1、1不间断电源设计摘要随着现代工业的发展,供电网络的负载越来越复杂,特别是大型用电负载的启动和停止,大型可控电力电子设备的应用以及网络内部噪声会使交流正弦波发生畸变。另外,自然界的雷电,电网的接地不良等因素均能够影响到电网的供电质量。一套好的 UPS 系统可以提高运行的稳定性，随着单片机，DSP 等的应用，UPS已经可以实现全数字化和智能化。同时，电力电子器件的飞速发展也为主功率部分的简化以及先进控制策略的应用提供了必要条件。目前，以电力电子器件组成的逆变器，以单片机为控制核心的 UPS 电源已普遍应用于我国的各行各业，而本课题就是以 IGBT 组成的逆变器，以单片机为控制核心的不间断电源为基础
2、展开研究和设计的。目录摘要 .1ABSTRACT .21.绪论 .51.1 引言 .51.2 UPS 发展现状 .51.3 不间 断电源 UPS 的分类和结构 .61.3.1 动态 UPS 工作原理 .61.3.2 静止式 UPS .61.4 本设计技术参数 .92.UPS 总体结构和整流、逆变主电路 .102.1 UPS 总 体结构 .102.2 UPS 整流、逆变主电路的设计 .102.2.1 三相电源变压器 .102.2.2 三相不控整流 桥 .112.2.3 单相倍频逆变桥 .122.2.4 阻容吸收装置 .133.控制电路 .1423.1 正弦脉宽调制电路 .143.2 驱动电路 .
3、163.3 调整电路 .174.转换开关 .204.1 转换开关的主电路 .204.2 触发电路 .224.3 控制电路 .245.充电电路 .265.1 充电电路的主电路 .265.2 充电电路的控制电路 .285.3 充电过程 .316.保护电路 .336.1 过压保护 .33致谢 .35参考文献 .36附录一:整流逆变主电路 .37附录二：触发电路 .37附录三：控制电路 .38附录四：充电电路 .4031.绪论1.1 引言现代社会中，电能是一种使用最为广泛的能源，其应用程度是衡量一个国家发展水平的重要标志之一。随着科学技术的发展，人类社会对电能的需求正日益增加，同时对电能质量以及供电安
4、全性的要求也越来越高。例如，在银行、证券、通信、工业自动化生产线、办公自动化、医疗、甚至物业管理等各行业中，供电故障将有可能对其带来巨大的经济损失。特别是随着 Internet 高速发展和信息化、网络化建设步伐的加快，数据安全成为各行业普遍关注的问题，然而供电的故障对数据的安全性将无疑是致命的。使用不间断电源(UPS, Uninterruptible Power System),确保关键用电设备的安全性是解决上述问题的最重要的方法之一。这也使得全社会对不间断电源的需求日益增加。1.2 UPS 发展现状自二十世纪六十年代出现了一种新型的交流不间断供电系统以来。以美国为代表的发达国家相继开始了对
5、UPS 的生产、研究工作。发展至今，己研究、制造出形形色色、种类繁多的各式 UPS。其被广泛的应用于金融、电信、政府部门、邮政、税务等企事业单位。同一切先进技术一样，在广大市场的需求下，在各种先进控制技术的强力推动下，UPS 也正在不断的朝着自己的方向发展。目前，国内外学者都对 UPS 开展了广泛的研究工作，各种先进的控制技术被引入。在此基础上，许多国外知名UPS 生产厂商，如山特、梅兰日兰、APC 等，纷纷利用自己的技术优势推出了多款集数字化、智能化、网络化于一身的新一代 UPS。作为 UPS 消费大国的中国，不论是大功率市场还是小功率市场，我国的国产UPS 市场占有率都小于 50%,甚至
6、30%都不到。由此可见，与国外相比，我国在UPS 研究与生产领域都还处于一个弱势阶段。1.3 不间断电源 UPS 的结构所谓不间断电源就是当交流电网输入发生异常或中断时，它可以继续向负载4供电，并能够保证供电质量，使负载供电不受影响。这种供电装置称为不间断电源装置，或者称为不间断供电系统，简称 UPS(Uninterruptible Power System)。不间断供电装置依据其向负载提供的是交流还是直流可分成两大类型，即直流不间断供电系统和交流不间断供电系统，但习惯上人们总是将交流不间断供电系统简称为 UPS。正因为如此，本书也沿用这一习惯称呼而将交流不间断电源简写为UPS。1.3.2 U
7、PS静止式 UPS 的经典方案如图 1-2 所示，其原理是：电网正常时，市电经整流器变成直流，再经逆变器将直流变成交流，后经转换开关送给负载；在电网异常时，由蓄电池给逆变器提供直流电能，经逆变器变成交流后送给负载；当整流器、逆变器或蓄电池等单元出现故障时，可经过转换开关将市电旁路给负载。图 1-1 动态 UPS 结构图对静止型 UPS 而言，按其工作方式又可分为在线式(online)和后备式(offline)两种，但无论是后备式还是在线式 UPS，其基本结构大体相同，只是在工作方式上和为负载供电的质量上有一定的差异。下面就图 1-2 来简要说明在线式和后备式 UPS 的异同点，同时说明在线式和
8、后备式的含义。（1）在线式 UPS 工作过程在线式 UPS 的工作过程是，电网正常供电时，交流电经输入变压器后，一方面经充电器给蓄电池充电，另一方面经整流器变成直流后送至逆变器，经逆变器变成交流后再通过输出变压器，最后经转换开关(K 接 4 点)送给负载。此时的电能流向如下：电网 输入变压器 整流滤波 逆变器 输出变压器 转换开关 负载充电器 蓄电池组5旁路BA A电网 A 蓄电池图 1-2 经典型 UPS 结构框图电网供电异常时(过压、欠压、断电)，保护电路(图 1-2 中未画出)将切断输入市电与 UPS 的联系，让蓄电池为逆变器提供直流电能，此时的能量流向如下：蓄电池组 逆变器 输出变压器
9、 转换开关 负载由上述可见，在线式 UPS 就是指电网正常供电时，电网一方面对蓄电池充电，另一方面经过 UPS 内部处理和变换后再送给负载；电网停电或供电异常时，由蓄电池向逆变器提供电能，保证负载供电不间断。在电网供电转为电网中断、蓄电池供电时，负载供电没有任何中断。当然，这是 UPS 内部无任何故障时的情况。若 UPS 内部任何一个单元出现故障，则控制电路可使转换开关由 K 接 A 点转换为B 点，即实现旁路输出。这样的转换一是有转换时间(供电有间断)，二是此时市电必须不中断，否则负载供电就无保障了。为了使转换过程不影响负载工作，应该使转换时间尽可能短，考虑到较大的滤波电容的储能作用，转换时
10、间一般应小于 3ms。目前，功率稍大一些的 UPS 为了缩短转换时间，大都采用静态无触点电子开关，这就大大缩短了转换时间。（2）后备式 UPS 工作过程后备式 UPS 的工作过程是：电网供电正常时，电网一方面经变压器至充电器给蓄电池组充电；另一方面经变压器和旁路开关(K 接 B 点)送给负载。此时的电能流向如下：电网 变压器 转换开关 负载 变压器整流器逆变器变压器转换开关K充电器6充电器 蓄电油组供电异常时，控制电路立即切断电网与负载的联系，同时起动逆变器并使 K由接 B 转为接 A，继续由蓄电池提供电能向负载供电。此时的电能流向如下：蓄电池组 逆变器 输出变压器 转换开关 负载这时的能量流
11、向和在线式是一样的，只是转换为蓄电池输送电能这个过程和在线式 UPS 有区别，即在线式 UPS 当电网异常转为蓄电池提供电能时不存在转换时间，而后备式 UPS 存在一定的转换时间，这种转换时间和在线式 UPS 中的转换旁路时间一样，一般希望其愈短愈好。通过上述可见，后备式 UPS 就是指电网正常供电时，电网通过旁路开关直接送给了负载，同时也给 UPS 的蓄电池充电。送给负载的是没有经过 UPS 加工和处理的电网的电，供电质量明显不及在线式 UPS 的供电质量好。在电网供电出现异常时，才启动 UPS 内部的逆变器工作，将蓄电池提供的直流电能变成交流电能后送给负载。后备式 UPS 和在线式 UPS
12、 虽然其基本结构大致一样，但在电网正常供电时，在线式 UPS 的输出较后备式 UPS 的输出交流电质量好，这主要是说在线式 UPS 的输出是稳压、稳频的，而后备式 UPS 最多对输出采取粗稳压而没有稳频等其他处理功能。不但如此，在电网供电异常、蓄电池组开始向逆变器提供能量时，在线式 UPS 没有转换时间，后备式 UPS 是有一定的转换时间的。因此从工作方式和供电质量上看，电网供电时和电网供电转为蓄电池组提供电能的转换过程，在线式UPS 的性能优于后备式。有的后备式 UPS 的生产厂家加了电网滤波装置，有的在输出变压器上增加了一些抽头，以实现对输出的简单稳压，使其产品的性能有所改善，但终究和在线
13、式还有一定差距。但后备式 UPS 约造价低于在线式 UPS，因此小容量的后备式 UPS 也得到了广泛的应用。1.4 本设计技术参数本文设计的是静止型不间断电源，而在线式和后备式相比，有着明显的优势，所以本文设计在线式的 UPS。其技术性能如下：输入电压：三相四线制 380V、50Hz 交流电压输入电压范围：380V 土 10输入频率范围：50Hz 土 57输出电压：单相 220V、50Hz 交流电压电压稳定度：220V 土 2频率稳定度：50Hz 土 0.5蓄电池组：采用 12v、38Ah 全密封电池 16 块满载工作时：蓄电池组能维持 15min2.UPS 总体结构和整流、逆变主电路2.1
14、UPS 总体结构10KVA UPS 电源的总体结构框图如图 2-1 所示。在图 2-1 中：1.主电路、调整电路、正弦脉宽调制电路、驱动电路构成双闭环调节系统，使 UPS 输出电压稳定、输出波形失真小。2.主电路设置很大的滤波电容器，可以吸收来自电网的各种干扰信号，从而提高 UPS 的抗干扰性。3.设置了充电电路，为蓄电池充电。4.设置了完善的保护系统，是电力电子模块、蓄电池得到可靠的保护。5.设置了转换开关，一旦逆变器出现故障，便使逆变器输出转换为市电输出。电网正常供电时，电网一方面通过主电路先整流，再逆变成标准正弦交流电压后，经过转换开关输出；同时，电网又通过充电电路变成直流电压向蓄电池充
15、电。电网中断供电时，蓄电池通过逆变器变成标准正弦交流电压，该电压又经过转换开关输出。逆变器出现故障时，UPS 通过转换开关进行旁路输出，并停止逆变器工作。2.2 UPS 整流、逆变主电路的设计81 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 15-Jun-2007 Sheet of File: G:BACKUP1.DDB Drawn By:、 、 、 、SPWM、 、10KVAUPS 主电路的功能是将非标准正弦波电压变换为标准正弦波电压。它主要由输入滤波器、三相电源变换器、三相不控整流桥、阻容吸收装置、单相倍频逆变桥、输出变压器，
16、其电路如图 2-2 所示。2.2.1 三相电源变压器 1B三相电源变压器 的功能是：1.将 UPS 与市电隔离。 2.220V 变换为 110V(防止 IGBT 击穿) 。1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 15-Jun-2007 Sheet of File: G:BACKUP1.DDB Drawn By:、 、 、 、SPWM、 、图 21 UPS 总体结构框图2.2.2 三相不控整流桥（ ）D:6三相不控整流桥（ ）由三个整流管模块构成,它的功能是将三相交流16电压变换为单相脉动直流电压。其输出电压平均值近似由公式
17、 2.1 决定。 110V=269V (2.1)dV1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 14-Jun-2007 Sheet of File: G:、BA79591.DDB Drawn By:C3T1T2T3T4VaVbVcD1 D3 D5D2 D4 D6D7 D8C1 C2R1 R2Vo220VB1 110V9图 2-2 UPS 整流、逆变主电路2.2.3 单相倍频逆变桥单相倍频逆变桥如图 2-3 所示，它的功能是将直流电压 或 变成单相正弦dVe脉宽电压。它由四块 IGBT 模块组成，输入端接整流器。输出端通过 接负
18、载。2BIGBT 模块的栅极分别接驱动脉冲。图 23 单相倍频逆变桥其工作过程如下1.在 期间 0t:1与 为 ， 与 为 0， 与 导通， 与 截止，变压器 初级电Gv4gv2G31T42T32B压 沿着 1 2 路径流动，故 1idV+T4dV-= =d02.在 期间1t:2与 为 , 与 为 0， 截止，变压器 的初级电流 沿着 2Gv3gv2G44T2B1i3T1 流动，将变压器中 储存的能量消耗在电路电阻中。由于 、 导通，变TB3压器 的 1、2 两端被短路，故 B0 012V1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDat
19、e: 14-Jun-2007 Sheet of File: G:、BA79591.DDB Drawn By:T1T2T3T4Vi C?+-1 2Vo10期间重复上述过程。2t:03.在 期间1与 为 0V， 与 为 ， 、 导通，变压器初级电流 沿着Gv42Gv3Gv2T3 1idV+2 1 路径流动。由于 、 导通，故3T2dV-= = 10d4.在 期间1t:2与 为 0V， 与 为 ， 截止，变压器初级电流 沿着 1Gv32Gv4Gv3Ti2T2 路径流动，将变压器 中储存的能量消耗在电路电阻中。由于 、 导4TB 4通，变压器 的 1、2 两端被短路，故B0 0V；期间重复上述过程。2
20、t:0对输出电压 进行博氏级数展开，输出电压基波分量为：v= sin01ed1tw输出电压中最低次谐波的频率为： + ， - 。其中， 为驱动脉冲的两f1f1f倍， 为调频，一般为 50H：。1f电力电子模块的主要参数如下：1） DSOBV(1.65 2.64) :dV(1.65 2.64)269444 710V选择 为 600V DSOB2) DMI= 2iPEd考虑到蓄电油放电终厂时，仍能维持满载输出；另外考虑到占空比 为 0.3d时，也能维持满载输出，则2 10000/(0.3 16 10.5)=396ADMI选择 为 400A3) GEV=(1. 5 2.5) :()GEthV=1.5 2.5) 5=7.5 12.5V:故可选择 为 15 VGE
