基于STM32的ups不间断电源设计 电气121李承永

青岛理工大学毕业设计（论文）I摘 要随着计算机技术、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，本文以提高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。 基于电源技术的高频化、模块化、数字化、绿色化的发展方向，本文 结合现代电力电子技术以及信息处理技术的最新发展，利用微机作为控制 核心，研究和开发大功率(10kVA以上)在线式智能UPS不间断电源。 关键词：UPS ，电力电子技术， 微机控制 ，智能青岛理工大学毕业设计（论文）IIABSTRACTWith the development of the computer technology, the network technology, communication technology, in all the fields of the national economy, national defense and war industry, government ministries, they must depend on UPS (Uninterruptible Power System) By the principle of UPS, this paper considers the design scheme from its structure and format for increasing its reliability. The main power device is made up of rectifier, charger, inverter, static bypass, maintenance bypass. Rectifier and charger (including storage battery) offer the energy input of UPS when it is online. Inverter offers the CVCF (Constant Voltage and Constant Frequency) AC output when UPS is online. Static bypass offers online bypass power supply when rectifier, charger, or inverter results in faults, and the switching between inverter and static bypass is not interruptible. Maintenance bypass offers bypass power supply when UPS needs repairing or Maintaining. Based on the development trend of higher frequency, modularization, digitalization, and greenness for power technology, this paper is relevant to the recent development of modem power electronics technology and information processing technology, and has studied the above middle capacity (Above 10KVA) online intelligent UPS, using microprocessor as core control.Keywords: UPS ， Power Electronics， Intelligent， Computer control青岛理工大学毕业设计（论文）III目录摘 要 .IABSTRACT .II第一章 概述 .11.1 UPS 的发展 .11.1.1 UPS 的发展过程 .11.1.2 UPS 的发展前景 .21.2 研究目的和意义 .21.3 本课题的任务和要求 .31.3.1 本课题的任务 .31.3.2 本课题的要求 .3第二章 系统整体设计方案 .42.1 UPS 不间断电源原理 .42.1.1 负载不间断电源的原因 .42.1.2 不间断电源的原理 .42.2 系统整体设计原理框图 .52.3 整流 /充电器设计方案 .62.4 逆变器设计方案 .62.5 旁路电源设计方案 .7第三章 整流/充电器的设计 .83.1 整流器 /充电器主回路设计 .83.1.1 整流变压器的设计 .83.1.2 直流滤波电抗器和滤波电解电容的设计 .83.1.3 主回路电路 .93.2 整流器/ 充电器控制设计 .93.2.1 微处理器 .93.2.2 整流器/充电器的微机控制系统 .103.2.3 整流器/充电器控制软件设计 .13第四章逆变器设计 .144.1 PWM 逆变器原理 .144.1.1 逆变电路 .144.1.2 基础 PWM 逆变器和 PWM 波的生成方法 .154.2 UPS 逆变器主电路设计 .15青岛理工大学毕业设计（论文）IV4.2.1 PWM 三相 IGBT 逆变桥电路 .164.2.2 静态逆变器输出变压器和开关 .174.3 UPS 逆变器控制电路的设计 .184.4 UPS 逆变器控制软件设计 .194.5 静态旁路的基本原理 .204.6 UPS 静态旁路主电路 .20第五章 结论 .22致谢 .23参考文献 .24青岛理工大学毕业设计（论文）1第一章 概述电源问题一直是人们比较关心的问题。有一些重要的的设备，除了电源指标，还关注电源的质量，就是能稳定和连续性的提供电能。由于设备提供的电流容易不稳重或不见，就会制造很大的破坏，以至于无法补回。幸运的是不间断电源 UPS（Uninterruptible Power System）为这一麻烦的克服带来了希望。1.1 UPS 的发展1.1.1 UPS 的发展过程60 年代初 UPS 一开始是由旋转的电动机供给能的 UPS，不断依赖于供给的动能。最早的 UPS 输出的稳定性是依靠惯性短期干扰电压的突变; 不间断是依靠飞轮的断电后的惯性作用延长它供电的时间。其实，这样的 UPS 的后备它的时间很短（通常低于 5 秒），所以都慢慢来用备用的电源，这是很早的UPS，如图 1-1 所示的图。虽可依赖增加容量，增长备份时间，但是转换率很低，所以内燃式 UPS 系统应运而生。动态 UPS 大型的设备，使操作不灵活和低效，声音大。随着电力电子学的不断发展，静态的 ups 慢慢出现它使用半导体的器件，控制制电路，这是目前绝大多数 UPS 的概念模型，如图 1-2 所示的典型框图图 图 1-1 静态 UPS 典型框图青岛理工大学毕业设计（论文）2静态 UPS 作品有在线式和后备式，这两个结构基本一样，不同之处在于后者的工作原理是在正常时在旁路的工作，而前者在逆变器出现问题时，供电就有旁路来完成。一般来说，从各个方面分析来看，在线式更优越。UPS 的装机的容量在持续变大，成为来增大容量或冗余系统的完美选择。因为单相出进让市电配送变得异常麻烦，所以 UPS 的三相输入应运而生，其高达 60KVA 以上的最大容量，该单相输出 UPS 当您切换到旁路，相应的市电会特别超载，所以厂家引入三相 UPS 的产品出来，有三相负载 100不平衡的产品，如 IPM， BORRI，迈斯纳，SAVIN 等公司。最近出现了中断电池系统 UBS（不间断电池系统）。它总结了动态和静态UPS 的优势，但是噪音有点大，主要用来野外等环境糟糕的地方。1.1.2 UPS 的发展前景在开发过程中可以从 UPS 的上面可以看到， UPS 经过这么长时间的发展，已经发展成为很大的网络系统，包括农业，林业，交通等领域;后备时间从一开始的几秒到现在的极限是甚至几十小时;尤其是从意义上的技术内容上，从原来的单独的机械到包括所有现代电子技术。电力电子功率器件的高频和模块让 UPS 产品尺寸减少很多，但保证了可靠和效率可以稳定提升，带来了可观的经济效益。引入微处理器硬件和软件，可实现智能化的 UPS。可以为 ups 数字化，智能化打下坚实的基础。1.2 研究目的和意义一开始 UPS 产品由于电子和相关技术的限制，技术和待机时间等方面的水平比较差，因此主要是计算机备用的电源，其他的行业很少涉及，普及率非常低。然而，随着个人计算机应用和信息处理技术日益普及和发展，人们越来越希望有高品质电源。此外，国家经济的发展，许多关键设备都需要高品质的供电。因此，高性能，高可靠性的 UPS 逐渐受到关注。从通信行业乃至新兴的信息产业全部采用 UPS 不间断电源。事实上，UPS 发展近 40 年，各项性能都差不多，只是除了以创新性和可靠性水平的变宽功能。伴着在 UPS 计算机的发展，UPS 已不再只是一个简单的电源，只用来保护服务器，而是可以用来保护整个网络。用户想要的 UPS 是电力网络异常时，可以继续运行而不中断，而不仅仅是保护特定的设备。智能 UPS是在这个要求下发展的。青岛理工大学毕业设计（论文）31.3 本课题的任务和要求1.3.1 本课题的任务本课题以交流 24 伏不间断电源为主要设计对象，分析 ups 的基本原理，熟练掌握 stm32 系列单片机的使用，软件和硬件相配合，通过整流、逆变、稳压等电路部件，实现了在电力供应不正常状态时快速输出稳定的交流 24 伏，是电机能正常运转，不至于出现生产故障的情况。1.3.2 本课题的要求当电网供电正常时，电源经过降压稳压电路后，一部分给电机供电，使其能正常工作；另一部分通过整流稳压电路，在充电管理电路的作用下给电池充电。正常市电 220 伏输入，经降压变压器降压后输出 24 伏，一路直接供给电机，一路接入整流稳压电路，输出平稳的直流 24 伏给电池充电，当单片机检测到充电完成后充电管理模块给出提示。当电网突然停电或者波动太大时，电池输出的直流 24 伏经过逆变模块后快速供给电机，使之能在停电时正常运转一段时间。青岛理工大学毕业设计（论文）4第二章 系统整体设计方案UPS 不间断电源不间断供电是指当 AC 输入电源异常或停电，电源还能向负载供电，也能确保电源的质量，负载供电不受到干扰。当主电源故障或着异常时，蓄电池放电，电池替代整流器，直流输入到逆变器提供电力给负载，以确保不间断的以及质量。如果继续分析，要是想确保电源的不间断电源的质量和负载的供电，可靠的 UPS 电源装置的是必不可少的，因为只有在电源装置的可靠性增加的前提下，才会保证负载电源供电的质量和不间断，这要从不间断电源的原理如下分析基础上，提出如下方案。2.1 UPS 不间断电源原理2.1.1 负载不间断电源的原因电源负载间断原因是多方面的，总结起来有：（1）AC 输入电源发生突然断电。这种突然停电有很多原因，比如：用户故障使电力跳闸;闪电引起的跳闸，因雷击或电源线断裂造成短路 ;鸟害造成断裂跳闸;台风或飓风都会刮断电源线等。（2）AC 输入电源突然停电。（3）电源出现故障停止供电。所以，该解决方案必须由上述三个主要的原因下手。2.1.2 不间断电源的原理（1）正常情况下如果 AC 输入的电压异常，或整流器出现问题时，如果整理器没有输出，那么该电池是由整流器自动替换为直流输入电压，逆变器能直接运作。电网恢复正常时，整流器可以继续工作。（2）当逆变器出现问题时，图 2-1 所示 UPS 不间断电源结构无法实现持续供电。那么方法有：第一，供给备用的逆变单元;第二是供给一种辅助电源旁路。特别是：a，如果有一个逆变备份单元时，当有问题的变频器，立即切换到备用设备，以确保不间断的供电，然后加载仍然得到稳定的交流电压;b. 如果你有一个静态旁路辅助电源，变频器有问题时，快速切换到静态旁路供电，然而，负载获得的电源质量相对差很多，却保障了不间断供电给负载。如果逆变器问题解决，它就可以继续运行。青岛理工大学毕业设计（论文）5（3）如果交流电源输入时有问题，逆变器出现问题，这个时候需要保证 ups 负载还能供电，用逆变器和旁路。当逆变器恢复正常时，向负载供电通过旁路；或者经过逆变器的电流。（4）电源单元需要看情况定时维护，则要断开逆变器，静态旁路，然而还是要以确保不间断向负载提供电作为前提。本设计从