【正文】 全數(shù)字化UPS電源系統(tǒng)設計畢業(yè)論文目 錄1 緒論 1 1 2 2 UPS功能 5 5 DSP 控制的數(shù)字式 UPS 的優(yōu)越性 6 72 全數(shù)字化UPS的硬件電路設計 7 7 8 9 10 10（無源） 11 11(BUCK)變換器 12（BOOST）變換器 14 16 IPM的特點 17 18 19 20 233 SVPWM在逆變器電路中的應用 24 24 24 24 27 27 28 SVPWM控制算法的仿真 314 TMS320系列 37 37 39 TMS320LF2407A的主要特點如下 39 39 445 UPS蓄電池的種類、選擇及維護 45 45 45 506 軟件設計 50 50 51 547 結 論 56參考文獻 58中文翻譯 59英文翻譯 71致 謝 851 緒論智能化網(wǎng)絡化模塊化數(shù)字化高頻化綠色化UPS控制技術UPS(Uninterruptible power Supply)是一種能提供優(yōu)質電源并保證電源連續(xù)供應的電力電子裝置。UPS最早的應用是在為醫(yī)院的手術室、電臺和電視臺的節(jié)目播出系統(tǒng)、軍事國防等特殊領域出現(xiàn)緊急情況時提供可靠的應急電力供應。隨著計算機處理系統(tǒng)的廣泛應用，UPS同時充當起了計算機系統(tǒng)的保護神，它能使計算機系統(tǒng)在工作中突然遭遇停電之后繼續(xù)工作一段時間，以便用戶能夠緊急存盤和備份，使計算機系統(tǒng)不致因停電丟失數(shù)據(jù)而造成不必要的損失。隨著信息化社會的發(fā)展，UPS應用于更加廣泛的領域，如:金融證券、航空航夭、電信電視、辦公自動化等，因此對UPS提出了更新、UPS的應用將呈現(xiàn)出從單機向冗余結構變化。從注重系統(tǒng)的可靠性向注重系統(tǒng)的可用性變化。從單純供電系統(tǒng)向保證整個IT運行環(huán)境變化等趨勢。隨著信息技術、電子技術、控制技術的發(fā)展，各種先進技術已廣泛應用在UPS的設計開發(fā)中，因而UPS技術進一步朝著模塊化、智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化、高頻化、綠色化等幾個主要方向發(fā)展，如圖1－1所示。圖1－1 UPS控制技術的發(fā)展為了克服電網(wǎng)干擾對用電設備的破壞，目前廣泛采用UPS為敏感的用電設備供電。如何消除形形色色的干擾對用電設備造成的影響，為用電設備提供高可靠性，高質量的純凈的電源，是各UPS廠商面對的問題。一套功能完善的UPS可以最大限度地消除來自電網(wǎng)上的各類干擾。UPS電源以它可以同時向用戶提供具有以下優(yōu)點的高質量電源而獨領風騷:輸出電壓的精度高；工作頻率穩(wěn)定；電壓失真度小的純正正弦波電源；輸出波形不存在干擾以及不管市電供電是否正常，它都能夠為用戶提供高質量的無間斷的交流電源。而且，隨著高智能芯片以及先進的IGBT驅動型脈寬調制技術的出現(xiàn)，UPS電源的可靠性達到極高的水平。隨著計算機應用的需要，UPS逐漸向兩邊發(fā)展。從輸出功率來看，大到幾十KVA甚至更高，一般在電信、金融、運輸、公共事業(yè)單位中得到使用；小至10W，一般在網(wǎng)絡線路的有源部件中使用，以保障網(wǎng)絡的正常運行。由于中大功率UPS在性價比方面的優(yōu)勢與周邊設備的發(fā)展，中大功率UPS的應用越來越廣，需求越來越大。大功率的UPS一般負擔重要系統(tǒng)的供電，其研制技術難度大，因此研究三相大功率UPS具有廣泛的應用前景和普遍的現(xiàn)實意義。逆變器是UPS的核心，必須具有輸出高質量正弦電壓的能力。逆變電源的輸出波形控制技術是建立在工業(yè)電子技術、半導體技術、現(xiàn)代控制技術、現(xiàn)代電力電子技術、磁性材料等學科基礎上的一門實用技術。電網(wǎng)的干擾主要有以下幾種:1）市電電壓不穩(wěn)，有時甚至還會發(fā)生市電中斷；2）市電頻率波動范圍過大；3）由于用戶在電網(wǎng)上投入計算機、通信設備和家用電器之類的非線性負載對電網(wǎng)污染而造成市電電壓正弦波形的嚴重畸變；4）從電網(wǎng)串入的各種干擾和高能浪涌經(jīng)常造成設備損毀。以上污染或者干擾對計算機或者其他的敏感先進儀器設備造成的危害不盡相同。例如電源中斷，可能造成硬件損壞。電壓跌落，可能導致硬件提前老化，文件資料的丟失。過壓或者欠壓以及電壓浪涌，可能導致驅動器，內存和邏輯的損壞，還可能產(chǎn)生不可預料的軟件故障。噪聲電壓和電壓瞬變可能損壞邏輯電路和文件資料。UPS的功能除了是一個備用電源外，它還具備電力凈化的作用?，F(xiàn)在的電源工業(yè)，可以向用戶提供一下4種類型的UPS：一、 在線式 UPS 電源在線式UPS電源的逆變器串聯(lián)連接在交流輸入與負載之間，電源通過逆變器連續(xù)向負載供電，其結構決定了其輸出與市電輸入無關。這種UPS電源的供電方式如圖1－2所示：市電正常時，市電經(jīng)過整流器之后由逆變器向負載供電；市電不正常時，由蓄電器經(jīng)逆變器向負載供電。它的輸入、輸出環(huán)節(jié)都是彼此獨立控制的，因此對市電輸入的適應能力很強，尤其是表現(xiàn)在對頻率變化的適應能力上。在線式UPS電源的輸出是高質量的正弦波交流電源，頻率和電壓的穩(wěn)定度、精度都很高。另外，由于在線式UPS電源有輸入濾波器，市電的交流輸入經(jīng)整流濾波器變成直流，再由逆變器逆變經(jīng)過輸出濾波器輸出正弦波，這樣輸出的電源品質最高，保護性能最好，對抑制市電噪音和浪涌的能力很強。在線式(online)－1500kVA。對于這樣的機型，當用戶在采用多機“冗余’并機配置方案時，可將若干臺具有相同輸出功率和相同型號的UPS電源直接并機而形成7000－8000kVA的大型UPS供電系統(tǒng)。在線式UPS向用戶提供的交流電源是高質量的純凈正弦波電源。典型的“1十l”直接并機系統(tǒng)的平均無故障工作時間可達200萬小時。在眾多的UPS 中，在線式UPS是UPS電源的主流產(chǎn)品，具有性能好、電壓與頻率穩(wěn)定度高、功能強、還有備份連接和并聯(lián)冗余聯(lián)結的功能等優(yōu)點，這種UPS 不論市電電網(wǎng)供電正常與否，都能向用戶提供連續(xù)的高質量的交流電。其不足之處是當容量少于10kVA時，其整機效率不高，一般在85％左右。因此在線式 UPS 廣泛地應用到各種對電源要求濾波器FILTER負載載市電正常市電異常 機器故障整流濾波器RECTIFIER/FILTERR逆變器INVERTER蓄電池BATTERY市電旁路Bypass 圖1－2 在線結構框圖較高的大中型系統(tǒng)中。在線式UPS正是本文研究的對象。此架構主要特點如下：1．電路設計適合 1~10KVA 容量，控制結構復雜，成本高；2．輸出至負載的電力經(jīng) UPS 處理，輸出電源質量高；3．逆變器始終處于工作狀態(tài)，電路損耗大，需采用質量較好的元器件；4．無轉換時間，可以給精密設備提供電源；5．可同時改善電壓與頻率變化的電力品質問題，增加電源供電穩(wěn)定度；6．保護性能最好，對市電通訊、突破衰減能力最佳。二、 在線互動式 UPS 電源在線互動式(interactive)－20kVA。當市電電壓在180～240V的范圍內時，它經(jīng)由一條傳輸電纜所組成的交流旁路直接向用戶提供市電電源(180～240V)。當市電電壓在150～l80V或240～276V范圍內時，它經(jīng)位于交流旁路供電通道上的變壓器抽頭調壓處理電路所組成的交流調壓器向用戶提供經(jīng)過簡單調壓處理的市電電源。其幅值為197～250V(用戶實際使用的電源仍然是來自市電，電網(wǎng)的具有頻率波動，波形畸變度高以及從電網(wǎng)串入的干擾等所困擾的低質量電源)。僅僅當市電電源的電壓低于150V或高于276V時，它才有可能向用戶提供真正的UPS逆變器正弦波電源。在線互動式UPS的逆變器并聯(lián)連接在市電與負載之間。通過逆變器的可逆運行方式，與市電相互作用，因此被稱為互動式。這種UPS電源，在市電正常時，負載由經(jīng)改良后的市電供電，同時逆變器作為充電器給蓄電池充電，逆變器工作在AC／DC方式；當市電不正常時，負載完全由逆變器供電，逆變器工作在DC／AC方式。在線互動式UPS結構較簡單、實施方便、且易于并聯(lián)、便于維護和維修、效率高、運行費用低、整機可靠性高，性能滿足某些負載要求，特別適用于網(wǎng)絡中某些計算機設備采用分布式供電的系統(tǒng)。這種電源的缺點是穩(wěn)壓性能不高，尤其是動態(tài)響應速度低，其次是抗干擾能力不強，自身很難抑制諧波干擾和調制干擾。在線互動式結構框圖如圖1－3所示濾波器FILTER智能調節(jié)器AVR蓄電池BATTERY充電器CHARGER逆變器INVERTER市電正常市電異常市電負載圖1－3 在線互動式結構框圖此架構主要特點如下：1．控制結構復雜，電路設計適合 5KVA 以下容量，成本較高；2．市電經(jīng)智能調節(jié)后直接提供給負載，逆變器此時給電池充電，充當充電器的角色，系統(tǒng)損耗小，效率高；3．對市電通訊、抗衰減能力差，逆變輸出為正弦波；4．市電到逆變的轉換時間一般為 4~6ms；5．保護性能比后備式 UPS 好。三、 被動后備式 UPS 電源被動后備式(off line)UPS電源包括后備式正弦波輸出UPS電源與后備式方波輸出UPS電源。被動后備式UPS電源的逆變器并聯(lián)連接在市電與負載之間，僅簡單地作為備用電源使用。這種UPS電源，在市電正常時，負載完全由市電直接供電，逆變器不做任何電能變換，蓄電池由獨立的充電器供電；當市電不正常時，負載則由逆變器提供電能。被動后備式UPS具有結構簡單、價格低廉等優(yōu)點，可應用于某些非重要的負載，如家用計算機等。但在市電不正常時，繼電器將逆變器切換至負載，切換時間較長，一般需幾個ms的時間，所以稍微重要的計算機設備不宜選用被動后備式UPS電源。被動后備式UPS結構框圖如圖1－4所示充電器CHARGER蓄電池BATTERY逆變器INVERTER濾波器FILTER市電負載市電正常市電異常圖1－4 被動后備式UPS結構框圖此架構主要特點如下：1．電路設計架構簡單，適合 2KVA 容量以下，體積小，重量輕，控制容易，成本低；2．市電正常時逆變器不工作，系統(tǒng)損耗小，設備使用效率高；3．逆變器僅僅在市電異常時動作，零件失效及設備故障率低；4．UPS 對市電幾乎不作處理而直接輸出至負載，對市電雜訊、抗衰減能力差，逆變輸出一般為方波；5．市電轉逆變工作時會有較長的轉換時間，一般為 8~16ms；6．保護性能差。五、 Delta 變換型 UPS 電源Delta變換型UPS電源：其單機輸出功率為10～480kVA。當輸入電源滿足電壓波動小于?15％，頻率波動小于1％時，由比 Delta變換器所提供的幅度不超過?15％的逆變電壓補償輸出電壓。補償電源經(jīng)串聯(lián)在主供電電路中的補償變壓器與輸入電源共同構成串聯(lián)穩(wěn)壓電源，其穩(wěn)壓精度為?1％(其中80％～100％來自市電電源，15％～20％來自De1ta變換器)。當輸入電源越過上述電壓和頻率范圍時，由主變換器(不帶逆變器輸出隔離變壓器)向用戶提供正弦波的逆變器電源。 UPS功能UPS的主要功能有以下5種:(l)雙電源之間的無間斷切換。(2)頻率變換功能，可以將輸入電壓的頻率變成需要的頻率。(3)電壓變換功能，可以將輸入電壓變換成需要的電壓。(4)隔離功能，將瞬間間斷、諧波、電壓波動、頻率波動以及電壓噪聲等電網(wǎng)干擾阻擋在負載之前，既可使負載對電網(wǎng)不產(chǎn)生干擾，又可使電網(wǎng)中的干擾不影響負載。(5)后備功能，UPS帶有蓄電池，貯存一定的能量，一方面在電網(wǎng)停電或發(fā)生故障時可繼續(xù)供電一段時間來保護負載。另一方面在UPS的整流器發(fā)生故障時可使用戶有時間來保護負載。按照用戶的要求，后備時間可以是5分鐘、10分鐘、30分鐘，甚至更長。一、 UPS 電源容量數(shù)配置方法通常情況下，負載設備提供標稱電壓和標稱電流，負載容量數(shù)如下：負載容量數(shù) =電壓數(shù)電流數(shù)特殊情況下，負載設備只給出了功率 W數(shù)的信息，容量數(shù)如下：負載容量數(shù) =功率應配UPS 電源容量數(shù)=負載容量數(shù)/二、后備延時蓄電池配置方法（1）UPS蓄電池的主要技術指標。UPS 蓄電池的額定電壓和額定容量是兩個最常用的技術指標，額定電壓指 UPS 蓄電池正負極間的電壓，也稱端電壓。額定容量是指充足電的蓄電池放電到終止電壓時輸出的電量。 在恒流放電的情況下，容量Q=IT式中 Q—電池放出的電量，Ah；I—放電電流，A；T—放電時間，h（2）后備延時蓄電池配置方法。UPS 蓄電池組額定電壓≥UPS 電源啟動直流電壓（各 UPS 電源出廠時標明啟動直流電壓） 。UPS 電源功率延時時間/UPS 電源啟動直流電壓 =所需蓄電池安時數(shù) DSP 控制的數(shù)字式 UPS 的優(yōu)越性一、傳統(tǒng)的逆變電源采用模擬電路控制，但模擬控制存在許多固有的缺點：1）因采用大量的分散元件和電路板，導致硬件成本偏高，系統(tǒng)的可靠性下降；2）由于人工調試器件的存在，如可調電位器，導致生產(chǎn)效率降低及控制系統(tǒng)的一致性差；3）器件老化及熱漂移問題的存在，導致逆變電源輸出性能下降，甚至導致輸出失?。?）產(chǎn)品升級換代困難，對同一型號的模擬控制逆變電源，若不改動硬件，則無法升級，每一個新型的逆變電源都要重新設計、制造控制系統(tǒng)；5）模擬控制的逆變電源的監(jiān)控功能有限，一旦出現(xiàn)故障，技術人員必須親赴場排查。80年代初期，為了提高逆變電源的通信功能及顯示功能，逆變電源的設計中采用了微處理器，但是，由于微處理器的速度問題，逆變電源的控制仍然采用模擬電路進行。隨著電機控制專用DSP的出現(xiàn)和控制理論的普遍發(fā)展，使得逆變電源的控技術朝著全數(shù)字化、智能化及網(wǎng)絡化的方向發(fā)展，逆變電源的數(shù)字控制技術發(fā)生了一次大飛躍。二、高性能的逆變電源必須滿足以下特點：（1）較高的輸入功率因數(shù)（），較低的輸出阻抗；（2）快速的動態(tài)響應，穩(wěn)態(tài)精度高；（3）穩(wěn)定性高，效率高，可靠性高；（4）盡量低的電磁干擾；（5）完善的智能化與網(wǎng)絡化功能；顯然這些要求的實現(xiàn)都離不開數(shù)字化控制技術。逆變電源采用數(shù)字控制，具有以下明顯優(yōu)點：（