电力电子装置电流检测与过流保护系统设计毕业设计(编辑修改稿)

电力电子装置电流检测与过流保护系统设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

等。 UPS 和直流电源是企业重要的供电保障设备，传统的维护管理包括： ① 日常巡检外观，定期更换电池、滤波电容、风机等易损件，大修时做电池活化等； ② 改造或采用换代设备，使用高级工具测试电池性能。 这种管理方式企业投入成本高，维护人员工作量大，不易实时掌握设备运行状态和关键数据，设备事故预防能力低。 实施在线维护管理可避免传统方式的不足之处，获得良好效益。 UPS 电源系统由五部分组成：主路、旁路、电池等电源输入电路，进行 AC/DC 变换的整流器 (REC)，进行 DC/AC 变换 的逆变器 (INV)，逆变和旁路输出切换电路以及蓄能电池。 其系统的稳压功能通常是由整流器完成的，整流器件采用可控硅或高频开关整流器，本身具有可根据外电的变化控制输出幅度的功能，从而当外电发生变化时 (该变化应满足系统要求 )，输出幅度基本不变的整流电压。 净化功能由储能电池来完成，由于整流器对瞬时脉冲干扰不能消除，整流后的电压仍存在干扰脉冲。 储能电池除可存储直流直能的功能外，对整流器来说就像接了一只大容器电容器，其等效电容量的大小，与储能电池容量大小成正比。 由于电容两端的电压是不能突变的，即利用了电容器对脉冲的平滑 特性消除了脉冲干扰，起到了净化功能，也称对干扰的屏蔽。 频率的稳定则由变换器来完成，频率稳定度取决于变换器的振荡频率的稳定程度。 为方便 UPS 电源系统的日常操作与维护，设计了系统工作开关，主机自检故障后的自动旁路开关，检修旁路开关等开关控制。 第 2 章 不间断电源简介 5 设备工作过程 当市电正常 380Vac 时，直流主回路有直流电压，供给 DCAC 交流逆变器，输出稳定的 220V或 380Vac 交流电压，同时市电经整流后对电池充电。 当任何时候市电欠压或突然掉电，则由电池组通过隔离二极管开关向直流回路馈送电能。 从电网供电到电池供电没有切换 时间。 当电池能量即将耗尽时，不间断电源发出声光报警，并在电池放电下限点停止逆变器工作，长鸣告警。 不间断电源还有过载保护功能，当发生超载 (150%负载 )时，跳到旁路状态，并在负载正常时自动返回。 当发生严重超载 (超过 200%额定负载 )时，不间断电源立即停止逆变器输出并跳到旁路状态，此时前面输入空气开关也可能跳闸。 消除故障后，只要合上开关，重新开机即开始恢复工作。 设备异常情况 使用不间断电源是为了应对电网可能出现的以下情况： （ 1） 停电 (电网停止工作，无电压输出 ) （ 2） 压降 (亦称下陷，电网电压低于标称电压 15%20%，时间可能持续数秒 ) （ 3） 电涌 (亦称浪涌、突波，电网电压瞬间高于标称电压 10%以上，时间持续数秒 ) （ 4） 持续欠压 （ 5） 持续过压 （ 6） 线噪 (因线路屏蔽差而引入的射频或电磁干扰 ) （ 7） 频率漂移 (发电机不稳定造成的电网频率偏差 ) （ 8） 开关瞬态 (亦称暂态，由电气设备开关或放电造成的电压偏差，有时可高达20200 伏，但是持续时间极短，仅数纳秒 ) （ 9） 谐波 (电网中由非线性特性的电气设备产生的对交流电正弦波形的干扰 ) 不间断电源发展特点 （ 1）高效率、高可靠性 UPS 由于 IT 设备不断增多、用电量加剧、机房面积紧张、低耗节能需求等客观 因素的存在，高效率、高可靠性的 UPS 技术倍受关注。 为提高 UPS 运行效率，高性能电力电子器件不断被研发成功并投入实际应用，如 IGBT、 MOSFET、 GTR、智能功率模块 IPM、MOS 控制晶闸管 MCT 等，变流技术也需要随着电力电子器件而更新。 此外，业界正逐步推广 UPS 内部多模块冗余并联运行、甚至多台 UPS 组成的系统冗余运行技术，在并联运行中，当单一模块或单机发生故障时，其功能则自动转由冗余单元承担，大大提高了 UPS 供电系统的可靠性。 东北电力大学自动化工程学院学士学位论文 6 （ 2）大功率化、模块化 由于 IT 行业迅猛发展，数据中心的数据量 也在以爆炸式的速度持续增长，随之而来功率消耗增大。 UPS 一方面朝着更大功率的方向发展，另一方面为应对不间断电源容量分期扩充的需求，产品模块化已是不可阻挡的趋势。 更个性化的用户需求、更庞大的数据中心规模及更高的维护成本使得 UPS 已不再是单纯的不间断供电设备，针对不同行业领域的全套电源供应与管理解决方案才将倍受市场青睐。 行业内针对模块化 UPS 解决方案基本形成了两个方向：一是单机冗余化，即通过多模块冗余并联构成大功率单相或者三相 UPS，其可用性指标得到了质的飞跃；二是全模块化结构，即一个模块是一台完整的 UPS，通过冗余并联直接构成中等功率 UPS，在兼顾可用性指标的同时还具有良好的性价比。 （ 3）高频化 相比传统的工频 UPS，高频 UPS 采用功率因数校正和高频软开关技术，省去了工频电能转换环节，因此运行效率更高、对电网的谐波污染及无功消耗极小，完全能够满足国内外相关电力行业的标准要求。 此外，高频电能变换装置在减小磁性部件体积和重量、降低制造成本、遏制运行噪音、节能环保等方面效果显著，因此越来越受到用户认可。 （ 4）数字化、智能化、网络化 数字化技术的优势在当今信息社会中愈加明显。 在 UPS 产品的研发和制造过程 中采用全数字化技术可有效缩小产品体积、降低生产成本、提高产品的可靠性及针对用户需求的匹配性；而数字化控制技术则会在 UPS 系统运行过程中准确及时地进行信号采样、处理、控制（包括电压电流环等）、通信等工作，并将各环节的控制参数优化统一后发送给UPS 综合控制单元，从而使 UPS 系统的运行更具效率，实现更简单、更稳定的通信与均流，并获取优良的电磁兼容指标。 智能化主要贯穿于 UPS 系统的控制、检测与通信过程中，完全由计算机管理。 计算机及其外设能自主应付一些可预见的问题，进行自动处理和调整，发出预警、告警信息等。 通 信设施所处环境日趋复杂，增大了维护难度，对电源设备的网络化监控管理提出了新的要求。 网络化技术可通过对 UPS 配置与计算机互连的软硬件接口，实现计算机网络系统及数据资料的双重保护、网络远程事件记录和监测控制、故障告警、参数自动测试分析等功能，使维护人员更为轻松、安全、高效地通过互联网进行数据查询、控制等维护工作。 （ 5）绿色、节能、环保 在世界能源格局变化加剧，国际油价剧烈震荡，全球能源供应紧张的形势下，节能环保已成为 UPS 厂商进行产品技术创新的指导原则。 对 UPS 而言，输入功率因数的高低表明其吸收电网有功 功率的能力及对电网影响的程度。 降低电源的输入谐波，不但能改善 UPS 第 2 章 不间断电源简介 7 对电网的负载特性，减少给电网带来的严重污染，也能降低对其他网络设备的谐波干扰。 已有许多 UPS 厂商推出的产品功率因数接近 1，可最大限度地减少无功功率的消耗。 设备分类与应用 UPS 按工作原理分成后备式、在线式与在线互动式三大类。 其中，最常用的是后备式 UPS，它具备了自动稳压、断电保护等 UPS 最基础也最重要的功能，虽然一般有 10ms 左右的转换时间，但由于结构简单而具有价格便宜，可靠性高等优点，因此广泛应用于微机、外设、 POS 机等领域。 后备式 UPS 电源又分为后备式正弦波输出 UPS 电源和后备式方波输出 UPS 电源。 后备式正弦波输出 UPS 电源：单机输出可做到 ~2KW，当市电在 170V~264V间变化时，向用户提供经调压器处理的市电；当市电超出 170V~264V范围时，才由 UPS提供高质量的正弦波电源。 后备式方波输出 UPS电源：与后备式正弦波输出 UPS电源不同的只是为用户提供 50Hz方波电源。 在线式 UPS 结构较复杂，但性能完善，能解决所有电源问题，如四通 PS 系列，其显著特点是能够持续零中断地输出纯净正弦波交流电，能够解决尖峰 、浪涌、频率漂移等全部的电源问题；由于需要较大的投资，通常应用在关键设备与网络中心等对电力要求苛刻的环境中。 在线互动式 UPS，同后备式相比较，在线互动式具有滤波功能，抗市电干扰能力很强，转换时间小于 4ms，逆变输出为模拟正弦波，所以能配备服务器、路由器等网络设备，或者用在电力环境较恶劣的地区。 不间断电源现已广泛应用于：矿山、航天、工业、通讯、国防、医院、计算机业务终端、网络服务器、网络设备、数据存储设备、 UPS 不间断电源、应急照明系统、铁路、航运、交通、电厂、变电站、核电站、消防安全报警系统、无线通讯系 统、程控交换机、移动通讯、太阳能储存能量转换设备、控制设备及其紧急保护系统、个人计算机等领域。 东北电力大学自动化工程学院学士学位论文 8 第 3 章 电流检测系统硬件设计 单片机原理简介 单片机是指集成在一个芯片上的微型计算机，也就是把组成微型计算机的各种功能部件，包括 CPU(Central Processing Unit)、随机存储器 RAM(Random Access Memory)、只读存储器 ROM(Readonly Memory)、基本输入 /输出 (Input/Output)接口电路。 定时器 /计数器等部件都制作在一块集成芯片上， 构成一个完整的微型计算机从而实现微型计算机的基本功能 [6]。 AT89C51 简述 AT89C51 提供以下标准功能： 4k 字节 Flash 闪速存储器， 128 字节内部 RAM， 32 个I/O 口线，两个 16 位定时 /计数器，一个 5 向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。 同时， AT89C51 可降至 0Hz 的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式 [4]。 空闲方式停止 CPU的工作，但允许 RAM，定时 /计数器，串行通信口及中断系统继续工作。 掉电方式保存 RAM 中的内容，但振荡器停 止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。 AT89C51 管脚图如下 ： 图 AT89C51 引脚排列 第 3 章 电流检测系统硬件设计简述 9 A/D 转换电路 ADC0804 简述 ADC0804是一个早期的 A/D转换器，因其价格低廉而在要求不高的场合得到广泛应用。 ADC0804 是一个 8 位、单通道、低价格 A/D 转换器，主要特点是：模数转换时间大约 100us；方便的 TTL 或 CMOS 标准接口；可以满足差分电压输入；具有参考电压出入端；内含时钟发生器；单电源工作时（ 0V5V）输入信号电压范围是 0V5V；不需要调零等等 [2]。 ADC0804 管脚图如下： 图 ADC0804 管脚图 ADC0804 外围电路以及与单片机的链接图 图 ADC0804 外围电路图 东北电力大学自动化工程学院学士学位论文 10 调整变阻器 HAUBLAN20K，使辅助参考端 VREF 脚得到 V标准参考电压。 在CLKIN、 CLKOUT 端设计 RC 振荡电路，由于 ADC0804 频率限制在 100～ 1460 kHz，通过对频率公式 F=1／ ()的计算，选择电阻 R=20k，电容 C=200pF，即可得到符合设计要求的频率。 图 ADC0804 与单片机的的链接图 数码管显示电路 74HC4511 管脚与工作原理 本设计选用 74HC4511 作为驱动芯片 ,以七段数码管管作为显示器件的显示模块最为系统的输出 .为了数码管的保险器件 .我们在数码管与驱动芯片之间加 1K 欧姆的电阻作为限流电阻 ,保证驱动芯片以及数码管的安全运行 74HC4511 管脚图如 图 ： 第 3 章 电流检测系统硬件设计简述 11 七段数码管引脚与工作原理 在单排年级 应用系统和智能化仪器仪表中广泛使用各种显示器来显示数据文字或者是图形画面，其中最常用的显示器是 LED(发光二级管显示器 )，因为它具有驱动电路简单，配臵灵活方便，功耗低响应速度快，可靠性高以及易于实现而且价格低廉等优点 [7]。 LED 显示实际上是由若干发光二级管构成的，当发光管导通时，相应的一个点或者是一个笔画发光，控制不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符。 图 发光管接入电路的具体接法 系统整体电路原理图 基于单片机的霍尔电流电流检测系统的原理图如图 7 所示，系统由一个主控系统和一个 检测模块组成。 被测电流通过 ACS712 芯片时，该芯片利用霍尔效应，将被测电流转换成 0~5V DC 模拟信号，该模拟量经 A/D 装换变成数字量。 A／ D 采样处理模块主要是对从ADC0804 采集来的数据进行处理，完成对二进制数据 BCD 码的转换，并且通过 Pl 口输出显示， Pl 口的低 4 位输出 BCD 码，高 4 位为数码管的片选信号。 ADC0804 与 AT89C51。