【正文】 ge surge, the electromagism noise, continues the voltage to be high, continues electrical work undesirable tendency and so on the low pressure also is sometimes occurs in the developed country, even also possibly has the short time power cut. Comes from the electrical work not good factor also to have, the supply voltage flickers now and then the long time to undercut, the surge and the severance。 Mains input waveform distortion。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類社會對電能的需求正日益增加，同時對電能質(zhì)量以及供電安全性的要求也越來越高。這也使得全社會對不間斷電源的需求童日益增加。 隨著控制技術(shù)的發(fā)展， PWM (PulseWidth Modulation 脈寬調(diào)制 )技術(shù)開始被不斷的引入 UPS控制技術(shù)之中。而 IGBT技術(shù) 和高頻技術(shù)的應(yīng)用，大大提高了電源效率，降低了系統(tǒng)噪音和電源自身的電力損耗， 也提高了系統(tǒng)的可靠性。以美國為 代表的發(fā)達國家相繼開始了對 UPS的生產(chǎn)、研究工作。其被廣泛的應(yīng)用于 金融、電信、政府部門、 郵政、稅務(wù)等企事業(yè)單位。目前，國內(nèi)外學(xué)者都對 UPS開展了廣泛的研究工作，各種先進的控制技術(shù)被引入期間。 國外 UPS電源的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 自從計算機問世以來，對其供電系統(tǒng)的研究就成為保證計算機系統(tǒng)正常運行的重要課題。影響供電質(zhì)量的客觀因素一方面是一個國家或一個地區(qū)的發(fā)電機總裝機容量和配電水平、供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和配電設(shè)備以及維護管理自動化水平的落后，是供電質(zhì)量差、可靠性低的重要原因；另一方面是各種不同性質(zhì)的負載，特別是一些大容量感性、容性、沖擊性、非線性的負載，對電網(wǎng)造成污染，使電網(wǎng)電壓的幅值 變化、波形畸變、頻率漂移；另外，自然或人 8 為的原因，都會危害電力的正常供應(yīng)，從而影響負載設(shè)備的正常運行。 UPS 供電系統(tǒng)從產(chǎn)生到現(xiàn)在已有幾十年的發(fā)展歷程，在技術(shù)不斷發(fā)展和改進的過程中，其保護功能也在不斷地發(fā)生變化，特別是在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高速發(fā)展的今天，這種變化就更明顯。 10年前電源保障比較簡單，只是單機單元進行監(jiān)視與維護。 因此， UPS 的技術(shù)發(fā)展 出現(xiàn)了以下幾方面的發(fā)展 趨勢 : ① 智能化 一個智能化 UPS 的硬件部分，基本上是由普通的 UPS 加上一臺微機系統(tǒng)所組成。 ② 數(shù)字化 用最新的數(shù)字信號控制器（ DSP），實現(xiàn)了 UPS 系統(tǒng)的 100％數(shù)字化運行。 ④ 高頻化 隨著 MOSFET 和 IGBT 等大功率器件的出現(xiàn)，可使 功率變換電路的工作頻率高達50kHz，從而實現(xiàn)高頻化 。 ⑥ 綠色化 UPS 在 加裝高效輸入濾波器 的基礎(chǔ)上 還 可以在 電網(wǎng)輸入端采用功率因數(shù)校正技 9 術(shù)，這樣既可消除本身由于整流濾波電路產(chǎn)生的諧波電流，又可補償輸入功率因數(shù)。今年 6 月我國電力部門已宣布，今年將發(fā)生嚴重的 “ 電荒 ” ，決定對 24 個省市自治區(qū)采取拉閘限電的措施來保證基本的電力供應(yīng)。 隨著中國信息化建設(shè)的成熟，信息系統(tǒng)已經(jīng)涵蓋了各種系統(tǒng)，其中包括航空、氣象、金融、通訊以及交通等重點行業(yè)，這些系統(tǒng)無疑是國家的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，而電力系統(tǒng)則是維持這些基礎(chǔ)設(shè)施不間斷運行的必要保證。 現(xiàn)在用戶已經(jīng)認識到 UPS 的重要性。 圖 1 供電系統(tǒng)保護功能的變化 我國對 UPS 的需求量將大于西方，原因是： ①計算機的普及和大量應(yīng)用。 ③現(xiàn)代化的進展， CAD/CAM 系統(tǒng)的應(yīng)用已提到議事日程上來，對 UPS 的需求將與日 10 俱增。而主要用于美國國防軍工部門的美國 ELGAR 公司、美國 ETI 公司生產(chǎn)的用于軍工防御領(lǐng)域的 UPS 還未進入我國市場。 按電路主結(jié)構(gòu)分類： ① 后備式 (offline) 早期的后備式 UPS 在市電供電正常時，市電直接通過交流旁路和轉(zhuǎn)換開關(guān)供電于負載，交流旁路相當(dāng)于一條導(dǎo)線，逆變器不工作，此時供電效 率高但質(zhì)量差。當(dāng)市電異常（市電電壓、頻率超出后備式 UPS 允許的輸入范圍或市電中斷）時，后備式 UPS 通過轉(zhuǎn)換開關(guān)切換到電池狀態(tài)，逆變器進入工作狀態(tài)，此時輸出波形為交流正弦波或方波。 充電器：市電存在時，對蓄電池充電并浮充，如果是長延時 UPS，就要求它有較強的充電能力，或者外加相應(yīng) 容量的附加充電器。 電池組 :UPS 用來作為儲存電能的裝置，它由若干個電池串聯(lián)而成，其容量大小決定了其維持放電（供電）的時間。 ，將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能提供給逆變器或 11 負載； 轉(zhuǎn)換開關(guān)：市電存在時，接通輸入電源向負載供電；市電掉電時，斷開電網(wǎng)，接通逆變器，繼續(xù)向負載供電。 ② 在線互動式 (lineinteractive) 在線互動式 UPS 是界于后備式和在線式工作方式之間的 UPS 設(shè)備，它集中了后備式 UPS 效率高和在線式 UPS 供電質(zhì)量高的優(yōu)點。因此也是一種適合小型辦公或家庭使用的 UPS。當(dāng)市電正常時，在線式 UPS 輸入交流電壓，通過充電電路不斷對 電池進行充電，同時 AC/DC 電路將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，然后通過脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（ PWM）由逆變器再將直流電壓逆變成交流正弦波電壓供給負載，起到無級穩(wěn)壓的作用；而當(dāng)市電中斷時，后備電池開始工作，此時電池的電壓通過逆變器變換成交流正弦波或方波供給負載，因此無論是市電供電正常時，還是市電中斷由電池逆變供電期間，逆變器始終處于工作狀態(tài)，這就從根本上消除了來自電網(wǎng)的電壓波動和干擾對負載的影響，真正實現(xiàn)了對負載的無干擾、穩(wěn)壓、穩(wěn)頻以及零轉(zhuǎn)換時間。在線式 UPS 輸出多為正弦波，電壓及頻率穩(wěn)定，所以它多被用在供電質(zhì)量要求很高的場所。它成功地將交流穩(wěn)壓技術(shù)中 的電壓補償原理運用到 UPS 的主電路中，當(dāng)市電存在時，兩組 13 逆變器只對輸入電壓與輸出電壓的差值進行調(diào)整和補償，逆變器承擔(dān)的最大功率僅為輸出功率的 20%，所以功率強度很小，功率余量大，這就增強了 UPS 的輸出能力和過載能力，不再對負載電流波峰系數(shù)予以限制，可從容地對付沖擊性負載，不再對負載功率因數(shù)進行限制，輸出有功功率可以等于標(biāo)定的 KVA值。正如前述， UPS發(fā)展到今天，已經(jīng)出現(xiàn)了多種拓撲結(jié)構(gòu)，不同的拓撲結(jié)構(gòu)有著不同的 UPS逆變結(jié) 構(gòu)。針對 各種 UPS逆變器的特點，許多專家、學(xué)者提出了眾多 UPS逆變結(jié) 構(gòu) ，有自激式推挽逆變器 、它激式推挽逆變器、單相半橋逆變器、單相全橋逆變器 等等。下面就現(xiàn)代 14 幾種常用的 UPS逆變結(jié) 構(gòu)進行簡要的概述。該逆變器主要用于對電壓穩(wěn)定度要求不高但不能斷電的地方。該逆變器的不足之處就是在于它的不穩(wěn)壓，因此該逆變器在以后的后備式 UPS中就不被采用了。該逆變器的不足之處就是在于它的不穩(wěn)壓。在直流側(cè)接兩個相互串聯(lián)的的足夠大的電容， 兩個電容的聯(lián)接點便成為直流電源中點。該逆變器的優(yōu)點是：簡單、使用器件少。因此，該逆變器常用在幾 Kw 以下的小功率逆變電源。 新型快速大容量的開關(guān)器件的不斷 涌現(xiàn)，為有源濾波器的實現(xiàn)奠定了物質(zhì)基 礎(chǔ)，從上個世紀 80年代至今，大功率晶體管 (GTR)、大功率晶閘管 (GTO)、功率場 效應(yīng)管(MOSFET)、絕緣柵型雙極性晶體管 (IGBT)等大功率器件正朝著功率越來越 大、工作頻率越來越高的方向發(fā)展。 隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)的加速發(fā)展，全社會各種用電設(shè)備越來越多。這使得市場對 UPS的需求呈逐年增長趨勢。而從技術(shù)發(fā)展方向上看，己經(jīng)有越來越多的 UPS開始采用 PWM技 術(shù)，以提高 UPS的性能和可靠性。 本文結(jié)構(gòu)安排和主要內(nèi)容如下 : 第一章主要 論述了當(dāng)前 UPS發(fā)展的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，并指出：不論是從市場 角度、還是從技術(shù)角度，采用 PWM控制技術(shù)的 UPS是現(xiàn)代 UPS發(fā)展的 必然趨勢。最后，介紹了本文的寫作背景與課題來源。 第三章對 UPS系統(tǒng)輔助電路及保護電路的設(shè)計情況 進行了較為詳細的描述，其中包括 :系統(tǒng)輔助工作電源、 UPS保護電路、 UPS檢測電路、 UPS指示告警電路等各種電路。 16 第二章 1000VA單相后備式 UPS電源的設(shè)計方案 根據(jù)國家相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) (GB/T , GB/T )，所有 UPS的生產(chǎn)和設(shè)計必須達到或優(yōu)于其規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)。本設(shè)計所必須達到的主要技術(shù)指標(biāo)如表 。 5% 電池電壓（ V） 24 交流輸出 相數(shù) 單相 17 標(biāo)稱電壓（ V） 200— 242 標(biāo)稱頻率（ Hz） 市電供電時與市電同 頻率，逆變時 50177。 于 是 輸 出 電 流 正 常 值)( 2 01 0 0 0)()( AVVAn o mn o m U PUPIoutoutoutoutout ???? ， 輸 出 電 流 最 小 值)()( AlowIout ? ，輸出電流最大值 )()( AhiIout ? ；同 理可得：輸入電流正常值)()( AnomIin ? ， 輸 入 電 流 最 大 值 )()( AhiIin ? ， 輸 入 電 流 最 小 值)()( AlowIin ? ， 于是可得系統(tǒng)輸入?yún)?shù)： VAPin 1250? ， )()( AnomIin ? ， )()( AhiIin ? ，)()( AlowIin ? ； 系 統(tǒng) 輸 出 參 數(shù) ： )()( AnomI out ? ， )()( AhiIout ? ，)()( AlowIout ? 系統(tǒng)設(shè)計功能要求 在設(shè)計中，除滿足上述的系統(tǒng)技術(shù)性能指標(biāo)外，還必須具有一些特定的系統(tǒng) 功能。從技術(shù)上來說 .其工作流程應(yīng)為 :市電供電正常時，市電一方面經(jīng)輸入變壓器給蓄電池組充電；另一方面經(jīng)輸出變壓器和旁路開關(guān)送給負載；當(dāng)市電供電異常時，控制電路立即切斷市電與負載的聯(lián)系，同時啟動逆變器并使旁路開關(guān)轉(zhuǎn)換，繼續(xù)由蓄電池提供電能向負載供電。當(dāng)超出系 統(tǒng)承受能力時，應(yīng)將輸出切至交流旁路 . 19 ③負載短路保護 當(dāng)負載出現(xiàn)短路情況時（特別是許多容性負載，負載加載的過程中會出現(xiàn)瞬時短路的情況 ） ，此時系統(tǒng)應(yīng)封鎖所有短路時刻的 PWM波，而不準(zhǔn)許進行交流旁路切換。 ④系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定及顯示功能 在完成 UPS基術(shù)功能的同時，應(yīng)有相應(yīng)的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置功能，以及系統(tǒng)運行狀態(tài)顯示的功能。其中 SPWM電路又包含有三角波發(fā)生器、正弦波發(fā)生器等，而保護電路包括短路及過載保護、空載保護、蓄電池保護、交流極性保護等。其由 VD1～ VD4組成的整流橋、有源濾波電路、阻容吸收電路、 IGBT功率逆變橋、 輸出變壓器 T2 及輸出抗高頻濾波電路等組成。 設(shè)計中，我們結(jié)合本設(shè)計項目的特點以及對公司的現(xiàn)實情況的綜合分析，選 擇后備式 UPS主電路拓撲結(jié)構(gòu)為本次設(shè)計的 UPS主電路拓撲結(jié)構(gòu)，如圖 。另一方面，本公司現(xiàn) 行產(chǎn)品小衛(wèi)士系列 UPS的主回路拓撲結(jié)構(gòu)也是采用這種形式，這將大大降低我們 的設(shè)計工作量。 交流穩(wěn)壓控制電路由比較器 U30 ， U38 ， U37 ， U36 ， U35 ， U34 ， U33 ， U32 ，U31 和邏輯門電路組成。使 JB常開觸點閉合，于是市電經(jīng)熔斷器 Fu ，開關(guān) K ，繼電器 JB 升壓輸出（對應(yīng)輸出電壓為 204V～ 240V）。 SPWM控制單元組成方案 SPWM技術(shù) —— 所謂 PWM法就是在周期不變的條件下，通過改變脈沖波形的寬度來抑制諧波和調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓的大小。 在實際的小型 UPS 中，常用 HZ50 的正弦波信號與一頻率比 HZ50 高很多的三角波信號相比較，依據(jù)比較結(jié)果產(chǎn)生 SPWM 波，見圖 所示。 24 圖 SPWM 波發(fā)生器的電路框圖 圖 給出的是用三角波法產(chǎn)生 SPWM 波的電路框圖，主要包括正弦波發(fā)生器、三角波發(fā)生器、比較器和分相器等四部分。當(dāng)運放采用單電源供電時， Vr 可以設(shè)置為VCC21 。 圖 三角波產(chǎn)生電路 圖 給出了采用方波發(fā)生器后接有源濾波器方法產(chǎn)生三角波的電路。 圖 中的分相器可以采用如圖 所示的電路實現(xiàn)。異或門 U7 和電阻 R 及電容 C 構(gòu)成了脈沖延遲電路，其目的是實現(xiàn) SPWM 和 ????????SPWM 的互鎖，也就是使兩路信號間留有死區(qū)。 VS，分別為