【正文】 變器故障時(shí)，通過(guò)靜態(tài)開(kāi)關(guān)迅速切換至靜態(tài)旁路電源，向負(fù)載供電，不過(guò)，這時(shí)負(fù)載得到的是市電，供電質(zhì)量比較差，無(wú)穩(wěn)壓穩(wěn)頻性能，但保證了負(fù)載不間斷供電。(2)當(dāng)逆變器發(fā)生故障時(shí)，很明顯，圖21所示結(jié)構(gòu)的UPS就不能實(shí)現(xiàn)負(fù)載的不間斷供電。 不間斷供電的原理 從UPS基本組成原理圖21可看出，(1)在交流輸入電源正常的情況下，整流器一方面為逆變器提供直流輸入電壓，同時(shí)另一方面向蓄電池充電，使蓄電池儲(chǔ)存能量；一旦交流輸入電壓發(fā)生異?；驍嚯姟⒒蛘哒髌靼l(fā)生故障時(shí)，整流器就無(wú)直流輸出，這時(shí)蓄電池自動(dòng)代替整流器向逆變器提供直流輸入電壓，逆變器仍能正常工作。3）電源裝置發(fā)生故障而中斷供電。造成這種突然停電的原因較多，如：用戶(hù)發(fā)生故障或事故，造成電源跳閘；雷擊造成短路而跳閘，或者由于雷擊引起輸電線(xiàn)斷裂；鳥(niǎo)害引起斷裂而跳閘；臺(tái)風(fēng)或龍卷風(fēng)將輸電線(xiàn)刮斷等。下面在分析不間斷供電的原理的基礎(chǔ)上，提出本課題的整體設(shè)計(jì)方案。實(shí)現(xiàn)此目的的交流不間斷UPS電源的基本組成如圖21所示:整流器逆變器蓄電池市電負(fù)載圖21 UPS基本組成框圖在此基本組成電路中，當(dāng)市電發(fā)生斷電或異常時(shí)，關(guān)鍵在于使用蓄電池放電，以蓄電池代替整流器，向逆變器提供直流輸入從而保證負(fù)載供電的不間斷和質(zhì)量。 本課題的要求1. UPS輸入設(shè)計(jì)要求:(1)輸入電壓:380V10%(三相四線(xiàn)制)，頻率50HZ15%；(2)輸入容量能同時(shí)滿(mǎn)足蓄電池均充和逆變器滿(mǎn)載運(yùn)行要求；(3)功率因.2. UPS輸出設(shè)計(jì)要求(1)三相輸出電壓380V2%,%，并在一定范圍內(nèi)可調(diào)（電壓正負(fù)5%，頻率正負(fù)2HZ)；(2)輸出功率大于額定功率（20KVA）；(3)過(guò)載能力125%150%；(4)諧波失真度7%。 本課題的任務(wù)和要求 本課題的任務(wù)本課題的任務(wù)是研究設(shè)計(jì)出新一代微機(jī)控制的可應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)的20KVA的智能UPS系統(tǒng)。另外，隨著微處理器和計(jì)算機(jī)應(yīng)用的普及，將其引入U(xiǎn)PS系統(tǒng)，研制智能UPS是UPS發(fā)展的必然趨勢(shì)。目前UPS各大廠(chǎng)家都將UPS的監(jiān)控軟件作為產(chǎn)品竟?fàn)幜Φ囊粋€(gè)重要籌碼。所謂智能UPS就是將傳統(tǒng)UPS通過(guò)與PC上位機(jī)相連的硬件接口，結(jié)合特殊設(shè)計(jì)的軟件(稱(chēng)為監(jiān)控軟件)以提供電源和資料的雙重保護(hù)。因此，UPS監(jiān)控防護(hù)軟件是UPS的新發(fā)展，這種軟硬件的新搭配有助于大幅度提高UPS的功能，使其趨向人性化；同時(shí)大大拓寬了UPS在計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。隨著UPS在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用不斷發(fā)展，UPS不再是單純供電、僅僅保護(hù)服務(wù)器，而是強(qiáng)調(diào)以整個(gè)網(wǎng)絡(luò)為保護(hù)對(duì)象。顯示方式從數(shù)碼顯示到液晶顯示，使得人機(jī)“對(duì)話(huà)”更加方便。PWM(脈寬調(diào)制)技術(shù)和功率晶體管及組合管、功率MOS管、IGBT等己被UPS普遍采用，從而降低了UPS的可聞噪聲，提高了效率和可靠性。人們希望將現(xiàn)代電子技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等UPS相關(guān)技術(shù)應(yīng)用于UPS不間斷電源，使UPS電源供電系統(tǒng)變得越來(lái)越完善，對(duì)各種性質(zhì)的負(fù)載適應(yīng)性更強(qiáng)，產(chǎn)品種類(lèi)更齊全。從國(guó)防、航天、科研到醫(yī)療衛(wèi)生、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸，從銀行證券到商貿(mào)銷(xiāo)售，從通訊行業(yè)直至以信息高速公路為代表的新興信息產(chǎn)業(yè)(IT)，無(wú)不用到UPS不間斷電源。不但如此，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，生產(chǎn)力水平的提高各行各業(yè)的許多關(guān)鍵設(shè)備對(duì)電源的要求也是如此。但是，隨著微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用的日益普及和信息處理技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)供電的質(zhì)量要求越來(lái)越高。由此可看出，UPS已當(dāng)之無(wú)魄成為當(dāng)代高科技成員，而且正隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展而不斷發(fā)展。事實(shí)上許多功率電子節(jié)能設(shè)備往往是電網(wǎng)的污染源：向電網(wǎng)注入嚴(yán)重的諧波電流，使得總的功率因素下降，使電網(wǎng)電壓產(chǎn)生毛刺尖峰甚至畸變。隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的加強(qiáng)，電源系統(tǒng)的綠色化概念被提出。微處理器軟硬件的引入，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)UPS的智能化管理，進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)和遠(yuǎn)程診斷。隨著微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電源技術(shù)的高頻化、模塊化、數(shù)字化、綠色化成為發(fā)展趨勢(shì)，UPS不間斷電源也不例外。柴油發(fā)電 機(jī)蓄電池UPSOUT圖13 UPS典型框圖 UPS的發(fā)展前景從以上UPS的發(fā)展歷程可看出，UPS從當(dāng)初單一的動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)式到今天多類(lèi)型多品種動(dòng)態(tài)、靜態(tài)、動(dòng)靜結(jié)合、在線(xiàn)式、后備式(離線(xiàn)式)、后備在線(xiàn)交叉式等。近期又出現(xiàn)了不間斷蓄電池系統(tǒng)UBS(Uninterrupted Battery System)，見(jiàn)圖13所示。結(jié)合后備式UPS效率高和在線(xiàn)式UPS供電質(zhì)量高的優(yōu)點(diǎn)，人們提出了三端口UPS。由于單相進(jìn)單相出給市電配電帶來(lái)極大困難，于是出現(xiàn)了三相入單相出(3/1)的UPS，其最大容量可達(dá)60KVA以上，這種單相輸出的UPS在切換到旁路時(shí)、滿(mǎn)負(fù)載情況下市電對(duì)應(yīng)的一相將嚴(yán)重超載，因此廠(chǎng)家推出了三相入三相出的UPS產(chǎn)品，而且有三相負(fù)載100%不平衡產(chǎn)品，如IPM, SOCOMEC, BORRI, MEISSNER, SAVIN,VICTRON等公司的UPS產(chǎn)品。UPS的裝機(jī)容量正不斷擴(kuò)大，并聯(lián)成為擴(kuò)大容量或者冗余系統(tǒng)的必然方法。一般來(lái)說(shuō)，從性能上講，在線(xiàn)式優(yōu)于后備式。其基本原理是：市電輸入經(jīng)整流器將交流電變成直流電，一方面給蓄電池組充電，另一方面為逆變器提供能量，再將直流電變成交流電經(jīng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)送到負(fù)載；當(dāng)逆變器發(fā)生故障時(shí)，另一路備用電源(旁路電源)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)向負(fù)載供電。動(dòng)態(tài)UPS設(shè)備龐大笨重、操作不夠靈活、而且效率低、噪聲大。當(dāng)然這種UPS的后備時(shí)間是很短的(一般不超過(guò)5秒)，于是人們開(kāi)始使用備用蓄電池組，這是早期UPS的典型結(jié)構(gòu)，框圖如圖11所示。 UPS的發(fā)展 UPS的發(fā)展歷程最初的UPS是本世紀(jì)六十年代初由旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)供應(yīng)能量的動(dòng)態(tài)UPS，即不間斷是靠動(dòng)能維持。因?yàn)檫@些設(shè)備的電源一旦出現(xiàn)不穩(wěn)定或者消失，就將造成非常大的損失，甚至無(wú)可挽回的損失。UPS不間斷電源項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案第一章 概 述自從電子設(shè)備特別是計(jì)算機(jī)問(wèn)世以來(lái)，電源問(wèn)題一直是人們十分關(guān)心的問(wèn)題。對(duì)于一些特殊位置的重要設(shè)備，人們不但關(guān)心其供電電源本身的性能指標(biāo)，更注重供電電源的質(zhì)量，即供電的穩(wěn)定性和不間斷性。所幸的是不間斷電源UPS(Uninterruptible Power System)的出現(xiàn)，為解決這個(gè)問(wèn)題提供了廣闊的前景。這種早期UPS的輸出穩(wěn)定是靠慣性飛輪對(duì)短時(shí)間電壓突變和干擾無(wú)反應(yīng)；不間斷性是靠斷電后飛輪的慣性延長(zhǎng)供電時(shí)間。這樣的UPS雖然可以靠增大蓄電池容量來(lái)延長(zhǎng)后備時(shí)間，但轉(zhuǎn)換效率低，于是出現(xiàn)了內(nèi)燃式UPS系統(tǒng)，這種UPS靠?jī)?nèi)燃機(jī)提供斷電后的能量。整流器直流電動(dòng)機(jī)交流發(fā)電機(jī)設(shè)備蓄電池市電圖11 早期UPS典型框圖隨著電力電子學(xué)(功率電子學(xué))的發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)大功率的電能轉(zhuǎn)換，于是出現(xiàn)了靜態(tài)UPS，它的主電路和控制電路均采用半導(dǎo)體器件，它也是目前絕大多數(shù)概念中的UPS，其典型框圖如圖12所示。整流器逆變器轉(zhuǎn)換開(kāi) 關(guān)負(fù)載蓄電池 組旁路電源市電圖12 靜態(tài)UPS典型框圖靜態(tài)UPS的工作方式有在線(xiàn)式和后備式(Online and Offline)，兩者主體結(jié)構(gòu)大體相同，只是后者在市電正常時(shí)工作在旁路(Bypass)，而前者只有當(dāng)逆變器故障或過(guò)載時(shí)才由旁路電源供電。從容量上講，后備式一般不大于3KVA，而在線(xiàn)式不受此限制，目前單機(jī)容量可以做到600KVA以上，, EXIDE, SOCOMEC等公司。, EXIDE等公司的UPS機(jī)內(nèi)信號(hào)用微機(jī)處理、通訊采用普通信號(hào)，而SIEL公司采用光纖通訊〔OSC系統(tǒng))，從而實(shí)現(xiàn)多臺(tái)UPS的同相同幅、均負(fù)載的功能。為改善后備式UPS的供電質(zhì)量，人們研制了凈化UPS，即將凈化電源加在旁路電源上，如國(guó)產(chǎn)寶合UPS產(chǎn)品。它使得離線(xiàn)式和在線(xiàn)式有機(jī)結(jié)合在一起，產(chǎn)品如APC、BEST、 DELTEC、休康等。它結(jié)合了動(dòng)態(tài)UPS和靜態(tài)UPS的優(yōu)點(diǎn)，只是噪聲稍大，主要應(yīng)用于特殊場(chǎng)合，如野外、地下室等環(huán)境惡劣的場(chǎng)所。隨之，UPS的應(yīng)用領(lǐng)域也從當(dāng)初單一的計(jì)算機(jī)用戶(hù)發(fā)展到今天計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在內(nèi)的能源(如電力)、醫(yī)藥、農(nóng)林、交通、天文、地理、通訊系統(tǒng)(如網(wǎng)絡(luò)通訊)等領(lǐng)域；后備時(shí)間從當(dāng)初的幾秒鐘到今天的幾小時(shí)、幾十小時(shí)甚至更常的時(shí)間；特別是從技術(shù)內(nèi)含意義上講，從當(dāng)初單一的機(jī)械式到今天包羅了當(dāng)代全部的電子技術(shù):從微電子學(xué)到功率電子學(xué)，從線(xiàn)性電路到數(shù)字電路，從計(jì)算機(jī)硬件到軟件，從電信號(hào)通訊到光纖通訊以及機(jī)電一體化技術(shù)。電力電子功率器件的高頻化和模塊化使得UPS電源產(chǎn)品的體積和重量大大減小，而可靠性和效率得以提高，可帶來(lái)顯著節(jié)能、降耗的可觀經(jīng)濟(jì)效益。從而為UPS電源產(chǎn)品的數(shù)字化、智能化提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。所謂電源綠色化首先是顯著節(jié)能，因?yàn)楣?jié)電可以減少發(fā)電對(duì)環(huán)境的污染；其次是電源不能(或少)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生污染。20世紀(jì)末各種有源濾波器和有源補(bǔ)償器的方案誕生，有了功率因數(shù)校正PFC（Power Factor Corrector)方法，為21世紀(jì)UPS電源產(chǎn)品的綠色化奠定了基礎(chǔ)。 本課題研究的目的和意義早期的UPS產(chǎn)品因電子技術(shù)及相關(guān)技術(shù)、工藝水平等方面的限制，備用時(shí)間短，智能性差，所以主要作為計(jì)算機(jī)的備用電源，其它行業(yè)涉及較少，因而普及率很低。這是因?yàn)樵谖⑿陀?jì)算機(jī)特別是企、事業(yè)單位的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行期間供電的中斷，將會(huì)導(dǎo)致隨機(jī)存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)的丟失和程序的破壞，有時(shí)甚至?xí)勾疟P(pán)盤(pán)面及磁頭遭到損壞，造成難以彌補(bǔ)的損失。于是高性能、高可靠性UPS越來(lái)越受到人們的關(guān)注。而且，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)UPS的要求越來(lái)越高：不但要求供電質(zhì)量高，而且要求智能化，這也是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。實(shí)際上，UPS經(jīng)過(guò)近四十年的發(fā)展至今，性能指標(biāo)基本相似，不同點(diǎn)在于功能上的拓寬、創(chuàng)新及可靠性的高低。特別是自80年代以來(lái)，微處理器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)工程的迅猛發(fā)展，并引入U(xiǎn)PS領(lǐng)域，大大拓寬了UPS的功能。利用CPU的強(qiáng)大處理功能，可做到自動(dòng)診斷、自動(dòng)開(kāi)關(guān)機(jī)、自動(dòng)打印運(yùn)行記錄，起到監(jiān)控、管理系統(tǒng)的作用。用戶(hù)希望UPS保護(hù)的對(duì)象不再是特定的運(yùn)算設(shè)備為主，而是讓網(wǎng)絡(luò)在電源出現(xiàn)異常時(shí)，仍然可以繼續(xù)工作而不中斷。智能UPS就是在這種形勢(shì)要求下發(fā)展起來(lái)的。因此監(jiān)控軟件是UPS智能化的關(guān)鍵部分。UPS不間斷電源本身是集數(shù)字與模擬技術(shù)、數(shù)字通訊技術(shù)、電力電子技術(shù)、微處理器及軟件編程等技術(shù)于一體的密集型電子產(chǎn)品。UPS的發(fā)展，并由此推動(dòng)與之相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，這也是我選擇本課題的初衷之一。UPS主電源包括整流/充電器、逆變器、旁路電源(靜態(tài)旁路電源和維修旁路電源)三大部分組成。3. 其他設(shè)計(jì)要求(1)總效，總功率因數(shù)；(2)軟啟動(dòng)功能；(3)逆變器與后備靜態(tài)旁路鎖相同步，兩者切換時(shí)間100us；(4)具有功能指示和故障報(bào)警功能；(5)具有自保護(hù)功能；(6)具有RS232通訊接口，可遠(yuǎn)程監(jiān)控、管理；第二章 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案UPS不間斷電源裝置不間斷供電的含義就是指當(dāng)交流輸入電源（市電）發(fā)生異?；驍嚯姇r(shí)，電源裝置能繼續(xù)向負(fù)載供電，而且能保證供電質(zhì)量，使負(fù)載供電不受影響。如果深入地?cái)U(kuò)展分析，要保證負(fù)載的不間斷供電和負(fù)載的供電質(zhì)量，就必須增強(qiáng)UPS電源裝置的可靠性，因?yàn)橹挥须娫囱b置的可靠性提高了，才能使負(fù)載供電不間斷和質(zhì)量得到充分保證，這就要從UPS電源裝置的結(jié)構(gòu)和形式來(lái)考慮其設(shè)計(jì)方案。 UPS電源不間斷供電的原理 負(fù)載間斷供電的原因造成負(fù)載間斷供電的原因有很多，概括起來(lái)，主要有:1）交流輸入電源（市電）突然發(fā)生停電。2）交流輸入電源發(fā)生瞬間停電。因此，解決負(fù)載不間斷供電須從以上三方面主要原因入手。當(dāng)市電恢復(fù)正?；蛘哒髌鞴收吓懦?，恢復(fù)整流器供電，這樣負(fù)載得到連續(xù)供電，不會(huì)產(chǎn)生間斷供電的現(xiàn)象。解決的辦法有兩個(gè)：一是提供逆變器的備用單元；二是提供靜態(tài)旁路輔助電源。一旦逆變器故障排除，即可恢復(fù)運(yùn)行。當(dāng)交流輸入恢復(fù)正?；蛘吣孀兤鞴收吓懦ㄟ^(guò)靜態(tài)旁路電源向負(fù)載供電(如果市電輸入正常的話(huà))；或者通過(guò)逆變器向負(fù)載供電(如果逆變器故障排除的話(huà))。(4)電源裝置根據(jù)實(shí)際情況需要定期檢修，這時(shí)必須斷開(kāi)逆變器和靜態(tài)旁路，但仍然要保證負(fù)載供電的不間斷，這時(shí)可采用增加維修旁路電源的方案。綜上所述，不間斷供電的原理實(shí)質(zhì)就是從電源裝置的組成結(jié)構(gòu)上考慮如何實(shí)現(xiàn)負(fù)載的不間斷供電:采用冗余結(jié)構(gòu)或者其他可靠性設(shè)計(jì)方案。 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)原理框圖UPS不間斷電源設(shè)計(jì)的基本原理是將輸入的交流電整流轉(zhuǎn)換為直流電，一方面為備用蓄電池充電，另一方面再將其逆變轉(zhuǎn)換為穩(wěn)壓穩(wěn)頻的交流電。整個(gè)設(shè)計(jì)緊緊圍繞這兩個(gè)要點(diǎn)進(jìn)行的：(1)蓄電池(包括充電器)是電網(wǎng)斷電或者電網(wǎng)電壓嚴(yán)重畸變時(shí)為負(fù)載供電的能量來(lái)源；(2)逆變器是UPS輸出穩(wěn)壓穩(wěn)頻的交流電的核心組成，也是整個(gè)UPS核心，采用冗余備用單元也是為了保證負(fù)載供電的不間斷；(3)旁路輔助電源(包括維修旁路電源和靜態(tài)旁路電源)是為維修、檢修UPS，或者逆變器故障的情況下實(shí)現(xiàn)不間斷供電的輔助電源。 整流/充電器設(shè)計(jì)方案本設(shè)計(jì)中整流器和充電器合二為一，這主要是從功率大這個(gè)因素考慮的。控制電路采用16位INTEL96系列的80C196單片機(jī)，控制簡(jiǎn)潔、方便、可靠。如圖23所示，三相四線(xiàn)380V交流電壓經(jīng)空氣開(kāi)關(guān)KK、快速熔斷器KRD、整流變壓器降壓隔離、再經(jīng)三相全控橋式整流；整流輸出經(jīng)電感L、電容C濾波，LEM霍爾電流傳感器，熔斷器RD，接觸器JQ接至220V蓄電池。圖23 整流/充電器設(shè)計(jì)方案 逆變器設(shè)計(jì)方案逆變器的功率單元采用IGBT組成的三相橋式逆變電路；IGBT驅(qū)單元采用日本富士公司生產(chǎn)的EXB841驅(qū)動(dòng)芯片組成的驅(qū)動(dòng)電路；逆變控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用冗余設(shè)計(jì)方案： 兩套由INTEL公司生產(chǎn)的16位微處理器80C196MC組成的控制系統(tǒng)1和控制系統(tǒng)2 (兩者互為備用)共用一組功率單元及其驅(qū)動(dòng)單元。其中K2為快速晶閘管組成的靜態(tài)開(kāi)關(guān)，是為實(shí)現(xiàn)負(fù)載不間斷供電而設(shè)置的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。靜態(tài)旁路是指利用靜態(tài)開(kāi)關(guān)(一對(duì)反并聯(lián)的快速晶閘管組成)來(lái)實(shí)現(xiàn)逆變器供電和旁路供電之間的同步切換。維修旁路電