全数字化ups电源系统设计_毕业设计论文(编辑修改稿)

全数字化ups电源系统设计_毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

以同时向用户提供具有以下优点的高质量电源而独领风骚 :输出电压的精度高；工作频率稳定；电压失真度小的纯正正弦波电源； 输出波形不存在干扰以及不管市电供电是否正常，它都能够为用户提供高质量的无间断的交流电源。 而且，随着高智能芯片以及先进的 IGBT 驱动型脉宽调制技术的出现， UPS 电源的可靠性达到极高的水平。 随着计算机应用的需要， UPS 逐渐向两边发展。 从输出功率来看，大到几十 KVA 甚至更高，一般在电信、金融、运输、公共事业单位中得到使用；小至 10W，一般在网络线路的有源部件中使用，以保障网络的正常运行。 智能化 网络化 模块化 数字化 高频化 绿色化 UPS 控制技术 中国矿业大学 2020 届本科生毕业设计（论文） 第 2 页 由于中大功率 UPS 在性价比方面的优势与周边设备的发展，中大功率 UPS 的应用越来越广，需求越来越大。 大功率的 UPS一般负担重要系统的供电，其研制技术难度大，因此研究三相大功率 UPS 具有广泛的应用前景和普遍的现实意义。 逆变器是 UPS 的核心，必须具有输出高质量正弦电压的能力。 逆变电源的输出波形控制技术是建立在工业电子技术、半导体技术、现代控制技术、现代电力电子技术、磁性材料等学科基础上的一门实用技术。 电网的干扰及危害 电网的干扰主要有以下几种 : 1）市电电压不稳，有时甚至还会发生市电中断； 2）市电频 率波动范围过大； 3）由于用户在电网上投入计算机、通信设备和家用电器之类的非线性负载对电网污染而造成市电电压正弦波形的严重畸变； 4）从电网串入的各种干扰和高能浪涌经常造成设备损毁。 以上污染或者干扰对计算机或者其他的敏感先进仪器设备造成的危害不尽相同。 例如电源中断，可能造成硬件损坏。 电压跌落，可能导致硬件提前老化，文件资料的丢失。 过压或者欠压以及电压浪涌，可能导致驱动器，内存和逻辑的损坏，还可能产生不可预料的软件故障。 噪声电压和电压瞬变可能损坏逻辑电路和文件资料。 UPS 的功能除了是一个备用电源外，它还具备 电力净化的作用。 电源的分类 现在的电源工业，可以向用户提供一下 4 种类型的 UPS： 一、 在线式 UPS 电源 在线式 UPS 电源的逆变器串联连接在交流输入与负载之间，电源通过逆变器连续向负载供电，其结构决定了其输出与市电输入无关。 这种 UPS 电源的供电方式如 图 1－ 2 所示 ：市电正常时，市电经过整流器之后由逆变器向负载供电；市电不正常时，由蓄电器经逆变器向负载供电。 它的输入、输出环节都是彼此独立控制的，因此对市电输入的适应能力很强，尤其是表现在对频率变化的适应能力上。 在线式 UPS 电源的输出是高质量的正弦波交流电源，频率和电压的稳定度、精度都很高。 另外，由于在线式 UPS 电源有输入滤波器，市电的交流输入经整流滤波器变成直流，再由逆变器逆变经过输出滤波器输出正弦波，这样输出的电源品质最高，保护性能最好，对抑制市电噪音和浪涌的能力很强。 在线式(online)UPS 供电系统单机输出功率从 － 1500kVA。 对于这样的机型，当用户在采用多机“冗余’并机配置方案时，可将若干台具有相同输出功率和相同型号的 UPS 电源直接并机而形成 7000－ 8000kVA 的大型 UPS 供电系统。 在线式 UPS 向用户提 供的交流电源是高质量的纯净正弦波电源。 典型的“ 1 十 l”直接并机系统的平均无故障工作时间可达 200 万小时。 在众多的 UPS 中，在线式 UPS 是 UPS 电源的主流产品，具有性能好、电压与频率稳定度高、功能强、还有备份连接和并联冗余联结的功能等优点，这种 UPS 不论市电电网供电正常与否，都能向用户提供连续的高质量的交流电。 其不足之处是当容量少于 10kVA时，其整机效率不高，一般在 85％左右。 因此在线式 UPS 广泛地应用到各种对电源要求 中国矿业大学 2020 届本科生毕业设计（论文） 第 3 页 图 1－ 2 在线结构框图 较高的大中型系统中。 在线式 UPS 正是本文研究的对象。 此架构主要特点如下： 1．电路设计适合 1~10KVA 容量，控制结构复杂，成本高； 2．输出至负载的电力经 UPS 处理，输出电源质量高； 3．逆变器始终处于工作状态，电路损耗大，需采用质量较好的元器件； 4．无转换时间，可以给精密设备提供电源； 5．可同时改善电压与频率变化的电力品质问题，增加电源供电稳定度； 6．保护性能最好，对市电 通 讯、突 破 衰减能力最佳。 二、 在线互动式 UPS 电源 在线互动式 (interactive)UPS 电源单机输出功率为 － 20kVA。 当市电电压在 180～240V的范围内时，它经由一条传输电缆所组成的交流旁路直接向用户提供市电电源 (180～240V)。 当市电电压在 150～ l80V 或 240～ 276V 范围内时，它经位于交流旁路供电通道上的变压器抽头调压处理电路所组成的交流调压器向用户提供经过简单调压处理的市电电源。 其幅值为 197～ 250V(用户实际使用的电源仍然是来自市电，电网的具有频率波动，波形畸变度高以及从电网串入的干扰等所困扰的低质量电源 )。 仅仅当市电电源的电压低于150V 或高于 276V 时，它才有可能向用户提供真正的 UPS 逆变器正弦波电源。 在线互动式 UPS 的逆变器并联连接在市电与负载之间。 通过逆变器的可逆运行方式，与市电相互作用，因此被称为互动式。 这种 UPS 电源，在市电正常时，负载由经改良后的市电 供电，同时逆变器作为充电器给蓄电池充电，逆变器工作在 AC／ DC 方式；当市电不正常时，负载完全由逆变器供电，逆变器工作在 DC／ AC 方式。 在线互动式 UPS 结构较简单、实施方便、且易于并联、便于维护和维修、效率高、运行费用低、整机可靠性高，性能满足某些负载要求，特别适用于网络中某些计算机设备采用分布式供电的系统。 这种电源的缺点是稳压性能不高，尤其是动态响应速度低，其次是抗干扰能力不强，自身很难抑制谐波干扰和调制干扰。 在线互动式结构框图如图 1－ 3 所示 滤波器 FILTER 负载载 市电正常 市电异常 机器故障 整流滤波器 RECTIFIER/FILTERR 逆变器 INVERTER 蓄电池 BATTERY 市电 旁路 Bypass 中国矿业大学 2020 届本科生毕业设计（论文） 第 4 页 图 1－ 3 在线互动式结构框图 此架构主要特点如下： 1．控制结构复杂，电路设计适合 5KVA 以下容量，成本较高； 2．市电经智能调节后直接提供给负载，逆变器此时给电池充电，充当充电器的角色，系统损耗小，效率高； 3．对市电 通 讯、 抗 衰减能力差，逆变输出为正弦波； 4．市电到逆变的转换时间一般为 4~6ms； 5．保护性能比后备式 UPS 好。 三、 被动后备式 UPS 电源 被动后备式 (off line)UPS 电源包括后备式正弦波输出 UPS 电源与后备式方波输出 UPS电源。 被动后备式 UPS 电源的逆变器并联连接在市电与负载之间，仅简单地作为备用电源使用。 这种 UPS 电源，在市电正常时，负载完全由市电直接供电，逆变器不做任何电能变换，蓄电池由独立的充电器供电；当市电不正常时，负载则由逆变器提供电能。 被动后备式 UPS 具有结构简单、价格低廉等优点，可应用于某些非重要的负载，如家用计算机等。 但在市电不正常时，继电器将逆变器切换至负载，切换时间较长，一般需几个 ms 的时间，所以稍微重要的计算机设备不宜选用被动后备式 UPS 电源。 被动 后备式 UPS 结构框图如图 1－ 4 所示 图 1－ 4 被动后备式 UPS结构框图 此架构主要特点如下： 充电器 CHARGER 蓄电池 BATTERY 逆变器 INVERTER 滤波器 FILTER 市电 负载 市电正常 市电异常 滤波器 FILTER 智能调节器 AVR 蓄电池 BATTERY 充电器 CHARGER 逆变器 INVERTER 市电正常 市电异常 市电 负载 中国矿业大学 2020 届本科生毕业设计（论文） 第 5 页 1．电路设计架构简单，适合 2KVA 容量以下，体积小，重量轻，控制容易，成本低； 2．市电正常时逆变器不工作，系统损耗小，设备使用效率高； 3．逆变器仅仅在市电异常时动作，零件失效及设备故障率低； 4． UPS 对市电几乎不作处理而直接输出至负载，对市电杂讯、 抗 衰减能力差，逆变输出一般为方波； 5．市电转逆变工作时会有较长的转换时间，一般为 8~16ms； 6．保护性能差。 五 、 Delta 变换型 UPS 电源 Delta 变换型 UPS 电源：其单机输出功率为 10～ 480kVA。 当输入电源满足电压波动小于 ∓15％，频率波动小于 1％时，由比 Delta 变换器所提供的幅度不超过 ∓15％的逆变电压补偿输出电压。 补偿电源经串联在主供电电路中的补偿变 压器与输入电源共同构成串联稳压电源，其稳压精度为 ∓1％ (其中 80％～ 100％来自市电电源， 15％～ 20％来自 De1ta 变换器 )。 当输入电源越过上述电压和频率范围时，由主变换器 (不带逆变器输出隔离变压器 )向用户提供正弦波的逆变器电源。 UPS 功能 UPS 的主要功能有以下 5 种 : (l)双电源之间 的无间断切换。 (2)频率变换功能，可以将输入电压的频率变成需要的频率。 (3)电压变换功能，可以将输入电压变换成需要的电压。 (4)隔离功能，将瞬间间断、谐波、电压波动、频率波动以及电压噪声等电网干扰阻挡在负载之前，既可使负载对电网不产生干扰，又可使电网中的干扰不影响负载。 (5)后备功能， UPS 带有蓄电池，贮存一定的能量，一方面在电网停电或发生故障时可继续供电一段时间来保护负载。 另一方面在 UPS 的整流器发生故障时可使用户有时间 来保护负载。 按照用 户的要求，后备时间可以是 5 分钟、 10 分钟、 30 分钟，甚至更长。 电源配置方法 一、 UPS 电源容量数配置方法 通常情况下，负载设备提供标称电压和标称电流，负载容量数如下： 负载容量数 =电压数电流数 特殊情况下，负载设备只给出了功率 W 数的信息，容量数如下： 负载容量数 =功率 应配 UPS 电源容量数 =负载容量数 / 二 、 后备延时蓄电池配置方法 （ 1） UPS 蓄电池的主要技术指标。 UPS 蓄电池的额定电压和额定容量是两个最常用的技术指标，额定电压指 UPS 蓄电池正负极间的电压，也称端电压。 额定容量是指充足电的蓄电池放电到终止电压时输出的电量。 在恒流放电的情况下， 容量 Q=IT 式中 Q— 电池放出的电量， Ah； 中国矿业大学 2020 届本科生毕业设计（论文） 第 6 页 I— 放电电流， A； T— 放电时间， h （ 2）后备延时蓄电池配置方法。 UPS 蓄电池组额定电压≥ UPS 电源启动直流电压（各 UPS 电源出厂时标明启动直流电压）。 UPS 电源功率延时时间 /UPS 电源启动直流电压 =所需蓄电池安时数 基于 DSP 控制的数字式 UPS 的优越性 一、 传统的逆变电源采用模拟电路控制，但模拟控制存在许多固有的缺点： 1）因采用大量的分散元件和电路板，导致硬件成本偏高，系统的可靠性下降； 2）由于人工调试器件的存在，如可调电位器，导致生产效率降低及控制系统的一致性差； 3）器件老化及热漂移问题的存在，导致逆变电源输出性能下降，甚至导致输出失败； 4）产品升级换代困难，对同一型号的模拟控制逆变电源，若不改动硬件，则无法升级，每一个新型的逆变电源都要重新设计、制造控制系统； 5）模拟控制的逆变电源的监控功能有限，一旦出现故障，技术人员必须亲赴场排查。 80 年代初期 ，为了提高逆变电源的通信功能及显示功能，逆变电源的设计中采用了微处理器，但是，由于微处理器的速度问题，逆变电源的控制仍然采用模拟电路进行。 随着电机控制专用 DSP 的出现和控制理论的普遍发展，使得逆变电源的控技术朝着全数字化、智能化及网络化的方向发展，逆变电源的数字控制技术发生了一次大飞跃。 二、 高性能的逆变电源必须满足以下特点： （ 1）较高的输入功率因数（ ），较低的输出阻抗； （ 2）快速的动态响应，稳态精度高； （ 3）稳定性高，效率高，可靠性高； （ 4）尽量低的电磁干扰； （ 5）完善的智能化与网络化 功能； 显然这些要求的实现都离不开数字化控制技术。 逆变电源采用数字控制，具有以下明显优点： （ 1） 易于采用先进的控制方法和智能控制策略，使得逆变电源的智能化程度更高，性能更优越。 （ 2） 控制方式灵活，系统升级方便，甚至可以在线修改控制算法，而。