【文章內(nèi)容簡介】 內(nèi)容 研究的基本內(nèi)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(yīng)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(diào)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(guān)裝置； (6)邏輯驅(qū)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(qū)動電路； 本課題根據(jù)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(jìn)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(jìn)行逆變，輸出給負(fù)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(shè)計尤為重要，因為本課題設(shè)計的核心燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 內(nèi)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(shè) 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(chǔ)上，建立了數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn) MATLAB 仿真，論證了所選用的功率回路結(jié)構(gòu)和控制方法的合理性，對方案的實施細(xì)節(jié)也給予了詳盡的闡述。 第 2 章 系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)方案 7 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)實際要求，包括以下部分： 系統(tǒng)整體框圖： 三 相 不控 整 流三 相 半橋 逆 變蓄 電 池三 相 輸出 濾 波器負(fù) 載雙 向D C / D C變 換 器D C / D C變 換 器 在線式 UPS 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖 能量流動圖： 市 電能 量 P負(fù) 載能量P 1蓄 電 池能量P 2市 電 正 常充 電市 電 異 常放 電 市電正?；虍惓r系統(tǒng)能量流動圖 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 inU exUpi inKU inUexU ex mU 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)方案 (1)三相不可控整流電路，對三相交流電進(jìn)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(jìn)行逆變，輸出給負(fù)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(dāng)市電正常時，輸入電壓經(jīng)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(jīng)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(jīng)過整流濾波器、升壓電路、逆變器給負(fù)載供電，并且由逆變器來完成穩(wěn)壓功能。②當(dāng)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(zhuǎn)變成交流電壓輸出到負(fù)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(jīng)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(wǎng)的干擾經(jīng)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(fù)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(shè)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)控制。在理論分析的基礎(chǔ)上，建立了數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn) MATLAB 仿真，論證了所選用的功率回路結(jié)構(gòu)和控制方法的第 2 章 系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)方案 9 合理性，對方案的實施細(xì)節(jié)也給予了詳盡的闡述。 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。其主要功能有：將交流電變換成直流電；具有輸出電壓保持能力；抑制電網(wǎng)的干擾信號等功能。由于本課題設(shè)計的為 5KV UPS，整流電路選擇三相不控整流方案。三相不控整流具有無需控制，運行可靠，設(shè)計簡單，滿足設(shè)計要求。 （ 2）升壓電路方案。方案采用 BOOST 升壓電路方案，以保證系統(tǒng)對逆變器的輸入電壓，升壓電路采用閉環(huán)設(shè)計，保證對逆變器輸入的電壓穩(wěn)定。因為三相輸出電壓隨著負(fù)載的增加而減小，所以三相 電壓的輸出時不穩(wěn)定的，必須設(shè)計成閉環(huán)。三相整流橋?qū)⑷嘟涣麟娮兂蓭в幸欢y波的直流電壓。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，并不適臺直接給逆變器供電，而需要直流升壓后才能給逆變器供電。所以直流升壓變換器在本系統(tǒng)中是必不可少、極為重要的組成部分。 （ 3）對蓄電池的充放電控制。對蓄電池采恒壓充電方法，即分段恒壓充電，充放電閉環(huán)控制方案，保對蓄電池的輸入和輸出的穩(wěn)定性。實現(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，即實現(xiàn)蓄電池與母線之間的充放電過程。 對蓄電池充放電 控制進(jìn)行研究 ,因此主電路選取雙向 DC/DC 變換器（如圖）此主電路工作在 Buck 模式和 Boost 模式下分別相當(dāng)于 Buck 變換器和Boost 變換器 .為了確保系統(tǒng)能夠正常工作，必須保證高電壓源端和低電壓源端協(xié)調(diào)工作，對系統(tǒng)能量進(jìn)行雙向管理 .其核心是根據(jù)高電壓源端和低電壓源端的狀態(tài)，來控制雙向變換器能量傳輸?shù)姆较?，使其工作?Buck, Boost 工作模式，以此來控制蓄電池的充放電。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 Q 1Q 2D 1D 2L 1ChClUb a t 電流雙向 DCDC 變換器 （ 4）逆變器方案。逆變器主電路母線電壓由 BOOST變換器或蓄電池提供，如前所述。逆變器采用半橋逆變電路。相對比于全橋逆變，半橋逆變具有如下特點：①三相輸出可以適應(yīng)負(fù)載 100％不平衡，如果由全橋逆變實現(xiàn)同樣的功能則需要 12 只開關(guān)管，電路成本增加，可靠性降低。②如果采用全橋逆變，后面必須再加一個變壓器，否則完不成三相四線交流電壓的輸出，而半橋逆變則沒有這個必要。③半橋逆變?nèi)嘀g沒有耦合關(guān)系，故可以分相獨立控制，控制相對比于全橋逆變器來說簡單。 本章小結(jié) 通過上述分析可知，本章對于在線式三相 UPS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案作出來了具體的闡述，以及對系統(tǒng)的各個結(jié)構(gòu) 采用了初步的模塊。對系統(tǒng)的整流和升壓模塊做了簡要的概述，對蓄電池的充電和放電模塊做出了詳細(xì)的闡述。逆變器的結(jié)構(gòu)方案論述了采用的合理性和優(yōu)越性。采用了合理的模塊方案，為后面的設(shè)計和仿真奠定了堅實的基礎(chǔ)。 第 3 章 整流和升壓模塊設(shè)計方案 11 第 3章 整流和升壓模塊設(shè)計方案 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 U aU bU cabcV D 1V D 3V D 5V D 2 V D 4V D 6 圖中六個二極管分為兩組，其中奇數(shù)組 VD VD VD5的陰極連在一起，稱為共陰極組，偶數(shù)組 VD VD VD6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。共陰極性組中陽極電位最高的二極管將優(yōu)先導(dǎo)通；共陽極組陰極電位最低的二極管將優(yōu)先導(dǎo)通。具體分柝如下。 在 0～ t1期間， c相電位為正， b相電位為負(fù)， a 相電壓盡管也為正，但低于 c 相電壓。因此，在這段時間內(nèi) c 點電位最高， b 點電位最低，于是共燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 陰極組中 VD5 和共陽極組中 VD4 導(dǎo)通。 VD5 導(dǎo)通后，又使 VD1 和 VD3 的陰極電位基本上等于 c 點電位，因此兩管截至。而 VD4 導(dǎo)通后，又使 VD2和 VD6 的陽極電位接近 b 點的電位。故 VD2 和 VD6 也 截至。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。 在 t1～ t2 期間， a 點電位最高， b 點電位仍然最低，因此 VD VD5 導(dǎo)通，其余四個二極管都截止，電流通路是： AVD1RLVD4B。負(fù)載上的電壓就是線電壓 Uab。 其他時間段二極管的導(dǎo)通情況和負(fù)載電壓的波形和上述推導(dǎo)過程類似，電路電壓波形如圖 3． 2 所示。導(dǎo)通特點是各組二極管每隔 1/6 周期交換導(dǎo)通一次，但每個二極管導(dǎo)通 1/3 周期，任何時刻負(fù)載上得到的均為電源的線電壓。 整流模塊主要數(shù) 量關(guān)系 主電路主要數(shù)量關(guān)系 （ 1）輸出電壓平均值 三相橋式整流負(fù)載上的電壓為脈動的線電壓，空載時，輸出電壓平均值最大，為 Uo=。隨著負(fù)載加重，輸出電壓平均值減小，至ω RC= 進(jìn)入 Id 連續(xù)之后，輸出電壓波形成為線電壓的包絡(luò)線，其平均值為 Ud=?？梢?， Ud 在 — 之間變化。 （ 2）電流平均值 輸出電流平均值 IR 為 RUI dR? （ 31） 因此 Rd II ? （ 32） 在一個電源周期中， id有六個波頭，流過每一個二極管的是其中的兩個波頭，因此二極管電流平均值為 Id的 1/3，即 3Rvd II ? （ 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，為 。 第 3 章 整流和升壓模塊設(shè)計方案 13 輸出電壓 VUU O 2 ??? 升壓模塊設(shè)計方案 電流雙向 DC— DC 變換器在各類電源中得到了大量應(yīng)用。本章分析了BOOST 變換器工作原理，并在設(shè)計變換器的 PI 調(diào)節(jié)器中得到應(yīng)用，運用MATLAB 仿真電路，驗證了結(jié)果。設(shè)計了 BOOST 電路的閉環(huán)控制，運用運算放大器，比較器， PI 調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)電路的閉環(huán)控制。 BOOST 電路工作原理 U 2 LD 1RC 1Q 2 假設(shè)電路中電感 L很大，電容 C 值也很大。當(dāng) V 處于通態(tài)時，電源 E向電感 L 充電，充電電流基本恒定為 I1，同時電容 C上的電壓向負(fù)載 R供 電，因 C值很大，基本保持輸出電壓 UO為恒值，極為 UO。設(shè) V 處于通態(tài)的時間為ton，此階段電感 L積蓄的能量為 E178。 I1178。 ton。當(dāng) V 處于斷態(tài)時 E 和 L 共同向電容 C充電，并向負(fù)載 R提供能量。設(shè) V處于斷態(tài)的時間為 toff，則在此期間電感 L釋放的能量為（ UOE） I1toff。當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時，一個周期 T中電感 L積蓄的能量與釋放的能量相等，即 。)( 11 o f fon TIEUoTIE ?????? （ 34） 簡化得 ETTET TTUof fof fof fono ????? （ 35） 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 上式中的 T/toff大于等于 1。輸出電壓高于電源電壓，故稱該電路為升壓斬波電路。 升壓斬波電路之所以使輸出電壓能夠高于電源電壓，關(guān)鍵有兩個原因：一是 L儲能之后具有使電壓泵升的作用，二是電容 C可將輸出電壓保持住。在以上分析結(jié)果中，認(rèn)為 C 值不可能為無窮大，在此階段其向負(fù)載放電， Uo必然會有所下降，故實際輸出電壓會低于所計算的結(jié)果，不過，在電容 C 足夠大時，誤差很小，基本可以忽略。 開環(huán)電路參數(shù)的設(shè)計 電路參數(shù) 占空比 D,電感 L,電容 C計算如下： 根據(jù)計算參數(shù) 5356001 1 ???? ioVVD （ 36） 求的占空比 ???D （ 37） 電感 Hf RDDLs )1( 2 ??? ????? ???? ? （ 38） 電容 FfR DC s 85 ???????? ? （ 39） 閉環(huán)電路工作原理和設(shè)計 所用到的器件是比較器，運算放大器， PI 調(diào)節(jié) 器。 PI 調(diào)節(jié)器工作原理如下：采用模擬控制時，可以用運算放大器來實現(xiàn) PI 調(diào)節(jié)器，其線路如圖 PI 調(diào)節(jié)器圖 第 3 章 整流和升壓模塊設(shè)計方案 15 inU exU1baR1C1R0ii 比例積分 (PI)調(diào)節(jié)器原理圖 圖中 Ui