【正文】 成負(fù)載之間的動(dòng)態(tài)配置。高頻化對(duì)于減小體積、降低成本以及對(duì)非線性負(fù)載有更好的響應(yīng)上起著重要的作用。隨著科學(xué)的進(jìn)步，UPS電源技術(shù)在不久的將來會(huì)開辟一個(gè)更新的領(lǐng)域。UPS分類：后備式UPS，在線式UPS，在線互動(dòng)式UPS，DELTA變換式UPS。所在以單片機(jī)為控制核心的UPS電源可以為各種設(shè)備機(jī)器提供高質(zhì)量的電源[2]。另外,自然界的雷電,電網(wǎng)的接地不良等因素均影響到電網(wǎng)的供電質(zhì)量。他們有較強(qiáng)的技術(shù)力量和開發(fā)能力。在線式三相UPS設(shè)計(jì)與仿真畢業(yè)論文 目 錄摘要 IIAbstract III第1章 緒論 II UPS及應(yīng)用 2 UPS技術(shù)現(xiàn)狀 2 UPS發(fā)展趨勢(shì) 4 5第2章 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)方案 7 系統(tǒng)整體方案構(gòu)成 7 系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)方案 8 10第3章 整流和升壓模塊設(shè)計(jì)方案 11 整流模塊工作原理 12 整流模塊主要數(shù)量關(guān)系 13 升壓模塊設(shè)計(jì)方案 13 BOOST電路工作原理 14 開環(huán)電路參數(shù)設(shè)計(jì) 14 閉環(huán)電路工作原理和設(shè)計(jì) 15 本章小結(jié) 18第4章 蓄電池充電和放電模塊設(shè)計(jì)方案 69 蓄電池充電電路工作原理和設(shè)計(jì) 20 蓄電池放電電路工作原理和設(shè)計(jì) 22 蓄電池閉環(huán)控制方案 23 本章小結(jié) 25第5章 逆變器和輸出濾波器設(shè)計(jì)方案 26 逆變器工作原理 27 逆變器控制技術(shù) 28 輸出濾波器的設(shè)計(jì) 36 輸出濾波器原理和參數(shù)設(shè)計(jì) 37 本章小結(jié) 37結(jié)論 38參考文獻(xiàn) 39致謝 411附錄1 42 開題報(bào)告 42附錄2 47文獻(xiàn)綜述 47附錄3 53中期報(bào)告 53附錄4 59外文文獻(xiàn)中文翻譯 59附錄5 65外文文獻(xiàn) 65 第1章 緒論第1章 緒論 UPS及應(yīng)用近幾年，境外主要電源供應(yīng)商逐漸看好中國電力電子電源市場(chǎng)，紛紛把重點(diǎn)轉(zhuǎn)向中國內(nèi)地。科技部近期設(shè)立2億元的電力電子項(xiàng)目專項(xiàng)資金，國家發(fā)改委專門在近期發(fā)文啟動(dòng)專項(xiàng)課題，用于推進(jìn)電力電子技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，包括應(yīng)用裝置的產(chǎn)業(yè)化、重點(diǎn)圍繞節(jié)能、交通、電力、冶金等領(lǐng)域需求。由于以上因素的影響,可能會(huì)導(dǎo)致接在電網(wǎng)上的計(jì)算機(jī)設(shè)備,包括通信醫(yī)療等精密的工業(yè)儀器設(shè)備發(fā)生失控、丟失數(shù)據(jù)、停機(jī)、損壞等嚴(yán)重后果,直接影響到用戶的正常工作,造成經(jīng)濟(jì)損失或其他嚴(yán)重事故。電源在幾十年的發(fā)展中經(jīng)歷了晶閘管、功率晶體管、IGBT 、IPM等不同的發(fā)展時(shí)期，電路結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了后備式、在線互動(dòng)式、在線式等不同的形態(tài)。 UPS技術(shù)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。高頻化：雖然傳統(tǒng)在線式UPS的技術(shù)已經(jīng)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。智能化：微處理器在UPS上的應(yīng)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(jié)果是UPS的智能化發(fā)展，包括控制、檢測(cè)和通信。大容量單機(jī)冗余化：由于網(wǎng)絡(luò)對(duì)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。 UPS主要發(fā)展趨勢(shì)主要研究成果 對(duì)UPS的研究成果主要體現(xiàn)在對(duì)技術(shù)的研究上，其主要體現(xiàn)[3]： (1)功率變換技術(shù)UPS一個(gè)主要的發(fā)展趨勢(shì)就是小型輕量化，這就涉及到主電路結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化。功率晶體管開關(guān)速度比可控硅高一個(gè)數(shù)量級(jí)，場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET比功率晶體管又高一個(gè)數(shù)量級(jí)，而IGBT功率器件電流容量比MOSFET大得多，且導(dǎo)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(dá)50HZ。(2)數(shù)字控制技術(shù) 最初的UPS采用模擬控制方法有以下局限性[3]:①電路結(jié)構(gòu)復(fù)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。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(jī)，主頻160MHz)，具有強(qiáng)勁數(shù)據(jù)及邏輯運(yùn)算能力的芯片運(yùn)行相對(duì)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。它對(duì)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(yùn)行參數(shù))進(jìn)行實(shí)時(shí)高速采樣，實(shí)現(xiàn)數(shù)字式監(jiān)控。如果有故障，根據(jù)相應(yīng)的故障信息級(jí)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(bào)警，或者在現(xiàn)場(chǎng)和控制室以指示燈光、報(bào)警器鳴叫方式報(bào)警，也可以用自動(dòng)撥通電話等方式報(bào)警，并作出相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作。由于UPS和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)融為一體，在遠(yuǎn)離UPS電源機(jī)房的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上的任一個(gè)管理平臺(tái)上經(jīng)過身份校驗(yàn)后，可以對(duì)訪問網(wǎng)絡(luò)中的任一個(gè)UPS電源的各種資料以及遠(yuǎn)程控制，從而實(shí)現(xiàn)特性。在以UPS為電源的交流供電系統(tǒng)中，因負(fù)載的增加需擴(kuò)大電網(wǎng)容量時(shí)，一般可以通過兩個(gè)方案來解決:方案一是提高單臺(tái)UPS的設(shè)計(jì)容量，這就要求采用具有更高電壓和電流耐量的功率開關(guān)器件，并且需要對(duì)原UPS的結(jié)構(gòu)與電路參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)、計(jì)算。所以UPS冗余并聯(lián)技術(shù)是提高UPS源系統(tǒng)可靠性，擴(kuò)充系統(tǒng)容量的有效方法，UPS冗余并聯(lián)技術(shù)的發(fā)展過程表現(xiàn)了以下的特點(diǎn):①模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)完全冗余:②并聯(lián)的單元數(shù)越來越多。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(shè)備,UPS冗余并聯(lián)技術(shù)將得到很快發(fā)展，它將使UPS得到更廣泛的應(yīng)用。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(qū)動(dòng)電路；本課題根據(jù)實(shí)際要求，包括以下部分：三相不可控整流電路，對(duì)三相交流電進(jìn)行濾波。實(shí)現(xiàn)蓄電池的充放電。 9第2章 系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)方案第2章 系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)方案 系統(tǒng)整體方案本課題根據(jù)實(shí)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(jié)構(gòu)框圖能量流動(dòng)圖：市電正常或異常時(shí)系統(tǒng)能量流動(dòng)圖 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)方案(1)三相不可控整流電路，對(duì)三相交流電進(jìn)行整流。實(shí)現(xiàn)蓄電池的充放電。由此可見，對(duì)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(huì)有任何間斷。 系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)方案（1）輸入整流器部分方案，UPS內(nèi)部蓄電池、逆變器及控制電路均需要直流電，所以UPS內(nèi)部必須有整流電路。（2）升壓電路方案。由于逆變電壓要求為600V，而整流橋后電壓過低并且含有紋波，并不適臺(tái)直接給逆變器供電，而需要直流升壓后才能給逆變器供電。實(shí)現(xiàn)蓄電池和母線之間的雙向DC/DC變換器采用電流雙向半橋逆變器電路，即實(shí)現(xiàn)蓄電池與母線之間的充放電過程。逆變器采用半橋逆變電路。通過上述分析可知，本章對(duì)于在線式三相UPS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案作出來了具體的闡述，以及對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)結(jié)構(gòu)采用了初步的模塊。第3章 整流和升壓模塊設(shè)計(jì)方案第3章 整流和升壓模塊設(shè)計(jì)方案 整流模塊工作原理 3．1．1三相橋式整流電路工作原理三相不控橋式整流電路如圖3．1所示圖中六個(gè)二極管分為兩組，其中奇數(shù)組VDVDVD5的陰極連在一起，稱為共陰極組，偶數(shù)組VDVDVD6的陽極連在一起稱為共陽極，異名電極相連后接電源，同名電極相連后接負(fù)載。因此，在這段時(shí)間內(nèi)c點(diǎn)電位最高，b點(diǎn)電位最低，于是共陰極組中VD5和共陽極組中VD4導(dǎo)通。如果忽略正向管壓降，在此期間加在負(fù)載上的電壓就是線電壓Ucb，其電流通路為：CVD5RLVD4B。導(dǎo)通特點(diǎn)是各組二極管每隔1/6周期交換導(dǎo)通一次，但每個(gè)二極管導(dǎo)通1/3周期，任何時(shí)刻負(fù)載上得到的均為電源的線電壓。 （2）電流平均值 輸出電流平均值IR為 （31）因此 （32） 在一個(gè)電源周期中，id有六個(gè)波頭，流過每一個(gè)二極管的是其中的兩個(gè)波頭，因此二極管電流平均值為Id的1/3，即 （33） (3)二極管承受的壓降 二極管承受的最大反向電壓為線電壓的峰值。BOOST電路工作原理 假設(shè)電路中電感L很大，電容C值也很大。ton。輸出電壓高于電源電壓，故稱該電路為升壓斬波電路。PI調(diào)節(jié)器工作原理如下：采用模擬控制時(shí)，可以用運(yùn)算放大器來實(shí)現(xiàn)PI調(diào)節(jié)器，其線路如圖PI調(diào)節(jié)器圖比例積分(PI)調(diào)節(jié)器原理圖圖中Uin和Uex分別表示調(diào)節(jié)器輸入和輸出電壓的絕對(duì)值，圖中所示的極性表明它們是反相；Rab1為運(yùn)算放大器通向輸出端的平衡電阻，一般取反相輸入端個(gè)電路電阻的冰戀之，按照運(yùn)算放大器的輸入輸出關(guān)系，可得： （310）式中 Kpi—PI調(diào)節(jié)器比例不分的放大系數(shù) （311）τ—PI調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù) （312）由此可見，PI調(diào)節(jié)器的輸出電壓Uex由比例和積分兩部分疊加而成。但因此快速性被壓低了，換來對(duì)穩(wěn)定性的保證。為了保證線性放大作用并保護(hù)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)，對(duì)運(yùn)算放大器設(shè)置輸出電壓限幅值是非常必要的。 當(dāng)市電380V輸出整流橋后，變成Uo==535V，所以輸出BOOST電路的電壓為535V，BOOST工作原理前面已經(jīng)介紹，下面討論閉環(huán)設(shè)計(jì)方案：由于采用逆變器的輸出電壓為600V，所以在輸出端采用6V的給定電壓值，采樣BOOST輸出端電壓的1/100，與給定值6V相比較，其輸出電壓經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器，經(jīng)過比例積分作用，給三角波相比較，通過學(xué)習(xí)PWM知識(shí)可知，比較的幅值直接驅(qū)動(dòng)MOSFET管，來控制MOSFET的開通和關(guān)斷。對(duì)整流模塊，分析了采用三相不可控整流模塊的優(yōu)點(diǎn)和工作原理，計(jì)算了整流模塊的主要參數(shù)；對(duì)升壓模塊，在分析BOOST電路的工作原理的同時(shí)，設(shè)計(jì)了BOOST電路的閉環(huán)方案，仿真得出的結(jié)果比較合理，閉環(huán)電路的參數(shù)設(shè)計(jì)采用了模糊算法，在具體的仿真中驗(yàn)證了選用參數(shù)的合理性。在本文研究的UPS系統(tǒng)中，BOOST升壓后的母線電壓充當(dāng)了蓄電池充電的角色。正因?yàn)樾铍姵氐膬?chǔ)能作用，UPS才能在供電突然中斷的時(shí)候提供寶貴的后備時(shí)間，用于處理負(fù)載的保護(hù)工作。其原因如下根據(jù)本文的實(shí)際技術(shù)指標(biāo)的要求和合理的分析，用恒壓充電方式。即：在市電正常時(shí)，市電一方面經(jīng)過BOOST電路給逆變器供電，另一方面經(jīng)BOOST電路，在經(jīng)過雙向DCDC變換器，實(shí)現(xiàn)給蓄電池充電，由于蓄電池兩端的額定電壓是220V，經(jīng)過BOOST電路以后的母線電壓升到了600V,所以在市電正常時(shí)，電流雙向DCDC變化器處在BUCK工作模式，其電路結(jié)構(gòu)如圖所示 BUCK電路圖其工作原理如下： 當(dāng)開關(guān)S導(dǎo)通時(shí)，電源Ug一方面通過儲(chǔ)能電感L向負(fù)載R供電，另一方面，向儲(chǔ)能電感L以及電容C中儲(chǔ)存能量，此時(shí)，i1增加，電感內(nèi)的電流逐漸增加，而續(xù)流二極管因反向偏置而截至；輸出不能立刻達(dá)到電源電壓值；當(dāng)S關(guān)斷時(shí)，由于電感L的自感作用，i1不能突變，故i1通過二極管VD續(xù)流，電感電流逐漸減小，這時(shí)電感中的能量通過L、R、C和續(xù)流二極管VD將儲(chǔ)存的電能釋放到負(fù)載中去，i1降低，L上的儲(chǔ)存減小。如果通過檢測(cè)輸出電壓來控制導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間，以保持輸出電壓不變，這就實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)壓的目的。根據(jù)公式，參數(shù)計(jì)算如下： (43) (44) (45)蓄電池充電采用恒壓充電方式。充電階段的充電模式采用閉環(huán)控制方案。由于蓄電池在放電時(shí)，兩端的電壓和電流在不斷的減小，時(shí)間越長(zhǎng)，其兩端電壓和電流越小，所以必須采用閉環(huán)控制方案，實(shí)現(xiàn)其放電電壓的穩(wěn)定性。下面介紹充電和放電方案的轉(zhuǎn)化：因?yàn)樵谑须娬r(shí)，市電經(jīng)過三相不控整流和BOOST電壓升壓之后，一方面給逆變器供電，經(jīng)過逆變器輸出給負(fù)載；另一方面在蓄電池兩端的電壓不高于240V的前提下，給蓄電池充電。當(dāng)市電電壓高于600V或者是低于500V時(shí)，通過設(shè)計(jì)利用與門，一個(gè)選擇開關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的充電模式即在市電正常時(shí)，蓄電池處于充電狀態(tài)。仿真圖： 三相逆變器的介紹由后面的第五章介紹。對(duì)蓄電池的充放電的轉(zhuǎn)化，在做出合理設(shè)計(jì)和闡述的同時(shí)，將控制方案仿真驗(yàn)證其合理性，仿真結(jié)果表明，參數(shù)滿足計(jì)算指標(biāo)的要求。尤其在非線性負(fù)載作用下，如何抑制諧波，調(diào)高輸出電壓品質(zhì)，目前依然是逆變器研究的一個(gè)熱點(diǎn)。考慮到三相之間的獨(dú)立性，下面分析以單相半橋逆變器為對(duì)象。輸出電壓平均值如圖中的虛線所示，它跟驅(qū)動(dòng)波形的占空比有關(guān)，通過改變占空比，可以得到平均輸出為正弦的電壓波形。三相SVPWM逆變器數(shù)學(xué)模型考慮圖1所示的三相SVPWM逆變器的電路結(jié)構(gòu)，考慮三相平衡，根據(jù)變換前后功率不變的原則，有三相靜止到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換關(guān)系式如下 （52） （53）利用式中方程得到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓和電流狀態(tài)方程： （54） （55） （56） （57）檢測(cè)三相負(fù)載電壓uL,三相負(fù)載電流iL及三相輸出電流i1，由式可以得到對(duì)應(yīng)的d，q軸分量，電壓控制器和輸出電壓反饋構(gòu)成電壓外環(huán)，其輸出為電流指令i1d，i1q。利用輸出電壓空間矢量V1d，V1q，在電壓空間矢量SVPWM控制技術(shù)的調(diào)節(jié)器下，得到逆變器6個(gè)開關(guān)器件的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而得逆變器在電壓電流雙環(huán)控制下，輸出額定正玄波電壓。式中得到逆變器輸出電流控制量u1d