(lián)技術[4] 目前不少UPS單機可靠性已很高，整機平均無故障時間(MTBF)可以達到50萬小時。而在一些特別重要的場所如:銀行、民航、石化、電信、通訊社、軍隊等的計算機和網絡的供電是不允許有任何間斷的，所以單機UPS的可靠性還無法滿足，需要采用雙機或多機并聯(lián)冗余備份，來提高整個系統(tǒng)電源的可靠性。在以UPS為電源的交流供電系統(tǒng)中，因負載的增加需擴大電網容量時，一般可以通過兩個方案來解決:方案一是提高單臺UPS的設計容量，這就要求采用具有更高電壓和電流耐量的功率開關器件，并且需要對原UPS的結構與電路參數(shù)進行重新設計、計算。方案二是以原有的UPS為基礎，通過并聯(lián)技術使多臺UPS并聯(lián)運行，以提高電網容量。很顯然采用方案一需要較大的工作量，而且新型UPS的可靠性和穩(wěn)定性都需要較長的實踐檢驗。而方案二只要采用可靠的并聯(lián)技術，就可以使得UPS穩(wěn)定工作，可以節(jié)省大量的人力物力。所以UPS冗余并聯(lián)技術是提高UPS源系統(tǒng)可靠性，擴充系統(tǒng)容量的有效方法，UPS冗余并聯(lián)技術的發(fā)展過程表現(xiàn)了以下的特點:①模塊化設計，實現(xiàn)完全冗余:②并聯(lián)的單元數(shù)越來越多。③無需專門的外部控制設備，并聯(lián)操作更加簡單靈活:④控制策略更加復雜，控制方法由經典控制理論向現(xiàn)代控制理論轉變。⑤采用全數(shù)字化控制技術。⑥無連線并聯(lián)將成為研究熱點。隨著現(xiàn)代控制思想的逐漸引入，各種控制策略的提出、發(fā)展和完善，配以高性能的硬件設備,UPS冗余并聯(lián)技術將得到很快發(fā)展，它將使UPS得到更廣泛的應用。 論文研究主要內容研究的基本內容，擬解決的主要問題。鑒于前述的UPS的重要作用，本課題選擇UPS作為研究對象。一般的UPS電源都應包括如下部分：(l)交流輸入濾波回路及整流回路；(2)蓄電池及充電回路；(3)P WM脈沖寬度調制型的逆變器；(4)各種保護（過流和限流，過壓，空載保護，電池電壓過低，電池極性和交流極性檢測)電路；(5)交流市電供電與蓄電池供電之間的自動切換裝置及靜態(tài)開關裝置；(6)邏輯驅動回路。近年來利用微處理芯片作為逆變器和DC/DC變換器的電力電子器件的驅動電路；本課題根據實際要求，包括以下部分：三相不可控整流電路，對三相交流電進行濾波。DC/DC變換器，采用BOOST升壓電路。三相半橋逆變器電路，對母線電壓或者蓄電池輸出的直流電壓進行逆變，輸出給負載。雙向DC/DC變換器電路。實現(xiàn)蓄電池的充放電。蓄電池。選擇蓄電池的模型對本設計尤為重要，因為本課題設計的核心內容實現(xiàn)對蓄電池的充放電.針對上述幾個方面的要求，本文設計了三相在線式UPS系統(tǒng)，容量為5KVA除了實現(xiàn)三相正弦輸出外，還完成了對蓄電池充放電的閉環(huán)控制，以及對DC/DC變換器的閉環(huán)控制。在理論分析的基礎上，建立了數(shù)學模型，實現(xiàn)MATLAB仿真，論證了所選用的功率回路結構和控制方法的合理性，對方案的實施細節(jié)也給予了詳盡的闡述。 9第2章 系統(tǒng)模塊結構方案第2章 系統(tǒng)模塊結構方案 系統(tǒng)整體方案本課題根據實際要求，包括以下部分：系統(tǒng)整體框圖： 在線式UPS系統(tǒng)整體結構框圖能量流動圖：市電正?；虍惓r系統(tǒng)能量流動圖 系統(tǒng)整體結構方案(1)三相不可控整流電路，對三相交流電進行整流。DC/DC變換器，采用BOOST升壓電路。三相半橋逆變器電路，對母線電壓或者蓄電池輸出的直流電壓進行逆變，輸出給負載。電流雙向DC/DC變換器電路。實現(xiàn)蓄電池的充放電。工作原理如下：①當市電正常時，輸入電壓經過整流電路及升壓電路，一路給逆變器提供電壓，逆變器輸出經過濾波電路將SPWM波形變換成純正弦波，另一路送入充電器給蓄電池補充能量。UPS由市電經過整流濾波器、升壓電路、逆變器給負載供電，并且由逆變器來完成穩(wěn)壓功能。②當市電出現(xiàn)故障(無市電，市電電壓過高或過低)時，UPS工作在后備狀態(tài)，此時UPS由逆變器將蓄電池的直流電壓升壓后轉變成交流電壓輸出到負載。由此可見，對于在線式UPS，無論市電是否正常，其輸出總是由逆變器提供，所以在市電故障的瞬間，UPS的輸出不會有任何間斷。另外，由于在線式UPS有輸出濾波器，市電的交流輸入經整流器變?yōu)橹绷?，再由逆變器逆變?yōu)榻涣?，所以幾乎所有來自電網的干擾經過UPS以后都能得到很大程度的衰減；同時逆變器的穩(wěn)壓功能很強，所以在線式UPS能給負載提供干擾小，穩(wěn)壓精度高的電源。針對上述幾個方面的要求，本文設計了三相在線式UPS系統(tǒng)，容量為5KVA除了實現(xiàn)380V三相交流正弦輸出外，還完成了對蓄電池充放電的閉環(huán)控制，以及對BOOST變換器的閉環(huán)