【文章內(nèi)容簡介】 以同時(shí)向用戶提供具有以下優(yōu)點(diǎn)的高質(zhì)量電源而獨(dú)領(lǐng)風(fēng)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?yàn)橛脩籼峁└哔|(zhì)量的無間斷的交流電源。而且，隨著高智能芯片以及先進(jìn)的 IGBT 驅(qū)動(dòng)型脈寬調(diào)制技術(shù)的出現(xiàn)， UPS 電源的可靠性達(dá)到極高的水平。 隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)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(yùn)輸、公共事業(yè)單位中得到使用；小至 10W，一般在網(wǎng)絡(luò)線路的有源部件中使用，以保障網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。 智能化 網(wǎng)絡(luò)化 模塊化 數(shù)字化 高頻化 綠色化 UPS 控制技術(shù) 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 2 頁 由于中大功率 UPS 在性價(jià)比方面的優(yōu)勢(shì)與周邊設(shè)備的發(fā)展，中大功率 UPS 的應(yīng)用越來越廣，需求越來越大。大功率的 UPS一般負(fù)擔(dān)重要系統(tǒng)的供電，其研制技術(shù)難度大，因此研究三相大功率 UPS 具有廣泛的應(yīng)用前景和普遍的現(xiàn)實(shí)意義。逆變器是 UPS 的核心，必須具有輸出高質(zhì)量正弦電壓的能力。逆變電源的輸出波形控制技術(shù)是建立在工業(yè)電子技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、現(xiàn)代電力電子技術(shù)、磁性材料等學(xué)科基礎(chǔ)上的一門實(shí)用技術(shù)。 電網(wǎng)的干擾及危害 電網(wǎng)的干擾主要有以下幾種 : 1）市電電壓不穩(wěn)，有時(shí)甚至還會(huì)發(fā)生市電中斷； 2）市電頻 率波動(dòng)范圍過大； 3）由于用戶在電網(wǎng)上投入計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備和家用電器之類的非線性負(fù)載對(duì)電網(wǎng)污染而造成市電電壓正弦波形的嚴(yán)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(shè)備損毀。 以上污染或者干擾對(duì)計(jì)算機(jī)或者其他的敏感先進(jìn)儀器設(shè)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(dǎo)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(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)存和邏輯的損壞，還可能產(chǎn)生不可預(yù)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(gè)備用電源外，它還具備 電力凈化的作用。 電源的分類 現(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(fù)載之間，電源通過逆變器連續(xù)向負(fù)載供電，其結(jié)構(gòu)決定了其輸出與市電輸入無關(guān)。這種 UPS 電源的供電方式如 圖 1－ 2 所示 ：市電正常時(shí)，市電經(jīng)過整流器之后由逆變器向負(fù)載供電；市電不正常時(shí)，由蓄電器經(jīng)逆變器向負(fù)載供電。它的輸入、輸出環(huán)節(jié)都是彼此獨(dú)立控制的，因此對(duì)市電輸入的適應(yīng)能力很強(qiáng)，尤其是表現(xiàn)在對(duì)頻率變化的適應(yīng)能力上。在線式 UPS 電源的輸出是高質(zhì)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(zhì)最高，保護(hù)性能最好，對(duì)抑制市電噪音和浪涌的能力很強(qiáng)。在線式(online)UPS 供電系統(tǒng)單機(jī)輸出功率從 － 1500kVA。對(duì)于這樣的機(jī)型，當(dāng)用戶在采用多機(jī)“冗余’并機(jī)配置方案時(shí)，可將若干臺(tái)具有相同輸出功率和相同型號(hào)的 UPS 電源直接并機(jī)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(zhì)量的純凈正弦波電源。典型的“ 1 十 l”直接并機(jī)系統(tǒng)的平均無故障工作時(shí)間可達(dá) 200 萬小時(shí)。 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(qiáng)、還有備份連接和并聯(lián)冗余聯(lián)結(jié)的功能等優(yōu)點(diǎn)，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(zhì)量的交流電。其不足之處是當(dāng)容量少于 10kVA時(shí)，其整機(jī)效率不高，一般在 85％左右。因此在線式 UPS 廣泛地應(yīng)用到各種對(duì)電源要求 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 3 頁 圖 1－ 2 在線結(jié)構(gòu)框圖 較高的大中型系統(tǒng)中。在線式 UPS 正是本文研究的對(duì)象。 此架構(gòu)主要特點(diǎn)如下： 1．電路設(shè)計(jì)適合 1~10KVA 容量，控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高； 2．輸出至負(fù)載的電力經(jīng) UPS 處理，輸出電源質(zhì)量高； 3．逆變器始終處于工作狀態(tài)，電路損耗大，需采用質(zhì)量較好的元器件； 4．無轉(zhuǎn)換時(shí)間，可以給精密設(shè)備提供電源； 5．可同時(shí)改善電壓與頻率變化的電力品質(zhì)問題，增加電源供電穩(wěn)定度； 6．保護(hù)性能最好，對(duì)市電 通 訊、突 破 衰減能力最佳。 二、 在線互動(dòng)式 UPS 電源 在線互動(dòng)式 (interactive)UPS 電源單機(jī)輸出功率為 － 20kVA。當(dāng)市電電壓在 180～240V的范圍內(nèi)時(shí)，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(dāng)市電電壓在 150～ l80V 或 240～ 276V 范圍內(nèi)時(shí)，它經(jīng)位于交流旁路供電通道上的變壓器抽頭調(diào)壓處理電路所組成的交流調(diào)壓器向用戶提供經(jīng)過簡單調(diào)壓處理的市電電源。其幅值為 197～ 250V(用戶實(shí)際使用的電源仍然是來自市電，電網(wǎng)的具有頻率波動(dòng)，波形畸變度高以及從電網(wǎng)串入的干擾等所困擾的低質(zhì)量電源 )。僅僅當(dāng)市電電源的電壓低于150V 或高于 276V 時(shí)，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(dòng)式 UPS 的逆變器并聯(lián)連接在市電與負(fù)載之間。通過逆變器的可逆運(yùn)行方式，與市電相互作用，因此被稱為互動(dòng)式。這種 UPS 電源，在市電正常時(shí)，負(fù)載由經(jīng)改良后的市電 供電，同時(shí)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(dāng)市電不正常時(shí)，負(fù)載完全由逆變器供電，逆變器工作在 DC／ AC 方式。在線互動(dòng)式 UPS 結(jié)構(gòu)較簡單、實(shí)施方便、且易于并聯(lián)、便于維護(hù)和維修、效率高、運(yùn)行費(fèi)用低、整機(jī)可靠性高，性能滿足某些負(fù)載要求，特別適用于網(wǎng)絡(luò)中某些計(jì)算機(jī)設(shè)備采用分布式供電的系統(tǒng)。這種電源的缺點(diǎn)是穩(wěn)壓性能不高，尤其是動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度低，其次是抗干擾能力不強(qiáng)，自身很難抑制諧波干擾和調(diào)制干擾。 在線互動(dòng)式結(jié)構(gòu)框圖如圖 1－ 3 所示 濾波器 FILTER 負(fù)載載 市電正常 市電異常 機(jī)器故障 整流濾波器 RECTIFIER/FILTERR 逆變器 INVERTER 蓄電池 BATTERY 市電 旁路 Bypass 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 4 頁 圖 1－ 3 在線互動(dòng)式結(jié)構(gòu)框圖 此架構(gòu)主要特點(diǎn)如下： 1．控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電路設(shè)計(jì)適合 5KVA 以下容量，成本較高； 2．市電經(jīng)智能調(diào)節(jié)后直接提供給負(fù)載，逆變器此時(shí)給電池充電，充當(dāng)充電器的角色，系統(tǒng)損耗小，效率高； 3．對(duì)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(zhuǎn)換時(shí)間一般為 4~6ms； 5．保護(hù)性能比后備式 UPS 好。 三、 被動(dòng)后備式 UPS 電源 被動(dòng)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(dòng)后備式 UPS 電源的逆變器并聯(lián)連接在市電與負(fù)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(shí)，負(fù)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(dú)立的充電器供電；當(dāng)市電不正常時(shí)，負(fù)載則由逆變器提供電能。被動(dòng)后備式 UPS 具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于某些非重要的負(fù)載，如家用計(jì)算機(jī)等。但在市電不正常時(shí)，繼電器將逆變器切換至負(fù)載，切換時(shí)間較長，一般需幾個(gè) ms 的時(shí)間，所以稍微重要的計(jì)算機(jī)設(shè)備不宜選用被動(dòng)后備式 UPS 電源。 被動(dòng) 后備式 UPS 結(jié)構(gòu)框圖如圖 1－ 4 所示 圖 1－ 4 被動(dòng)后備式 UPS結(jié)構(gòu)框圖 此架構(gòu)主要特點(diǎn)如下： 充電器 CHARGER 蓄電池 BATTERY 逆變器 INVERTER 濾波器 FILTER 市電 負(fù)載 市電正常 市電異常 濾波器 FILTER 智能調(diào)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(fù)載 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 5 頁 1．電路設(shè)計(jì)架構(gòu)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(shí)逆變器不工作，系統(tǒng)損耗小，設(shè)備使用效率高； 3．逆變器僅僅在市電異常時(shí)動(dòng)作，零件失效及設(shè)備故障率低； 4． UPS 對(duì)市電幾乎不作處理而直接輸出至負(fù)載，對(duì)市電雜訊、 抗 衰減能力差，逆變輸出一般為方波； 5．市電轉(zhuǎn)逆變工作時(shí)會(huì)有較長的轉(zhuǎn)換時(shí)間，一般為 8~16ms； 6．保護(hù)性能差。 五 、 Delta 變換型 UPS 電源 Delta 變換型 UPS 電源：其單機(jī)輸出功率為 10～ 480kVA。當(dāng)輸入電源滿足電壓波動(dòng)小于 ?15％，頻率波動(dòng)小于 1％時(shí)，由比 Delta 變換器所提供的幅度不超過 ?15％的逆變電壓補(bǔ)償輸出電壓。補(bǔ)償電源經(jīng)串聯(lián)在主供電電路中的補(bǔ)償變 壓器與輸入電源共同構(gòu)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(dāng)輸入電源越過上述電壓和頻率范圍時(shí)，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(dòng)、頻率波動(dòng)以及電壓噪聲等電網(wǎng)干擾阻擋在負(fù)載之前，既可使負(fù)載對(duì)電網(wǎng)不產(chǎn)生干擾，又可使電網(wǎng)中的干擾不影響負(fù)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(shí)可繼續(xù)供電一段時(shí)間來保護(hù)負(fù)載 。另一方面在 UPS 的整流器發(fā)生故障時(shí)可使用戶有時(shí)間 來保護(hù)負(fù)載。按照用 戶的要求，后備時(shí)間可以是 5 分鐘、 10 分鐘、 30 分鐘，甚至更長。 電源配置方法 一、 UPS 電源容量數(shù)配置方法 通常情況下，負(fù)載設(shè)備提供標(biāo)稱電壓和標(biāo)稱電流，負(fù)載容量數(shù)如下： 負(fù)載容量數(shù) =電壓數(shù)電流數(shù) 特殊情況下，負(fù)載設(shè)備只給出了功率 W 數(shù)的信息，容量數(shù)如下： 負(fù)載容量數(shù) =功率 應(yīng)配 UPS 電源容量數(shù) =負(fù)載容量數(shù) / 二 、 后備延時(shí)蓄電池配置方法 （ 1） UPS 蓄電池的主要技術(shù)指標(biāo)。 UPS 蓄電池的額定電壓和額定容量是兩個(gè)最常用的技術(shù)指標(biāo)，額定電壓指 UPS 蓄電池正負(fù)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(shí)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； 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 6 頁 I— 放電電流， A； T— 放電時(shí)間， h （ 2）后備延時(shí)蓄電池配置方法。 UPS 蓄電池組額定電壓≥ UPS 電源啟動(dòng)直流電壓（各 UPS 電源出廠時(shí)標(biāo)明啟動(dòng)直流電壓） 。 UPS 電源功率延時(shí)時(shí)間 /UPS 電源啟動(dòng)直流電壓 =所需蓄電池安時(shí)數(shù) 基于 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(diǎn)： 1）因采用大量的分散元件和電路板，導(dǎo)致硬件成本偏高，系統(tǒng)的可靠性下降； 2）由于人工調(diào)試器件的存在，如可調(diào)電位器，導(dǎo)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(dǎo)致逆變電源輸出性能下降，甚至導(dǎo)致輸出失?。? 4）產(chǎn)品升級(jí)換代困難，對(duì)同一型號(hào)的模擬控制逆變電源，若不改動(dòng)硬件，則無法升級(jí)，每一個(gè)新型的逆變電源都要重新設(shè)計(jì)、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(shù)人員必須親赴場(chǎng)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(shè)計(jì)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(jìn)行。隨著電機(jī)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(shù)朝著全數(shù)字化、智能化及網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，逆變電源的數(shù)字控制技術(shù)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(diǎn)： （ 1）較高的輸入功率因數(shù)（ ），較低的輸出阻抗； （ 2）快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，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(luò)化 功能； 顯然這些要求的實(shí)現(xiàn)都離不開數(shù)字化控制技術(shù)。逆變電源采用數(shù)字控制，具有以下明顯優(yōu)點(diǎn)： （ 1） 易于采用先進(jìn)的控制方法和智能控制策略，使得逆變電源的智能化程度更高，性能更優(yōu)越。 （ 2） 控制方式靈活，系統(tǒng)升級(jí)方便，甚至可以在線修改控制算法，而