【正文】 電路。二 、 設(shè)計(jì)工作量大，周期長(zhǎng)，而且調(diào)試不方便 。所以全數(shù)字的 UPS 就成為必然的發(fā)展趨勢(shì)。 畢業(yè)設(shè)計(jì)期間，我 在導(dǎo)師的指導(dǎo)下 主要設(shè)計(jì)了 以下幾個(gè)方面的部分內(nèi)容 : (l)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) (2)控制方案設(shè)計(jì) :在逆變的控制中采用 SVPWM 控制策略 (3)SVPWM 原理及仿真 (4)蓄電池的充放電仿真 (5)簡(jiǎn)單的軟件設(shè)計(jì) 2 全數(shù)字化 UPS 的 硬件 電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的工作原理 本設(shè)計(jì)采用在線式 UPS 給負(fù)載供電，所謂在線式是指不管電網(wǎng)是否正常工作，負(fù)載所用的交流電壓都要經(jīng)過(guò)逆變電路，即逆變電路始終處于工作狀態(tài)， 當(dāng)市電正常時(shí)，輸入電壓經(jīng)過(guò)整流濾波電路，一路給逆變器提供電壓，逆變器輸出經(jīng)過(guò)輸出變壓器和輸出濾波電路將 SVPWM 波形變換成隔離的純正弦波，另一路送入充電器給蓄電池補(bǔ)充能量。 UPS 由市電經(jīng)整流濾波器、逆變器及靜態(tài)開(kāi)關(guān)給負(fù)載供電，并且由逆變器來(lái)完成穩(wěn)壓和頻率跟蹤功能。 當(dāng)市電正常，逆變器出現(xiàn)故障或輸 出過(guò)載時(shí)， UPS 工作在旁路狀態(tài)，靜態(tài)開(kāi)關(guān)切換到市電端，由市電直接給負(fù)載供電。 由此可見(jiàn)，對(duì)于在線式 UPS，無(wú)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。 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求： 在線式三進(jìn)三出 10KVA，輸入線電壓為 380V,輸出線電壓 220V 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 8 頁(yè) 圖 2－ 1 UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 2．電路參數(shù)設(shè)計(jì) 主電路參數(shù)設(shè)計(jì) 三相不可控橋式整流負(fù)載上的電壓為脈動(dòng)的線電壓，正如波形圖中以 U2 表示輸入 相電壓有效值，并 Uab超前 Ua30176。)d(wt) = π2π6≈ 整流器 V D 1V D 2V D 5V D 6V D 3V D 4LACBS aS bS cC 圖 2－ 2 三相不控整流電路 整 流 濾 波電 路I P M 逆 變器輸 出 濾 波靜 態(tài) 開(kāi)關(guān)T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7充 電電 路蓄 電池B o o s t 升壓 電 路L E M 傳 感器L E ML E M 電 壓 電 流傳 感 器負(fù) 載B U C K 降壓 電 路I P M 驅(qū)動(dòng) 隔 離旁 路市 電中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 9 頁(yè) 圖 2－ 3 三相橋式整流電路電壓波形 如圖 2－ 2 所示， UPS 不間斷電源的 整流電路采用三相不控整流器，即二極管整流， 不存在倒發(fā)電能量饋入電網(wǎng)的情況，這種整流方式功率因數(shù)相對(duì)比較高，但其也不可避免的存在著減小諧波和提高功率因數(shù)的要求。 可知，其功率因數(shù)比較高，網(wǎng)側(cè)諧波比較少。 三相橋式整流電路的工作原理 三相不可控橋式整流電路如圖 2－ 3 所示，其中的六個(gè)二極管分為兩組，奇數(shù)組 VDVD3 和 VD5 的陰極連在一起稱為共陰極組，偶數(shù)組 VD VD4 和 VD6 的陽(yáng)極連在一起稱為共陽(yáng)極組，異名電極相連后接電源，同名電極相連后接負(fù)載。電路工作情況具體分析如下： （ 1）在 0~t1 期間， c 相電位為正， b 相電位為負(fù)， a 相電壓為正，但小于 c 相電壓。 VD5 導(dǎo)通后，又使 VD1 和 VD3 的陰極電位基本上等于 c 點(diǎn)電位，因此兩管截至。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： c→ VD5→ LC→ VD6→ b。中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 10 頁(yè) （ 3）其他時(shí)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(guò)程類似，電路電壓波形如圖 2－ 3 所示。 整流二極管的選擇 在 輸入側(cè) 端 ：由公式 P = √3UI, P=10KVA,U=380V I= P√3U = 10000√3380 = I峰值 ＝ √2I = √2 = 選擇二極管時(shí)， I′ = 2I峰值 = 2 = 43A U′ = 2 √2 U = 2 √2 380 = 1075V 為此整流二極管，選擇的型號(hào)如表 2－ 1所示 型號(hào) 最高反向峰值電壓 平均整流電 流（ A） 最大峰值浪涌電流（ A） 正向壓降 外型 IN5399 1000 50 DO15 輸入濾波電容容量的計(jì)算 經(jīng)過(guò)整流的電壓波形還有一定的波動(dòng)，需要加個(gè)電容進(jìn)行濾波，選多大的電容成為首要問(wèn)題。tτ 式中 Uc：在放電時(shí)間結(jié)束時(shí)那一點(diǎn)的瞬時(shí)電壓； Uco：放電開(kāi)始時(shí)的電壓； t：放電時(shí)間； τ：放電時(shí)間常數(shù)， τ = RC。其大小與整流濾波電路的等效負(fù)載電阻之間的關(guān)系為： ?3RL? 上式中， L 是濾波電感門檻值，單位為 H； R 是等效負(fù)載電阻，單位為 ? ； ? 是電壓輸入角頻率， ω = 2πf，即 ω=314。327 ≈ 145μF 開(kāi)關(guān)頻率 fs的選擇 從理論上講，提高開(kāi)關(guān)頻率可以減小濾波參數(shù)，從而縮小體積、減輕重量、降低系統(tǒng)功耗及成本，并減小交流電流諧波畸變率。本裝置開(kāi)關(guān)管采用西門子公司的 IGBT，由于電力電子器件的發(fā)展， IGBT 的開(kāi)關(guān)損耗越來(lái)越小，允許的開(kāi)關(guān)頻率越來(lái)越高，因此可適當(dāng)提高開(kāi)關(guān)頻率，選取 f s=20kHz 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 12 頁(yè) 降壓式 (BUCK)變換器 V DLCV T 圖 2－ 4 降壓式變換器及波形 上圖 2－ 4 為降壓式（ BUCK）變換器 及其輸出波形 ， BUCK 變換器輸出電壓平均值U0 總是小于輸入電壓 Ui。當(dāng)電路工作頻率較高，電感和電容足夠大并為理想元件，則電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，可以認(rèn)為輸出電壓為常數(shù)。 當(dāng)晶體管截止時(shí)，電感中電流不能突變，電感上感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)使二極管導(dǎo)通，這時(shí) UO = L(i0(max) ?io(min))toff= L?iofftoff 式中， toff為晶體管截止時(shí)間； ?ioff為晶體管截止時(shí)間輸出電流變量 在穩(wěn)態(tài)時(shí) ?ion = ?ioff = ?i 式中， ?ion為輸出電流變量 （一） buck 電路的電感電容參數(shù)設(shè)計(jì) buck 電路可以工作于不連續(xù)模式，但是會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題，最好能保證電路大部分時(shí)間工作在連續(xù)電流模式 。 充電電路電感電容的選擇： 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 13 頁(yè) 設(shè)開(kāi)關(guān)頻率為 1KHz，輸出電流變化值為 1A，則據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式可得： OOin IDTL VV ??? 即 515。3 = 1 L=，取電感為 130 mH。300)8??515?10 = 。此處脈沖頻率為 1KHz，占空比為 ，電感為 130mH，電容為 ，電阻去 15歐 ，直流電壓 DC Votlage source 取 515V。當(dāng)晶體管導(dǎo)通時(shí)，電源向電感儲(chǔ)能，電感電流增加，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為左正右負(fù)，負(fù)載由電容 C 供電。這樣把低壓直流變換成高壓直流。 LCIU i+U 0i cZI o模式 1V DCLU o ZI oU i+ 模式 2 圖 2－ 8 等效電路 在電力電子開(kāi)關(guān) VT 導(dǎo)通期間， VD 截止， iL上升， eL = ?U 0， uvT = 0； VT 阻斷期間，VD導(dǎo)通， iL下降， eL = Ud ?U 0， uvT = U+ eL = Ud。 據(jù)充電電路輸入輸出電壓值的差可得，這里取濾波電容為 。此處脈沖頻率為 1KHz，占空比為 ，電感為 215mH，電容為 ，電阻去 20歐，直流電壓 DC Votlage source 取 300V。 隨著 IGBT 在工作頻率為 20KHZ 的硬開(kāi)關(guān)及更高的軟開(kāi)關(guān)中的應(yīng)用 ,它已經(jīng)代替了MOSFET 和 GTR,成為最主要的電力電子器件。 IPM 內(nèi)含柵極驅(qū)動(dòng)、 短路保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)和欠壓鎖定等功能 ,被廣泛用于無(wú)噪聲逆變器 ,低噪聲 UPS 系統(tǒng)和伺服控制器等設(shè)備上。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 17 頁(yè) IPM 的特點(diǎn) 一、 IPM 的構(gòu)成 智能功率模塊 IPM(Intel l igent PowrModule)不僅把功率開(kāi)關(guān)器件和驅(qū)動(dòng)電路集成在一起 ,而且還內(nèi)藏有過(guò)電壓 ,過(guò)電流和過(guò)熱等故障檢測(cè)電路 ,并可將檢測(cè)信號(hào)送到 CPU或 DSP作中斷處理。 即使發(fā)生負(fù)載事故或使用不當(dāng) ,也可以 IPM 自身不受損壞。 二、 IPM 的優(yōu)點(diǎn) (1)開(kāi)關(guān)速度快。 (2)低功耗。 (3)快速的過(guò)流保護(hù)。 (4)過(guò)熱保護(hù)。 (5)橋臂對(duì)管互鎖。 有效防止上下臂同時(shí)導(dǎo)通。 優(yōu)化的門級(jí)驅(qū)動(dòng)與 IGBT 集成 ,布局合理 ,無(wú)外部驅(qū)動(dòng)線。當(dāng)?shù)陀隍?qū)動(dòng)控制電源 (一般為 15V)就會(huì)造成驅(qū)動(dòng)能力不夠 ,增加導(dǎo)通損壞。 (8)IPM 內(nèi)藏相關(guān)的外圍電路。 (9)無(wú)須采取防靜電措施。 體積相應(yīng)小。小功率的 IPM 使用多層環(huán)氧絕緣，中大功率的 IPM 使用陶瓷絕緣。 四、 IPM 的保護(hù)功能 IPM 內(nèi)置有驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路，用以防止系統(tǒng)相互干擾或者過(guò)載時(shí)損壞功率芯片。 IPM內(nèi)置各種保護(hù)功能，只要有一個(gè)保護(hù)電路作用。 （ 1） 過(guò)電流保護(hù)（ OC） 由 IPM 內(nèi)藏的電流傳感器檢測(cè)各橋臂電 流，當(dāng)過(guò)電流時(shí)間超過(guò)允許時(shí)間時(shí)， IPM 就輸出動(dòng)作信號(hào) ，并封鎖輸入信號(hào)，對(duì)模塊實(shí)行軟關(guān)斷。如果 IGBT 中的電流超過(guò)過(guò)流斷開(kāi)閾值（ OC）且持續(xù)時(shí)間大于 toff(oc),IGBT 就會(huì)關(guān)斷， toff(oc)設(shè)置為 10μs(典型值 )。 （ 2） 短路電流保護(hù)（ SC） 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 18 頁(yè) 由 IPM 內(nèi)藏的電流傳感器檢測(cè)各橋臂電流，當(dāng)短路電流超過(guò)允許電平時(shí)， IPM 就輸出動(dòng)作信號(hào)，并封鎖輸入信號(hào)，對(duì)模塊實(shí)行軟關(guān)斷。負(fù)載短路或系統(tǒng)控制器因相互干擾而發(fā)生直通現(xiàn)象時(shí)， IPM 內(nèi)的短路保護(hù)電路就會(huì)產(chǎn)即關(guān)斷 IGBT 的電流超過(guò)電流斷開(kāi)閾值（ SC）時(shí)，就會(huì)立即開(kāi)始關(guān)斷，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)故障信號(hào)。溫度下降到過(guò)熱復(fù)位閾值以下且控制輸入為高電平（斷態(tài)）時(shí) ，功率芯片將恢復(fù)工作；當(dāng)下一個(gè)低電平輸入信號(hào)（通態(tài)）來(lái)臨時(shí)，就恢復(fù)正常運(yùn)行。當(dāng)欠壓信號(hào)恢復(fù)到允許值時(shí)， IPM才停止輸出動(dòng)作信號(hào)，重新招收輸入信號(hào)。無(wú)論什么原因，只要該電源電壓降到欠壓斷開(kāi)閾值（ UV）以下， IPM 就關(guān)斷，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)故障信號(hào)。該 tdey 值約為 ，電源電壓必須超過(guò)欠壓復(fù)位閾值（ UV）。 的選擇 由于本系統(tǒng) 交流線 電壓為 220V， 功率因數(shù)為 ，容量 10KVA 滿載時(shí)額定直流電流為 ，考慮 200%的過(guò)載余量和一定的電流尖峰因素，最大電流為 37A。 PM50RSA120 內(nèi)部電路如圖 2－ 12 所示 圖 2－ 12 PM50RSA120內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 該 IPM 模塊的主要特點(diǎn)有 : 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 19 頁(yè) 額定電壓為 1200V，額定電流為 50A，最高工作頻率為 20kHz，內(nèi)設(shè)低損耗的 IGBT功率開(kāi)關(guān)器件 。 IPM 的 F0 故障信號(hào)經(jīng)光偶隔離送 PDPINTA 引腳即功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷輸入引腳。 一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)，應(yīng)首先由硬件來(lái)保護(hù)，這類保護(hù)通常由系統(tǒng)不可屏蔽的硬件中斷來(lái)完成。驅(qū)動(dòng)電源的典型電壓值為 15V，由于功率器件采用 IGBT 開(kāi)關(guān)器件，每一個(gè)IGBT 開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)功率約為 ，在本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中采用 4 個(gè) DCDC 電源作為 IPM 模型的驅(qū)動(dòng)電源。同時(shí)，這種以電一光一電轉(zhuǎn)換來(lái)完成隔離功能，也是現(xiàn)代電力電子系統(tǒng)中廣泛采用的一種有效的強(qiáng)電部分與弱電部分隔離措施。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 20 頁(yè) 圖 2－ 14 光電隔離與驅(qū)動(dòng)電路原理圖 檢測(cè)電路 系統(tǒng)的逆變輸出電壓為 220V、 50HZ 交流電，為實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，則必須通過(guò)傳感器進(jìn)行隔離采樣；蓄電池為實(shí)現(xiàn)恒流恒壓充電也必須實(shí)時(shí)的監(jiān)控其端電壓和充電電流也需要進(jìn)行電壓電流采樣。 本設(shè)計(jì)通過(guò) LEM 電壓、電流傳感器對(duì)這些信號(hào)采樣測(cè)量 。 LEM 電流傳感器是霍爾效應(yīng) 閉環(huán)電流傳感器，它是一種模塊化的有源電子傳感器，由 J． P． Etter 首先在日內(nèi)瓦研制成功，它的突出優(yōu)點(diǎn)在于把普通互感器與霍爾器件、電子電路有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，既發(fā)揮了普通互感器測(cè)量范圍寬的優(yōu)勢(shì)，又利用了電子電路反應(yīng)速度快的長(zhǎng)處，可以對(duì)直流、交流、脈動(dòng)電流進(jìn)行測(cè)量。 LEM 模塊的工作原理是磁場(chǎng)平衡式的，即主電流回路所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，通過(guò)一個(gè)次級(jí)線圈的電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，使霍爾器件始終處于檢測(cè)零磁通的工作