[精品论文]单相在线式数字化UPS的设计(论文)

毕业设计课程定做 QQ1714879127电力电子技术课程设计任务书一、课程设计的目的通过电力电子计术的课程设计达到以下几个目的：1、培养学生文献检索的能力，特别是如何利用Intel网检索需要的文献资料。2、培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。3、培养学生运用知识的能力和工程设计的能力。4、提高学生课程设计报告撰写水平。二、课程设计的要求1. 自立题目1班题目方向：三相可控整流技术的工程应用2班题目方向：有源逆变技术的工程应用3班题目方向：降压斩波变换技术的工程应用4班题目方向：交流调压或交流调功技术的工程应用5班题目方向：升压斩波变换技术的工程应用6班题目方向：变频技术的工程应用7班题目方向：单相可控整流技术的工程应用注意事项： 所立题目必须是某一电力电子装置或电路的设计，题目难度和工作量要适应在一周内完成，题目要结合工程实际。学生也可以选择规定题目方向外的其它电力电子装置设计，如开关电源、调光灯、镇流器、UPS电源等，但不允许选择其他班题目方向的内容设计（复合变换除外）。 通过图书馆和Intel网广泛检索和阅读自己要设计的题目方向的文献资料，确定适应自己的课程设计题目。自立题目后，首先要明确自己课程设计的设计内容。要给出所要设计装置（或电路）的主要技术数据（如输入要求，输出要达到的目标，装置容量的大小以及装置要具有哪些功能）。如：直流电动机调压调速可控整流电源设计主要技术数据输入交流电源：三相380V10% f=50Hz直流输出电压：0220V50220V范围内，直流输出电流额定值100A直流输出电流连续的最小值为10A设计内容：整流电路的选择整流变压器额定参数的计算晶闸管电流、电压额定的选择平波电抗器电感值的计算保护电路的设计触发电路的设计画出完整的主电路原理图和控制电路原理图列出主电路和控制电路所用元器件的明细表2. 在整个设计中要注意培养灵活运用所学的电力电子技术知识和创造性的思维方式以及创造能力要求具体电路方案的选择必须有论证说明，要说明其有哪些特点。具体电路元器件的选择应有计算和说明。课程设计从确定方案到整个系统的设计，必须在检索、阅读及分析研究大量的相关文献的基础上，经过剖析、提炼，设计出所要求的电路（或装置）。课程设计中要不断提出问题，并给出这些问题的解决方法和自己的研究体会。（注意：所确定的主电路方案如果没有论证说明，成绩不能得优；设计报告最后给出设计中所查阅的参考文献最少不能少于5篇，且文中有引用说明，否则也不能得优）。3. 在整个设计中要注意培养独立分析和独立解决问题的能力要求学生在教师的指导下，独力完成所设计的系统主电路和控制电路等详细的设计（包括计算和器件选型）。严禁抄袭，严禁两篇设计报告基本相同，甚至完全一样。4. 课题设计的主要内容是主电路的确定，主电路的分析说明，主电路元器件的计算和选型，以及控制电路设计。报告最后给出所设计的主电路和控制电路标准电路图（最好用电子CAD）。5. 毕业设计用纸和格式统一 A4纸打印（页边距：上下左右各留1.8cm） 大标题：3号字 小标题：4号字 正文：小4号字 要求图表规范，文字通顺，逻辑性强。三、课程设计报告基本格式封面： 电力电子技术课程设计（题目）如：电镀用可控整流电源设计指导教师：苏玉刚设 计 者： 学号：专 业：自动化班 级： 2002 级 1 班设计日期：目录内容：1. 设计的基本要求（给出所要设计的装置的主要技术数据和设计装置要达到的要求（包括性能指标），最好简述所设计装置的主要用途）2. 总体方案的确定原则：达到性能要求 经济性好（一次投资和二次投资） 追求高性能价格比 高可靠性 维护维修方便3. 具体电路设计（主电路设计、控制电路设计等）4. 附录（电路图和元器件明细表等）5. 参考文献重庆大学自动化学院 苏玉刚目录引言 -5UPS的分类:- -52.1.在线式UPS(On-LineUPS,InverterPreferredUPS)-52.2.后备式UPS(Off-LineUPS,LinePreferredUPS) -62.3.三端口UPS(DeltaUPS,InteractiveUPS)-6系统设计-63.1系统技术性能指标-73.2总体设计方案-73.2.1 系统总体设计方案:-73.2.2 UPS主电路拓扑结构方案-83.2.3 主控制单元组成方案-83.3系统主要元、部件参数选择与设计-93.3.1 电力电子模块-93.3.2 主控芯片模块-93.4控制器的设计原理与设计过程-93.4.1 系统控制结构原理-93.4.2 系统控制执行电路-133.5小结:-14总结-14UPS总体结构电路图-14参考文献-15单相在线式数字化UPS的设计引言 最初的UPS电源是在二十世纪六十年代出现的靠电动机所带飞轮惯性提输出电源的质量和提供后备供电时间(一般不超过5秒);然后出现了以蓄电池组供电给直流电动机带交流发电机提供后备电源的供电系统，这种方式供电效率较低再后来是靠内燃机提供后备供电的UPS电源，这种UPS设备庞大笨重、操作不够灵活、而且效率低、噪声大。这些都是动态方式的UPS电源。 随着电力电子学的发展，可实现大功率的电能转换，于是出现了静态UPS,这种UPS具有没有振动、噪音低、体积小、控制灵活、效率高等优点，现代UPS基本上都是静止型的。随着电力电子技术微电子技术的飞速发展，UPS技术也正在朝着高频化、绿色化、网络化和智能化的方向不断前进，具体表现在: a)采用IGBT.智能功率模块IPM或IGCT等作为功率器件，改善了逆变器性能，如降低噪声、减小体积。 b)采用如SPWM调制技术、空间矢量脉宽调制技术(SVPWM)、提高电压利用率的准优化PWM技术以及用于高压高频的HVSOPWM技术等。 c)在主功率部分与控制方式相结合采用软开关技术.软开关技术的应用使变换器具有更高的效率自身损耗大大降低,更高的功率密度自身体积、重量大大减小，以及更高的可靠性;并可有效地减小电能装置引起的电磁污染 (EMI)和环境污染 (噪声等)。 d)输入端采用功率因数矫正技术(PFC)减小了UPS对电网的污染并提高了效率。 e)使用高性能微处理器和信号处理技术控制和监视UPS运行并进行网络 通信。全数字化易于实现计算机的处理和控制，便于修改策略、修控制参数，便于故障监测、自诊断、容错、通信等技术的植入。同时幅度的减少了元器件的数量，提高了装置的可靠性。 f) 采用网络化管理，使用户能更方便的、实时的监控UPS系统的运行。 UPS的分类:现代UPS的型号.品种很多,工作方式也各不完全相同,大体上可分为三大类:在线式、后备式和三端口方式。2.1 在线式UPS(On-LineUPS,InverterPreferredUPS):图1一I为在线式UPS的原理框图。在线式UPS无论市电是否正常，其功率流程都是 “市电-EMI(ElectroMagneticInterference)滤波一整流滤波(掉电时为电池)-逆变器-静态开关-输出”。只有当逆变器发生故障或过负荷时,才通过静态转换开关切换到市电旁路，其功率流程是 “市电-EMI滤波-静态开关-输出”。有的用户还备有柴油发电机，可以在市电停电5-10秒之内投入 到UPS电源的输入端，可以在长时间停电的情况下向用户提供高质量的正弦波 电源。图1一1只是在线式UPS的大体框架，有几种不同设计:有的UPS将充电器部分和整流滤波部分设计成一个单元，既为逆变器提供负载电流，又为电池充电;有的UPS将进入逆变器的直流电进行DC/DC变换，升压后再经逆变器变换成要得到的220V交流电;有的UPS则在逆变器后加工频变压器将输出交流电压升到220V. 2.2.后备式UPS(Off-LineUPS,LinePreferredUPS) 后备式UPS的原理结构和在线式基本一样，但工作方式不一样。市电电压 在170-264V的范围内时，它向用户提供经变压器抽头调压处理的一般市电电源，仅当市电电源电压低于170V或高于264V时，才向用户提供真正的逆变器 输出的高质量的正弦波电源。还有一种逆变器输出是方波的后备式UPS,这种电 源不允许用户使用电感性负载。 2.3.三端口UPS(DeltaUPS,InteractiveUPS) 三端日UPS如图1-2所示，它的结构与在线式和后备式不同。市电正常时，市电经滤波稳压后通过三端口转换开关(有的是三端口变压器)分别给输出和双 向变换器，双向变换器整流给电池充电:当市电掉电时，双向变换器逆变经三端 口转换开关给负载供电。 三端口UPS又分成在线互动式、Delta变换型和三端口结构方式。在线互动 式当电源电压在180-240V时，直接供电，在150-180V或240276V时采用变压器抽头稳压方式稳压，其余范围采用逆变器供电;Delta变换型在电源电压波动小于士15%,频率波动小于土3HZ时采用串联补偿变压器交流稳压控制技术方式稳压，其他范围使用逆变器供电;三端口结构方式利用铁磁谐振变压器的谐振原理稳压。可以看出它们只是稳压方式不同，但有一个共同点:都有一个双向变换器在市电正常时整流给电池充电，市电质量差到一定程度时逆变给负载供电。从上面介绍的UPS种类来看，在线式UPS的性能是最好的,下面设计就选用在线式结构:系统设计3.1系统技术性能指标系统容量 系统设计功率 3.35KVA 带负载能力 系统过载120% 运行一分钟 交流输入 标称电压 220V110% 标称频率 50Hz5% 相数 1相 旁路输入 标称电压 220V110% 标称频率 50Hz5% DC系统 标称DC电压 218V 截止电压 165相数 1相 标称电压 220V5% 标称频率 50Hz0.5 交流输出 输出波形 正弦波 3.2总体设计方案系统主要由UPS主电路拓扑结构、主控单元、各种系统信号检测电路、保护电路、充电器、逆变驱动、辅助电源、键盘和显示、远程通信接口等电路组成。3.2.1 3.75kVA数字化在线式单相UPS的系统总体设计方案:3.2.2 UPS主电路拓扑结构方案:UPS电源主电路拓扑结构是UPS的功率组成部分。其山市电输入整流桥B1.直流母线BUS.直流母线限流电阻R1、直流稳压滤波电容C1.1GBT功率逆变桥,输出变压器T1及输出滤波电容C2等电路组成。其中由四个绝缘栅极型晶体管IGBT组成的逆变桥(S1-S4)和输出变压器T1及输出滤波电容C2组成的UPSiE 弦逆变电源是UPS设计中的主要被控对象3.2.3主控制单元组成方案其相应的功能组成如下: (1)产生驱动IGBT模块的脉冲信号 (2)对IGBT模块进行瞬时保护 (3)使UPS输出电压稳定、改善UPS输出波形 (4)对电池状态及充放电参数进行监控 (5)与外围接口电路(CPLD)一起共同完成键盘输入与LCD显示功能 (6)提供UPS系统运行状态的远程监控接口3.3 系统主要元、部件参数选择与设计3.3.1电力电子模块 电力电子模块是构成UPS逆变器的关键部件之一，它的质量优劣对系统性能 影响较大。以本设计功率335KVA计算，输出功率因数为0.8，直流母线电压大约为220V，则需选择的电力电子模块的主要参数如下:(1)BVceo(器件击穿电压) BVceo=(3-4)V, =(3-4)x11OV =330-440V 上面等式前的系数是考虑了系统3-4倍的裕量,，Va取110V是因为一个桥臂上有两只电力电子器件串联共同分压。根据计算，选择BVceo为V600.(2)Icat(最大通流电流) 1cm=Po/&E 考虑到蓄电池放电终了时，仍能维持满载输出:另外考虑到占空比S 为0.3时，也能维持满载输出，则Icm= 3xl000/(0.3xl6xl0.5)=60A3.3.2 主控芯片模块 考虑到数字化控制系统的快速性，方案中所选DSP主控芯片为TI(Texas Instruments)公司的TMS320LF2407芯片，它具有高速信号处理和数字控制功能所必须的结构特点: (1)40MHz的内部时车.下卜，指令周期仅为25ns; (2)高达32K的FLASH程序存储空间; (3)16K字x16位的闪速EEPROM(FLASHEEPROM); (4)两个事件管理模块(Event-ManagerModule) 。12路CMP(PWM输出); 。3个16位定时器; 。3个具有死区控制的16位全比较单兀，3个16位单比较单元; (5)十位A/D转换器(最小转换时间仅为500ns);3.4 控制器的设计原理与设计过程3.4.1 控制结构原理:为了结合实际设计的情况、简化设计，我在上述分析上述各控制器策略的基础上，将数字伺服系统的控制原理运用于单相UPS正弦逆变器控制设计中，设计了自己的单相UPS正弦逆变控制器。其设计的基本思想是:将UPS的逆变电源看作一个参考正弦波的随动系统，即其输出始终跟随标准正弦波，设计中将控制系统中分为内、外两环。在被控对象数学模型分析中，将输出负载电流视为对系统的扰动，通过内环状态反馈来消除扰动.实现输出的稳定，减少输出电压的总谐波畸变率(THD)，同时根据数字无差拍控制的原理通过状态反馈将系统极点配置在零点，以实现输出对参考正弦波的快速跟随，从而提高系统的动态响应性能,实现系统的无差拍响应.在三外环路的控制中，利一个简单的积分器来消除系统输出的睁态误差，从而提高了系统的静态响应性能。综合上述，单相UPS逆变控制器结构原理图如图:图中 的 E 为直流母线电压和输出变压器的变比之积，相当于全桥逆变模块( 此时的输入为PWM平均电压输入)和输出变压器对控制量的功率放大单元。将反馈电压衰减220万倍一方面是为了作归一化处理，另一方面相当于逆变输出电压检测中对反馈信号进行的降压处理。r(k)为单位参考正弦波。图中 可 以 看出，此控制器由两部分组成。一是由状态反馈组成的内环，它的作用在于对系统的镇定(无负载的情况下)和减少负载电流对输出电压的影响，从而达到稳定输出电压,提高系统动态响应性能的目的;系统的外环是由输出反馈与一个误差积分器组成的。积分器的作用相当重复控制器的作用，用以减少系统的静态误差同时稳定系统输出频率及相位。之所以没有使用重复控制器，是因为积分器的结构简单却能得到令人满意的效果。由闭环状态反馈系统图可得，系统的输入方程为:令,则积分器的方程为:于是:同理可推得:对于整个闭环系统，可以得到下列状态方程和输出方程式中所以，如何来确定参数K和K:是控制系统设计的关键.对于阶跃输入r(k)=r响应，当k趋向无穷大时，x(k),v(k),io(k)趋向常数。将k=。代入上述状态方 程，可得定义:则由式3,27和式3.29可得定义:则3.31式可以改写为式中方程式333与3.34表现为标准的状态空间方程形式，如图3.12所示。其有两个输入端，一个是系统自身的状态反馈;另一个是负载误差电流，其相当于系统的干扰输入项。根据状“态反馈IC矩阵是基于由干扰引起的误差很快减小到零的原则建立的”这一原理，增益矩阵K可以用极点配置方法求出。闭环状态反馈系统图数字控制系统的无差控制原理指出，当将系统的极点配置在原点时，系统的响应是无差拍的。这样，期望的状态反馈增益矩阵无可以由Ackermann公式得到:进而可以求得UPS正弦逆变控制系统的参数K,Ki.3.4.2 系统控制执行电路 UPS系统组成中，为完成一定的控制功能，必须备有一套系统控制执行电路。系统电源启动电路图图5.9为系统电源启动电路.当图中RUN与OFF相互短接时，引起Q9导通 进而Q4,Q5导通，系统工作电源启动。二极管D23送出直流电池电压。系统电源关断电路图由于UPS在电池供至电放电终了时，整个系统必须关机;因此系统电源开启后应能被控制关断。当控制器检Aa到电池电压低时(低于165v)，送出BATLL电池 电压低信号，经比较器U15放大触发U13复位。触发器U13的友泣将使月图cn Gti的光祸U1TLP521的3,4脚导通从而关断Q9关断，进而Q4,Q5也被关断,系统供电中止。3.5 小结: 本文基于数字伺服控制算法的UPS正弦逆变器控制策略, 进而提出了一套基于DSP的单相在线式数字化UPS的设计方案与设计方法.为