1、0电力电子装置及系统课程论文UPS 电源设计专业：电气工程及其自动化姓名： 学号： 031040522 指导老师： 日期：2013 年 11 月 3 日目录1第 1 章 前 言 .31.1 UPS 介绍 .41.1.1 UPS 发展过程 .41.2 国内外研究状况 .61.2.1 UPS 研究的目的 .61.2.2 UPS 研究意义 .71.2.3 国内外供电电网现状 .71.3 UPS 系统技术指标 .81.3.1 输入指标 .81.3.2 输出指标 .81.3.3 电池指标 .81.3.4 其他指标 .91.3.5 系统特点 .9第 2 章 系统背景知识及理论基础 .102.1 电网中断及
2、不稳定情况 .102.1.1 供电间断原因 .112.1.2 电网谐波危害 .112.1.3 电力系统在低频率运行 .132.2 UPS 系统功能概述 .132.3 系统工作原理 .142.3.1 蓄电池技术 .142.3.2 不间断供电原理 .152.4 逆变器原理 .162.4.1、逆变电路主要性能参数 .162.4.2 三相桥式逆变电路及其控制方式 .182.5 PWM 型三相桥式逆变电路 .192.6 主要器件介绍 .202.6.1 晶闸管 SCR.202.6.2 场效应管 MOSFET.202.6.3 绝缘栅晶体管 IGBT.202.6.4 运算放大器 LM324.212.6.5 变
3、压器 .212.6.6 压敏电阻 .2222.7 各功能模块电路介绍 .222.7.1 整流电路 .222.7.2 其余电路 .23第 3 章 系统硬件设计 .253.1 系统总体框图 .253.2 逆变电路结构 .253.3 PWM 脉宽调制 .253.4 驱动电路 .273.5 过流保护 .28第 4 章 系统仿真 .294.1 系统仿真 .29参考文献 .34摘 要3随着计算机技术、网络技术、通信技术的发展，国民经济、国防军工、政府部门的各个领域要保障计算机信息网络系统的安全、可靠运行，就离不开UPS 不间断电源，这已成为信息业界乃至各行各业的共识。 根据 UPS 不间断供电的原理，以提
4、高 UPS 的可靠性为基本点，从 UPS 电源装置的结构和形式来考虑其设计方案。整个 UPS 主电源装置由整流/充电器、逆变器、静态旁路、维修旁路等部分组成。整流/充电器(包括蓄电池)为 UPS 提供在线工作的能量输入；逆变器为 UPS 提供在线工作的高质量的稳压稳频的交流电输出；静态旁路为 UPS 在整流/充电器或者逆变器故障情况下提供旁路工作电源，逆变器供电和静态旁路供电之间可实现不间断供电切换；维修旁路为 UPS定期检修或故障维修时提供旁路电源。 UPS 主要分为，UPS 运行方式部分，开关电源部分和电压逆变部分，且每一部分都有其典型的控制芯片组成。论文中的 UPS 电路简单的体现了 U
5、PS 电源的基本功能，实现 DC-AC 的逆变过程，最终实现频率 50HZ 的 220V 交流电压输出。关键字：UPS 电源，断电续用，电力电子，智能网络化，在线式4第 1 章 前 言随着计算机技术、网络技术、通信技术的发展，国民经济、国防军工、政府部门的各个领域要保障计算机信息网络系统的安全、可靠运行，就离不开UPS 不间断电源，这已成为信息业界乃至各行各业的共识。1.1 UPS 介绍UPS 不间断电源为在线式 UPS 电源，这种方式的不间断电源在 UPS 电源当中性能是比较完美的一种。它可以很好的解决市电的浪涌持续的高压或低压断电等问题。而在市电故障的时候则有蓄电池给电源逆变部分供电，从而
6、保证UPS 的不间断供电。UPS 作为保护性的电源设备，它的性能参数具有重要意义。市电电压输入范围宽，则表明对市电的利用能力强（减少电池放电） 。输出电压、频率范围小，则表明对市电调整能力强，输出稳定。波形畸变率用以衡量输出电压波形的稳定性而电压稳定度则说明当 UPS 突然由零负载加到满负载时，输出电压的稳定性。智能型 UPS 是当今 UPS 的一大发展趋势，随着 UPS 在网络系统上应用，网络管理者强调整个网络系统为保护对象，希望整个网络系统在供电统出现故障时，仍然可以继续工作而不中断。因此 UPS 内部配置微处理器使之智能化是 UPS 的新趋势，UPS 内部硬件与软件的结合，大幅度提高了
7、UPS 的功能，可以监控 UPS 的运行工作状态，还可以通过软件对电池进行检测、自动放电充电，以及遥控开关机等。网络管理者就可以根据信息资料分析供电质量，依据实际情况采取相应的措施。当 UPS 检测出供电电网中断时，UPS 自动切换到电池供电，在电池供电能力不足时立即通知服务器做关机的准备工作并在电池耗尽前自行关机。1.1.1 UPS 发展过程最初的 UPS 是本世纪六十年代初由旋转电动机供应能量的动态 UPS，即不间断是靠动能维持,使用动能转换为电能实现电能持续供应的。这种早期 UPS 的输出稳定是靠惯性飞轮对短时间电压突变和干扰无反应；不间断性是靠断电后飞轮的惯性延长供电时间。当然这种 U
8、PS 的后备时间是很短的(一般不超过 5 秒)，于是人们开始使用备用蓄电池组，这是早期 UPS 的典型结构(如图所示)。这样的 UPS 虽然可以靠增大蓄电池容量来延长后备时间，但转换效率低，于是出现了内燃式 UPS 系统，这种 UPS 靠内燃机提供断电后的能量。动态 UPS 设备庞大笨重、操作不够灵活、而且效率低、噪声大。5图 1-1 UPS 内部结构随着电力电子学的发展，为实现大功率的电能转换，于是出现了静态UPS，它的主电路和控制电路均采用半导体器件，它也是目前绝大多数概念中的UPS，其典型框图如图所示。其基本原理是：市电输入经整流器将交流电变成直流电，一方面给蓄电池组充电，另一方面为逆变
9、器提供能量，再将直流电变成交流电经转换开关送到负载；当逆变器发生故障时，另一路备用电源(旁路电源)经过转换开关实现向负载供电。图 1-2 UPS 工作流程静态 UPS 的工作方式有在线式和后备式，两者主体结构大体相同，只是后者在市电正常时工作在旁路(Bypass)，而前者只有当逆变器故障或过载时才由旁路电源供电。一般来说，从性能上讲，在线式优于后备式;从容量上讲，后备式一般不大于 3KVA，而在线式不受此限制，目前单机容量可以做到 600KVA 以上。UPS 的装机容量正不断扩大，并联成为扩大容量或者冗余系统的必然方法。比如 M.G, EXIDE 等公司的 UPS 机内信号用微机处理、通讯采用
10、普通信号，而SIEL 公司采用光纤通讯，从而实现多台 UPS 的同相同幅、均负载的功能。由于单相进单相出给市电配电带来极大困难，于是出现了三相入单相出(3/1)的 UPS，其最大容量可达 60KVA 以上，这种单相输出的 UPS 在切换到旁路时、满负载情况下市电对应的一相将严重超载，因此厂家推出了三相入三相出的 UPS 产品，而且有三相负载 100%不平衡产品。为改善后备式 UPS 的供电质量，人们研制了净化 UPS，即将净化电源加在旁路电源上。 近期又出现了不间断蓄电池系统 UBS，见图所示。它结合了动态 UPS 和静态 UPS 的优点，只是噪声稍大，主要应用于特殊场合，如野外、地下室等环境
11、恶劣的场所。6图 1-3 UPS 普通应用1.2 国内外研究状况1.2.1 UPS 研究的目的早期的 UPS 产品因电子技术及相关技术水平、工艺水平等方面的限制，备用时间短，智能性差，所以主要作为计算机的备用电源，其它行业涉及较少，因而普及率很低，受其所限，发展速度不快。但是，随着微型计算机应用的日益普及和信息处理技术的不断发展，人们对供电的质量要求越来越高。这是因为在微型计算机特别是企、事业单位的计算机网络运行期间供电的中断，将会导致随机存储器中数据的丢失和程序的破坏，有时甚至会使磁盘盘面及磁头遭到损坏，造成难以弥补的损失。不但如此，随着国民经济的发展，生产力水平的提高各行各业的许多关键设备
12、对电源的要求也是如此。于是高性能、高可靠性 UPS 越来越受到人们的关注。从国防、航天、科研到医疗卫生、工农业生产、交通运输，从银行证券到商贸销售，从通讯行业直至以信息高速公路为代表的新兴信息产业，无不用到 UPS，从此 UPS 不再只是工业，计算机业的宠儿，而真正被社会，被各行各业所接受，所容纳。随着电子技术的发展，特别是计算机技术及计算机网络技术的发展，人们对 UPS 的要求越来越高：不但要求供电质量高，而且要求智能化，这也是科学技术发展的必然趋势。人们希望将现代电子技术、信息技术、控制技术、计算机网络技术等 UPS 相关技术应用于 UPS 不间断电源，使 UPS 电源供电系统变得越来越完
13、善，对各种性质的负载适应性更强，产品种类更齐全。 实际上，UPS经过近四十年的发展至今，性能指标基本相似，不同点在于功能上的拓宽、创新及可靠性的高低。PWM(脉宽调制)技术和功率晶体管及组合管、场效应MOSFET 管、IGBT 等己被 UPS 普遍采用，从而降低了 UPS 的可闻噪声，提高了效率和可靠性。特别是自 80 年代以来，微处理器技术、计算机技术、网络工程的迅猛发展，并引入 UPS 领域，大大拓宽了 UPS 的功能。显示方式从数码显示到液晶显示，使得人机“对话”更加方便。利用 CPU 的强大处理功能，可做到自动诊断、自动开关机、自动打印运行记录，起到监控、管理系统的作用。71.2.2
14、UPS 研究意义随着 UPS 在计算机网络中的应用不断发展，UPS 不再是单纯供电、仅仅保护服务器，而是强调以整个网络为保护对象。用户希望 UPS 保护的对象不再是特定的运算设备为主，而是让网络在电源出现异常时，仍然可以继续工作而不中断。因此，UPS 监控防护软件是 UPS 的新发展，这种软硬件的新搭配有助于大幅度提高 UPS 的功能，使其趋向人性化；同时大大拓宽了 UPS 在计算机及网络中的应用。智能 UPS 就是在这种形势要求下发展起来的所谓智能 UPS 就是将传统 UPS 通过与 PC 上位机相连的硬件接口，结合特殊设计的软件(称为监控软件)以提供电源和资料的双重保护。因此监控软件是 U
15、PS 智能化的关键部分。目前 UPS 各大厂家都将 UPS 的监控软件作为产品竞争力的一个重要筹码。UPS 不间断电源本身是集数字与模拟技术、数字通讯技术、电力电子技术、微处理器及软件编程等技术于一体的密集型电子产品。另外，随着微处理器和计算机应用的普及，将其引入 UPS 系统，研制智能 UPS 是 UPS 发展的必然趋势。UPS 的发展，并由此推动与之相关技术的发展，这也是我选择本设计题目的初衷。目前我国所用的 UPS 大多是国外的产品，进口产品品种齐全，功能完善，但是用户在使用和维修等方面有许多不便，而且价格昂贵。最近几年，虽然国内 UPS 生产厂家不但增多，但是由于技术水平的限制，产品还
16、是以传统模拟式为主，所以期待着高性能的国产 UPS 电源的出现虽然目前 UPS 技术已经比较成熟，带负载的能力大多还是可以满足要求的，但是，对于整个逆变器来讲，其采用不同的电路拓扑结构的逆变器使得 UPS 的整机性能和稳定性也不尽相同，因此本文研究的 UPS 系统本着让 UPS 系统带负载能力更强，当负载突然变化命令 UPS 的工作更加稳定，同时保证 UPS 整机适合其发展趋势为原则进行展开的。 1.2.3 国内外供电电网现状表 1-1 国内外供电情况对比配电网运行、管理 国内现状 国际先进水平供电可靠率（PS-1）用户平均年停电时间99.897%(1999 年)，电力部要求99.96%9.7
17、7h东京 20min,法国 94min,美国58min,荷兰 10min,香港、新加波 20min配电线路 架空线为主，少量电缆（北京、上海、广州稍多）存在大量低压配电线路城市主要用电缆，低压线路短，或局部在建筑内8网络结构 简单辐射式，少数双回线，缺少规划主干线，自动化环网结构（N-1），网络式结构（N-2）配电设备 少油，真空，少量 SF6 定期维护、检测完成“无油化”改造，全部为真空或 SF6 免维护，极少检修自动化程度 手动，自动兼有，手动操作为主 自动，运行，可实现自动故障识别，隔离，网络重构故障停电时间 几个小时 1min维护与管理 维护计划 AM/FM/GIS 技术线路损耗 8.
18、6% 5%6%由上表中可以看出我国很难保证用电端的供电质量，研究一种高可用的UPS 供电系统是我国当前以及今后的方向之一。1.3 UPS 系统技术指标1.3.1 输入指标A.额定电压B 电压范围C 频率D 输入方式E 功率因数1.3.2 输出指标A.电压B 电压失真度C 频率D 过载能力E 功率因数F 峰值因数G 整机效率1.3.3 电池指标A.类型9B 内置电池节数C 额定电压D 备用时间E 充电时间1.3.4 其他指标A.安全规范B 电磁兼容满足C 电涌保护D 抗扰性保护E 1.MTBF 系统F 噪音（1M）1.3.5 系统特点对于一套高质量 UPS 供电系统来说，它应具有如下特性:(l)
19、高可靠性 系统应具有能提供 36524 连续提供高质量的 UPS 逆变电源的供电能力。这就意味着，在 UPS 供电系统的运行中，既不允许出现任何瞬间供电中断/停电事故，也不允许出现由普通的市电经交流旁路直接向用户负载供电的情况。为此，要求 UPS 供电系统应满足如下要求:由于 UPS 单机本身的故障率低，因此目前大型 UPS 产品的平均无故障工作时间(MTBF)为 20 万40 万小时。 采用具有高度容错功能的“N+1”型 UPS 冗余并机系统来进一步提高 UPS 供电系统的可靠性(“1+l”型冗余并机系统的典型 MTBF 值可达 140 万200 万小时)。在整套 UPS 供电系统中，不应存在单点瓶颈故障隐患。允许在 UPS 逆变电源连续供电的条件下，执行不停电的维护和检修操作。万一在用户设备端出现短路故障时，应将故障的影响缩小到尽可能小的范围。(2)高抗干扰性UPS 供电系统能使设备获得高“可利用率” ，并可为其创造优良的运行环境。大量的运行实践表明:电源干扰问题是造成设备的“可利用率”下降的重要原因之一。在此需说明的是:电源干扰不仅来源于普通的市电电网，它还来源于设计不完善的 UPS 本身及用户的设备本身。这是因为配置在 IDC 和 MDC 机房内
