毕业论文-在线式三相ups设计与仿真

本科毕业设计在线式三相UPS设计与仿真燕山大学2012年6月摘要随着现代工业的发展,供电网络的负载越来越复杂,特别是大型用电的负载,对供电质量要求较为严格。电网的供电若受到外界因素的干扰会导致电网供电质量发生异常，导致接在电网上的设备发生失控、丢失数据、停机、损坏等严重后果,直接影响到用户的正常工作,造成经济损失或其他严重事故。UPS是一种能为负载提供连续电能的供电系统，己从最初的提供后备时间的单一功能发展到今天提供后备时间及改善电网质量的双重功能，在保护数据，改善电网质量，防止停电和电网污染对用户造成危害等方而起很重要的作用。本文在分析在线式三相UPS工作原理基础上，设计并仿真一种适用于在线式三相UPS的充电和放电电路，提高了对负载供电的稳定性。采用电流可逆复合斩波电路，设计了一个在线式三相UPS系统中蓄电池储能/释能控制的双向DC/DC变换器；针对市电正常和异常的两种状态，设计了一种利用蓄电池充放电控制方案，解决对负载供电的连续性的要求。当市电正常时，蓄电池母线吸收能量储能，双向DC/DCDC变换器工作于BUCK电路模式；当市电异常时，蓄电池向负载释放能量，双向DC/DC变流工作于BOOST电路模式。本文根据负载供电端电压稳定的要求，完成了双向DC/DC变换器闭环控制参数设计。MATLAB仿真结果表明，本文设计方案实现了蓄电池储能/释能控制，实现了UPS系统能量供需的不间断性的要求。关键词UPS；储能；双向DC/DC变换器；蓄电池；充放电。ABSTRACTWITHTHEDEVELOPMENTOFMODERNINDUSTRY,POWERSUPPLYNETWORKLOADMOREANDMORECOMPLEX,ESPECIALLYLARGEELECTRICITYLOAD,THEPOWERSUPPLYQUALITYREQUIREMENTSMORESTRINGENTIFTHEPOWERSUPPLYISPOWERGRIDOFEXTERNALFACTORSINTERFERENCECANLEADTOPOWERSUPPLYQUALITYANOMALIES,LEADTOMEETINTHEPOWERGRIDOFTHEEQUIPMENT,THELOSTDATA,OCCURBECAUSEDOWNTIME,DAMAGEANDSERIOUSCONSEQUENCES,DIRECTLYAFFECTSTHENORMALWORKOFTHEUSER,ECONOMICDAMAGEOROTHERSERIOUSACCIDENTSUPSISAKINDOFCANPROVIDECONTINUOUSLOADOFELECTRICPOWER,POWERSUPPLYSYSTEMS,FROMTHEINITIALOFFERHASASINGLEFUNCTIONRESERVETIMETOTODAYPROVIDEBACKUPPOWERQUALITYTIMEANDIMPROVETHEDOUBLEFUNCTION,INTHEPROTECTIONOFDATA,ANDIMPROVETHEQUALITYOFPOWER,POWERCUTSANDPOWERGRIDTOPREVENTPOLLUTIONHARMPARTYANDSUCHASUSERHASAVERYIMPORTANTROLEBASEDONTHEANALYSISOFTHEONLINETHREEPHASEUPSWORKBASEDONPRINCIPLE,DESIGNANDSIMULATIONAPPLIESTOTHEONLINETHREEPHASEUPSCHARGINGANDDISCHARGINGCIRCUITANDIMPROVETHELOADPOWERSUPPLYSTABILITYTHECURRENTREVERSIBLECOMPOSITECHOPPEDCIRCUIT,DESIGNOFATHREEPHASEUPSSYSTEMOFONLINEBATTERYENERGYSTORAGE/RELEASECANBECONTROLOFBOTHDC/DCCONVERTERWHENTHEUTILITYNORMAL,STORAGEBATTERYBUSBARTOABSORBENERGYSTORAGE,TWOWAYDC/DCDCCONVERTERWORKINGINBUCKCIRCUITMODELWHENTHEUTILITYANOMALIES,STORAGEBATTERYTOLOADRELEASEENERGY,TWOWAYDC/DCCONVERTERWORKINGINBOOSTCIRCUITMODELINTHISPAPER,ACCORDINGTOTHEREQUIREMENTSOFTHESTABLEPOWERSUPPLYVOLTAGEOFTHELOAD,COMPLETINGTHETWOWAYDC/DCCONVERTERCLOSEDLOOPCONTROLPARAMETERSDESIGNMATLABSIMULATIONRESULTSSHOWTHATTHEDESIGNSCHEMEREALIZEDBATTERYENERGYSTORAGERELEASECANBECONTROL,REALIZETHEUPSSYSTEMOFSUPPLYANDDEMANDOFINTERMITTENTNOTENERGYREQUIREMENTSKEYWORDSUPSENERGYSTORAGEBIDIRECTIONALDC/DCCONVERTERBATTERYCHARGEANDDISCHARGE目录摘要IIABSTRACTIII第1章绪论II11UPS及应用212UPS技术现状213UPS发展趋势414本文主要研究内容5第2章系统整体结构方案721系统整体方案构成722系统模块结构方案823本章小结10第3章整流和升压模块设计方案1131整流模块工作原理1232整流模块主要数量关系1333升压模块设计方案1334BOOST电路工作原理1435开环电路参数设计1436闭环电路工作原理和设计1537本章小结18第4章蓄电池充电和放电模块设计方案6941蓄电池充电电路工作原理和设计2042蓄电池放电电路工作原理和设计2243蓄电池闭环控制方案2344本章小结25第5章逆变器和输出滤波器设计方案2651逆变器工作原理2752逆变器控制技术2853输出滤波器的设计3654输出滤波器原理和参数设计3755本章小结37结论38参考文献39致谢411附录142开题报告42附录247文献综述47附录353中期报告53附录459外文文献中文翻译59附录565外文文献65第1章绪论11UPS及应用近几年，境外主要电源供应商逐渐看好中国电力电子电源市场，纷纷把重点转向中国内地。目前，跨国公司在国内电源市场占有主导地位，如艾默生EMERSON、APC、梅兰日兰、伊顿爱克赛。现在中国本土也已形成一批超亿元的电源企业，如中兴通讯、厦门科华、武汉洲际、烟台东方电子信息集团等。他们有较强的技术力量和开发能力。科技部近期设立2亿元的电力电子项目专项资金，国家发改委专门在近期发文启动专项课题，用于推进电力电子技术和产业的发展，包括应用装置的产业化、重点围绕节能、交通、电力、冶金等领域需求。支持应用具有自主知识产权芯片和技术的电力电子装置。UPS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影响到电网的供电质量。由于以上因素的影响,可能会导致接在电网上的计算机设备,包括通信医疗等精密的工业仪器设备发生失控、丢失数据、停机、损坏等严重后果,直接影响到用户的正常工作,造成经济损失或其他严重事故。UPS是一种能为负载提供连续电能的供电系统，作为计算机的重要外设，己从最初的提供后备时间的单一功能发展到今天提供后备时间及改善电网质量的双重功能，在保护计算机数据，改善电网质量，防止停电和电网污染对用户造成危害等方而起很重要的作用1。如何解决这些市电问题,正是UPSUNINTERRUPTIBLEPOWERSYSTEM不间断电源的责任。所在以单片机为控制核心的UPS电源可以为各种设备机器提供高质量的电源2。电源在几十年的发展中经历了晶闸管、功率晶体管、IGBT、IPM等不同的发展时期，电路结构经历了后备式、在线互动式、在线式等不同的形态。未来UPS技术将进一步朝着数字化、模块化、绿色化、智能化、高频化等几个主要方向发展。UPS概述UPS是一种能为负载提供连续电能的供电系统，作为计算机的重要外设，己从最初的提供后备时间的单一功能发展到今天提供后备时间及改著电网质量的双重功能，在保护计算机数据，改善电网质量，防止停电和电网污染对用户造成危害等方面起很重要的作用。UPS分类后备式UPS，在线式UPS，在线互动式UPS，DELTA变换式UPS。12UPS技术现状随着电子器件的发展1，使UPS向小型化、高效率、高可靠性发展。而网络智能化UPS技术和全数字化UPS技术的出现，不仅提供完全可靠的网络电源管理，也为节能、环保提供了一种最佳的解决方案。所以UPS电源技术总的发展趋势是逐步向小型网络智能化和全数字方向发展。随着科学的进步，UPS电源技术在不久的将来会开辟一个更新的领域。高频化虽然传统在线式UPS的技术已经非常成熟2，由于它本身带有许多无法突破的问题，使其发展前途受限。高频化概念的引入，给UPS的发展带来了许多新的思路和空间。随着高频技术和器件的发展，3KV及以下的高频在线式UPS的技术和产品已经成熟，其功能和可靠性均应高于传统UPS。高频化对于减小体积、降低成本以及对非线性负载有更好的响应上起着重要的作用。智能化微处理器在UPS上的应用，过去只在大、中型UPS上采用，但近年来已逐渐向小型、微型UPS方面发展，其带来的结果是UPS的智能化发展，包括控制、检测和通信。UPS逐渐由计算机来进行管理，并且计算机及外设能“自主”应付一些可能预见到的问题，能进行自动管理和调整，如自动关闭宿主计算机的操作系统并关闭其电源，定时开关UPS本身等，并能将有关信息通过网络传递给操作系统或网络管理员，便于进行远程管理。网络化把UPS做为网络家庭一个成员的要求越来越迫切，因为它是网络能正常运行的基础。要求UPS拥有更大的蓄电量、可以同时为多台计算机或其它外设服务，并能够通过某种机制达成负载之间的动态配置。大容量单机冗余化由于网络对UPS可靠性的要求越来越高，而解决可靠性的途径除要求元器件本身高可靠外，就是用冗余的方法。小容量UPS的单机内冗余已出现。而大容量的UPS目前还必须通过并机的方法实现，但这样作又使用户投资太大。毫无疑问，使用INTERNET技术监控UPS系统将成为未来UPS技术的主流之一。13UPS主要发展趋势主要研究成果对UPS的研究成果主要体现在对技术的研究上，其主要体现31功率变换技术UPS一个主要的发展趋势就是小型轻量化，这就涉及到主电路结构的简化。各种结构更简单，性能更优越的电路拓扑的研究是当前一大热点。产品的小型轻量化趋势对于UPS来说其开关器件的高频化要求是必然的。第一代UPS的功率开关为可控硅，第二代为功率晶体管，第三代为场控型器件MOSFET和IGBT。功率晶体管开关速度比可控硅高一个数量级，场效应晶体管MOSFET比功率晶体管又高一个数量级，而IGBT功率器件电流容量比MOSFET大得多，且导通电阻小，工作频率比MOSFET低，但也可以使功率变换电路的载波频率高达50HZ。开关频率的提高可以有效地减小装置的体积和重量，并可消除变压器和电感的声音噪声，同时改善输出电压的动态响应能力。在UPS输入端采用高频整流，可以获得较高的功率因数，较低的谐波电流，使UPS具有较好的输入特性。用高频隔离装置可以取掉笨重的工频隔离变压器，进一步减小装置的体积和重量。2数字控制技术最初的UPS采用模拟控制方法有以下局限性3电路结构复杂，元器件多，因器件特性差异造成各电源特性有所差别，电源一致性不好。一旦控制方法变动，必须修改硬件控制板，工作量大，设计周期长。因为硬件电路的局限性，一些先进的控制方法用模拟电路实现很困难或者无法实现。随着数字处理器计算速度的不断提高，使得各种先进的控制方法得以实现，使UPS的设计具有很大的灵活性，设计周期缩短，性能大为提高。大多数UPS使用数字模拟混合电路或8位微处理器作为控制核心，部分公司采用了高档微处理器16位主机，主频160MHZ，具有强劲数据及逻辑运算能力的芯片运行相对单一和规模不大的程序，极大加快了控制速度，使UPS的性能大大提高。这些UPS不仅有很强的故障诊断和自我保护能力以及通信能力，还具有友好的人机通信界面，而且减少了控制电路，提高了可靠性。3UPS的监控及网络管理技术为了适应计算机网络的发展3，UPS中已经开始配置RS232接口、RS185接口、SNMP卡和MODEM，成为计算机网络的一部分。这可使UPS具有以下优异特性1实时监控功能。它对UPS电源的各模拟参量市电的输入电压、电流和功率因数，电池组的充放电电压、充放电电流，逆变器的充放电电压、电流、功率因数及波形失真度，逆变器电源和交流旁路电源的相位差和瞬态电压差等运行参数进行实时高速采样，实现数字式监控。类似的，对UPS中的表示工作状态的开关量（主电源与交流旁路电路的输入与否，断路器的接通与断开，输入保险丝是否完好，电池组短路开关及静态开关的接通与断开等进行实时监控。2自诊断、自保护功能。UPS将实时采集来的各项模拟参量和工作状态数据以及系统中的关键硬件设备的数据与正常值进行分析比较，以判断UPS电源是否有故障隐患存在。如果有故障，根据相应的故障信息级别在控制面板的显示屏上以友好的图形界面、文字提示方式报警，或者在现场和控制室以指示灯光、报警器鸣叫方式报警，也可以用自动拨通电话等方式报警，并作出相应的保护动作。3人机对话的控制方式。大型UPS电源可向用户提供监控器液晶显示屏以图形和文字方式显示工作流程和参数信息，可以提供让用户操作的可视化菜单，并以帮助和不断提示的方式引导用户按照既定方式处理故障，有效防止误操作。4远程控制功能。由于UPS和计算机网络融为一体，在远离UPS电源机房的计算机网络上的任一个管理平台上经过身份校验后，可以对访问网络中的任一个UPS电源的各种资料以及远程控制，从而实现特性。采用高频隔离装置可以取掉笨重的工频隔离变压器，进一步减小装置的体积和重量。4冗余并联技术4目前不少UPS单机可靠性已很高，整机平均无故障时间MTBF可以达到50万小时。而在一些特别重要的场所如银行、民航、石化、电信、通讯社、军队等的计算机和网络的供电是不允许有任何间断的，所以单机UPS的可靠性还无法满足，需要采用双机或多机并联冗余备份，来提高整个系统电源的可靠性。在以UPS为电源的交流供电系统中，因负载的增加需扩大电网容量时，一般可以通过两个方案来解决方案一是提高单台UPS的设计容量，这就要求采用具有更高电压和电流耐量的功率开关器件，并且需要对原UPS的结构与电路参数进行重新设计、计算方案二是以原有的UPS为基础，通过并联技术使多台UPS并联运行，以提高电网容量。很显然采用方案一需要较大的工作量，而且新型UPS的可靠性和稳定性都需要较长的实践检验。而方案二只要采用可靠的并联技术，就可以使得UPS稳定工作，可以节省大量的人力物力。所以UPS冗余并联技术是提高UPS源系统可靠性，扩充系统容量的有效方法，UPS冗余并联技术的发展过程表现了以下的特点模块化设计，实现完全冗余并联的单元数越来越多无需专门的外部控制设备，并联操作更加简单灵活控制策略更加复杂，控制方法由经典控制理论向现代控制理论转变采用全数字化控制技术无连线并联将成为研究热点。随着现代控制思想的逐渐引入，各种控制策略的提出、发展和完善，配以高性能的硬件设备,UPS冗余并联技术将得到很快发展，它将使UPS得到更广泛的应用。14论文研究主要内容研究的基本内容，拟解决的主要问题。鉴于前述的UPS的重要作用，本课题选择UPS作为研究对象。一般的UPS电源都应包括如下部分L交流输入滤波回路及整流回路；2蓄电池及充电回路；3PWM脉冲宽度调制型的逆变器；4各种保护（过流和限流，过压，空载保护，电池电压过低，电池极性和交流极性检测电路；5交流市电供电与蓄电池供电之间的自动切换装置及静态开关装置；6逻辑驱动回路。近年来利用微处理芯片作为逆变器和DC/DC变换器的电力电子器件的驱动电路；本课题根据实际要求，包括以下部分三相不可控整流电路，对三相交流电进行滤波。DC/DC变换器，采用BOOST升压电路。三相半桥逆变器电路，对母线电压或者蓄电池输出的直流电压进行逆变，输出给负载。双向DC/DC变换器电路。实现蓄电池的充放电。蓄电池。选择蓄电池的模型对本设计尤为重要，因为本课题设计的核心内容实现对蓄电池的充放电针对上述几个方面的要求，本文设计了三相在线式UPS系统，容量为5KVA除了实现三相正弦输出外，还完成了对蓄电池充放电的闭环控制，以及对DC/DC变换器的闭环控制。在理论分析的基础上，建立了数学模型，实现MATLAB仿真，论证了所选用的功率回路结构和控制方法的合理性，对方案的实施细节也给予了详尽的阐述。第2章系统模块结构方案21系统整体方案本课题根据实际要求，包括以下部分系统整体框图三相不控整流三相半桥逆变蓄电池三相输出滤波器负载双向DC/DC变换器DC/DC变换器在线式UPS系统整体结构框图能量流动图市电能量P负载能量P1蓄电池能量P2市电正常充电市电异常放电市电正常或异常时系统能量流动图UAUBUCABCVD1VD3VD5VD2VD4VD6负载系统整体结构方案1三相不可控整流电路，对三相交流电进行整流。DC/DC变换器，采用BOOST升压电路。三相半桥逆变器电路，对母线电压或者蓄电池输出的直流电压进行逆变，输出给负载。电流双向DC/DC变换器电路。实现蓄电池的充放电。工作原理如下当市电正常时，输入电压经过整流电路及升压电路，一路给逆变器提供电压，逆变器输出经过滤波电路将SPWM波形变换成纯正弦波，另一路送入充电器给蓄电池补充能量。UPS由市电经过整流滤波器、升压电路、逆变器给负载供电，并且由逆变器来完成稳压功能。当市电出现故障无市电，市电电压过高或过低时，UPS工作在后备状态，此时UPS由逆变器将蓄电池的直流电压升压后转变成交流电压输出到负载。由此可见，对于在线式UPS，无论市电是否正常，其输出总是由逆变器提供，所以在市电故障的瞬间，UPS的输出不会有任何间断。另外，由于在线式UPS有输出滤波器，市电的交流输入经整流器变为直流，再由逆变器逆变为交流，所以几乎所有来自电网的干扰经过UPS以后都能得到很大程度的衰减；同时逆变器的稳压功能很强，所以在线式UPS能给负载提供干扰小，稳压精度高的电源。针对上述几个方面的要求，本文设计了三相在线式UPS系统，容量为5KVA除了实现380V三相交流正弦输出外，还完成了对蓄电池充放电的闭环控制，以及对BOOST变换器的闭环控制。在理论分析的基础上，建立了数学模型，实现MATLAB仿真，论证了所选用的功率回路结构和控制方法的合理性，对方案的实施细节也给予了详尽的阐述。23系统模块结构方案（1）输入整流器部分方案，UPS内部蓄电池、逆变器及控制电路均需要直流电，所以UPS内部必须有整流电路。其主要功能有将交流电变换成直流电；具有输出电压保持能力；抑制电网的干扰信号等功能。由于本课题设计的为5KVUPS，整流电路选择三相不控整流方案。三相不控整流具有无需控制，运行可靠，设计简单，满足设计要求。（2）升压电路方案。方案采用BOOST升压电路方案，以保证系统对逆变器的输入电压，升压电路采用闭环设计，保证对逆变器输入的电压稳定。因为三相输出电压随着负载的增加而减小，所以三相电压的输出时不稳定的，必须设计成闭环。三相整流桥将三相交流电变成带有一定纹波的直流电压。由于逆变电压要求为600V，而整流桥后电压过低并且含有纹波，并不适台直接给逆变器供电，而需要直流升压后才能给逆变器供电。所以直流升压变换器在本系统中是必不可少、极为重要的组成部分。（3）对蓄电池的充放电控制。对蓄电池采恒压充电方法，即分段恒压充电，充放电闭环控制方案，保对蓄电池的输入和输出的稳定性。实现蓄电池和母线之间的双向DC/DC变换器采用电流双向半桥逆变器电路，即实现蓄电池与母线之间的充放电过程。对蓄电池充放电控制进行研究,因此主电路选取双向DC/DC变换器（如图）此主电路工作在BUCK模式和BOOST模式下分别相当于BUCK变换器和BOOST变换器为了确保系统能够正常工作，必须保证高电压源端和低电压源端协调工作，对系统能量进行双向管理其核心是根据高电压源端和低电压源端的状态，来控制双向变换器能量传输的方向，使其工作在BUCK,BOOST工作模式，以此来控制蓄电池的充放电。Q1Q2D1D2L1CHCLUBAT电流双向DCDC变换器（4）逆变器方案。逆变器主电路母线电压由BOOST变换器或蓄电池提供，如前所述。逆变器采用半桥逆变电路。相对比于全桥逆变，半桥逆变具有如下特点三相输出可以适应负载100不平衡，如果由全桥逆变实现同样的功能则需要12只开关管，电路成本增加，可靠性降低。如果采用全桥逆变，后面必须再加一个变压器，否则完不成三相四线交流电压的输出，而半桥逆变则没有这个必要。半桥逆变三相之间没有耦合关系，故可以分相独立控制，控制相对比于全桥逆变器来说简单。23本章小结通过上述分析可知，本章对于在线式三相UPS系统的结构方案作出来了具体的阐述，以及对系统的各个结构采用了初步的模块。对系统的整流和升压模块做了简要的概述，对蓄电池的充电和放电模块做出了详细的阐述。逆变器的结构方案论述了采用的合理性和优越性。采用了合理的模块方案，为后面的设计和仿真奠定了坚实的基础。第3章整流和升压模块设计方案31整流模块工作原理311三相桥式整流电路工作原理三相不控桥式整流电路如图31所示UAUBUCABCVD1VD3VD5VD2VD4VD6图中六个二极管分为两组，其中奇数组VD1、VD3、VD5的阴极连在一起，称为共阴极组，偶数组VD2、VD4、VD6的阳极连在一起称为共阳极，异名电极相连后接电源，同名电极相连后接负载。共阴极性组中阳极电位最高的二极管将优先导通；共阳极组阴极电位最低的二极管将优先导通。具体分柝如下。在0T1期间，C相电位为正，B相电位为负，A相电压尽管也为正，但低于C相电压。因此，在这段时间内C点电位最高，B点电位最低，于是共阴极组中VD5和共阳极组中VD4导通。VD5导通后，又使VD1和VD3的阴极电位基本上等于C点电位，因此两管截至。而VD4导通后，又使VD2和VD6的阳极电位接近B点的电位。故VD2和VD6也截至。如果忽略正向管压降，在此期间加在负载上的电压就是线电压UCB，其电流通路为CVD5RLVD4B。在T1T2期间，A点电位最高，B点电位仍然最低，因此VD1、VD5导通，其余四个二极管都截止，电流通路是AVD1RLVD4B。负载上的电压就是线电压UAB。其他时间段二极管的导通情况和负载电压的波形和上述推导过程类似，电路电压波形如图32所示。导通特点是各组二极管每隔1/6周期交换导通一次，但每个二极管导通1/3周期，任何时刻负载上得到的均为电源的线电压。32整流模块主要数量关系主电路主要数量关系（1）输出电压平均值三相桥式整流负载上的电压为脉动的线电压，空载时，输出电压平均值最大，为UO245U2。随着负载加重，输出电压平均值减小，至RC1732进入ID连续之后，输出电压波形成为线电压的包络线，其平均值为UD234U2。可见，UD在234U2245U2之间变化。（2）电流平均值输出电流平均值IR为（3RUID1）因此（3RDI2）在一个电源周期中，ID有六个波头，流过每一个二极管的是其中的两个波头，因此二极管电流平均值为ID的1/3，即（33RVDI3）3二极管承受的压降二极管承受的最大反向电压为线电压的峰值，为245U2。输出电压VUO5374233升压模块设计方案电流双向DCDC变换器在各类电源中得到了大量应用。本章分析了BOOST变换器工作原理，并在设计变换器的PI调节器中得到应用，运用MATLAB仿真电路，验证了结果。设计了BOOST电路的闭环控制，运用运算放大器，比较器，PI调节器，实现电路的闭环控制。BOOST电路工作原理U2LD1RC1Q2假设电路中电感L很大，电容C值也很大。当V处于通态时，电源E向电感L充电，充电电流基本恒定为I1，同时电容C上的电压向负载R供电，因C值很大，基本保持输出电压UO为恒值，极为UO。设V处于通态的时间为TON，此阶段电感L积蓄的能量为EI1TON。当V处于断态时E和L共同向电容C充电，并向负载R提供能量。设V处于断态的时间为TOFF，则在此期间电感L释放的能量为（UOE）I1TOFF。当电路工作于稳态时，一个周期T中电感L积蓄的能量与释放的能量相等，即（311OFONTIEUTIE4）简化得（3TOFOFN5）上式中的T/TOFF大于等于1。输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。升压斩波电路之所以使输出电压能够高于电源电压，关键有两个原因一是L储能之后具有使电压泵升的作用，二是电容C可将输出电压保持住。在以上分析结果中，认为C值不可能为无穷大，在此阶段其向负载放电，UO必然会有所下降，故实际输出电压会低于所计算的结果，不过，在电容C足够大时，误差很小，基本可以忽略。342开环电路参数的设计电路参数占空比D,电感L,电容C计算如下根据计算参数（3165301IOVD6）求的占空比（3087）电感（3HFRDLS1475501227364218）电容（3FFRCS7805072689）343闭环电路工作原理和设计所用到的器件是比较器，运算放大器，PI调节器。PI调节器工作原理如下采用模拟控制时，可以用运算放大器来实现PI调节器，其线路如图PI调节器图INUEXU1BAR1C1R0II比例积分PI调节器原理图图中UIN和UEX分别表示调节器输入和输出电压的绝对值，图中所示的极性表明它们是反相；RAB1为运算放大器通向输出端的平衡电阻，一般取反相输入端个电路电阻的冰恋之，按照运算放大器的输入输出关系，可得（3DTUKDTCRININPIINOINOEX11110）式中KPIPI调节器比例不分的放大系数（31OPIR11）PI调节器的积分时间常数（31CO12）由此可见，PI调节器的输出电压UEX由比例和积分两部分叠加而成。初始条件为零时，取式中两侧的拉式变换，移相后，得PI调节器的传递函数（3SKSUSWPIPIINEXPI1113）令11CRKPI则调节器的传递函数也可以写成如下形式（3SKSWPIPI1114）式中，PI调节器也可以用一个积分环节和一个比例微分环节来表示，1是微分项中的超前时间常数，它和积分时间常数的物理意义是不同的。在零初始状态和阶跃输入下，PI调节器输出电压的时间特性如图所示INUEXPINKUINUEXEXM从这个图可以看出比例积分作用的物理意义。突加输入电压UIN时，输出电压UEX首先突跳到KPIUIN，保证了一定的快速响应。但因此快速性被压低了，换来对稳定性的保证。如果只有在还有积分不分。在过渡过程中，电容C1由电流I1恒流充电，实现积分作用，使UEX线性增长，相当于在动态中把放大系数逐渐提高，最终满足稳态精度的要求。如果输入电压UIN一直存在，电容C1就不断充电，不断进行积分，知道输出电压UEX达到运算放大器的限幅值UEXM时为止，称作运算放大器饱和。为了保证线性放大作用并保护系统各环节，对运算放大器设置输出电压限幅值是非常必要的。BOOST电路闭环设计方案如图所示通过学习可以知道，在开关管闭合的期间，电压源给电感储能。在开关管断开期间，由电源和电感一起为负载提供能量，所以实现了升压。闭环工作原理如下通过学习可以PWM原理得知，在取输出电压的一分部与给定值相比较，取两者的差值，然后通过PI调节器，通过PI调节器的目的是反馈值与给定值比较的结果直接送给PI调节器，PI调节器的输出值与锯齿波相比较，直接驱动电力电子开关管。当市电380V输出整流桥后，变成UO245U2535V，所以输出BOOST电路的电压为535V，BOOST工作原理前面已经介绍，下面讨论闭环设计方案由于采用逆变器的输出电压为600V，所以在输出端采用6V的给定电压值，采样BOOST输出端电压的1/100，与给定值6V相比较，其输出电压经过PI调节器，经过比例积分作用，给三角波相比较，通过学习PWM知识可知，比较的幅值直接驱动MOSFET管，来控制MOSFET的开通和关断。通过调试结果，选取PI调节器的KP12，KI1000。得到的波形符合设计要求。其仿真输出波形结果如图35本章小结通过上述分析可知，本章对于系统的整流模块和升压模块做出了具体的阐述。对整流模块，分析了采用三相不可控整流模块的优点和工作原理，计算了整流模块的主要参数；对升压模块，在分析BOOST电路的工作原理的同时，设计了BOOST电路的闭环方案，仿真得出的结果比较合理，闭环电路的参数设计采用了模糊算法，在具体的仿真中验证了选用参数的合理性。整流和升压模块的合理和优越性，为后面的逆变器和蓄电池充电方案提供了可靠的保证。第四章蓄电池充电和放电模块设计方案41蓄电池充电电路工作原理和设计蓄电池充放电设计UPS之所以能够实现不间断供电，就是因为有蓄电池在市电断电或发生故障时为负载供电。蓄电池的放电设计是UPS能在市电不正常时及时稳定供电的重要保证。在本文研究的UPS系统中，BOOST升压后的母线电压充当了蓄电池充电的角色。因此，根据BOOST变换器的功能，BOOST变换器的控制就不仅需要保证逆变器的正常工作，还要保证对蓄电池科学有效的充电电压。蓄电池是UPS系统的重要组成部分。如果没有了蓄电池，所谓的UPS系统就只能称之为稳压电源了。正因为蓄电池的储能作用，UPS才能在供电突然中断的时候提供宝贵的后备时间，用于处理负载的保护工作。现在较好的一种充电方式“先恒流后恒压”的充电方式，即在充电的初期，利用充电器的限流启动功能，将电池的最大充电电流限制在允许范围之内，防止过流充电的情况出现。当充电电流降至80左右，再将充电电压上升至浮动充电电压。根据本文的实际技术指标的要求和合理的分析，用恒压充电方式。其原因如下根据本文的实际技术指标的要求和合理的分析，用恒压充电方式。其原因如下1技术指标中要求蓄电池两端电压为的指标要求，可知，蓄V20电池两端的电压最低为200V，最高为240V，蓄电池两端的电压没有下降到0V，所以没有必要采用“先恒流后恒压”的充电方式。2通过查阅资料可知，对220V蓄电池的充电，可以用220V的电压给其充电，即直接跳过“恒流”阶段，过渡到“恒压”阶段，实现对蓄电池充电的快速性。充电器设计采用三相整流之后的直流电压经斩波器后给蓄电池供电的方案具有电路结构、控制方法简单可靠的特点，前面提及到，由于蓄电池与母线之间采用电流双向DCDC变换器，可以实现能量的双向流动。即在市电正常时，市电一方面经过BOOST电路给逆变器供电，另一方面经BOOST电路，在经过双向DCDC变换器，实现给蓄电池充电，由于蓄电池两端的额定电压是220V，经过BOOST电路以后的母线电压升到了600V,所以在市电正常时，电流双向DCDC变化器处在BUCK工作模式，其电路结构如图所示Q1UGD2C2RLBUCK电路图其工作原理如下当开关S导通时，电源UG一方面通过储能电感L向负载R供电，另一方面，向储能电感L以及电容C中储存能量，此时，I1增加，电感内的电流逐渐增加，而续流二极管因反向偏置而截至；输出不能立刻达到电源电压值；当S关断时，由于电感L的自感作用，I1不能突变，故I1通过二极管VD续流，电感电流逐渐减小，这时电感中的能量通过L、R、C和续流二极管VD将储存的电能释放到负载中去，I1降低，L上的储存减小。由于VD的单向导电性，I1不可能为负，即总有I1大于等于0，从而可在负载上获得单极性的输出电压。若储能电感L很小时，电感中的能量有可能释放完S还没有导通，导致负载电流断续，一般情况下，将会造成输出电压纹波大，电源调整率变差等不良影响，因此这种情况是不希望出现的。通过控制导通和关断的时间（即PWM脉冲宽度调制），就可以控制输出的电压。如果通过检测输出电压来控制导通和关断的时间，以保持输出电压不变，这就实现了稳压的目的。电感电流连续时，负载平均电压值为41GGONUDTS42OFNS式中TONS处于通态时间；TOFFS处于断态时间；TS开关周期；D占空比。由此可知，输出到负载的电压平均值UO最大为UG，若减小占空比D,则UO随之减小。可知，通过BUCK电路，母线电压降到220V，给蓄电池充电。根据公式，参数计算如下4336702VUDIO44H015028921SFRL45F36894SFC蓄电池充电采用恒压充电方式。即在蓄电池两端电压在200V240V之间时，母线电压经过BUCK模式的双向变换器，降到220V给蓄电池充电。即给蓄电池两端的充电电压为220V，母线电压降压到220V给蓄电池充电。实现给蓄电池在不同电压阶段时的恒压充电，实现其充电的快速性。充电阶段的充电模式采用闭环控制方案。当市电380V输出整流桥后，变成UO245U2535V经过BOOST电路的升压压为600V，下面讨论充电闭环设计方案由于采用恒压充电方式，所以在输出端采用5V的给定电压值，采样BUCK输出端电压的1/44，与给定值5V相比较，其输出电压经过PI调节器，经过比例积分作用，给三角波相比较，通过学习PWM知识可知，比较的幅值直接驱动MOSFET管，来控制MOSFET的开通和关断。通过调试结果，选取PI调节器的KP1，KI1000到的波形符合设计要求。闭环如图42蓄电池放电电路工作原理和设计蓄电池的放电采用闭环控制。由于蓄电池在放电时，两端的电压和电流在不断的减小，时间越长，其两端电压和电流越小，所以必须采用闭环控制方案，实现其放电电压的稳定性。由于蓄电池两端的电压小于逆变器的所需直流母线电压的要求600V,所以电流双向DCDC变换器在市电异常时，必然会处于BOOST模式。其工作原理在于改变BOOST电路的占空比D实现对蓄电池放电的闭环控制。电路参数D占空比；L电感；C电容（4672061IOUD（4367）FFRDLS306150127421（4HFRDCS0518305726389）其具体工作原理与BOOST升压设计方案相同，在此不再做介绍。下面介绍充电和放电方案的转化因为在市电正常时，市电经过三相不控整流和BOOST电压升压之后，一方面给逆变器供电，经过逆变器输出给负载；另一方面在蓄电池两端的电压不高于240V的前提下，给蓄电池充电。然而当市电异常时，蓄电池处于放电的状态，即异常的市电不再给蓄电池充电，蓄电池本身直接给逆变器供电，以保证对负载供电的稳定性。其充电和放电方案的转化原理如下在市电正常时，给蓄电池充电，检测蓄电池两端的电压，取蓄电池两端的电压1/100，与给定值24V相比较，在蓄电池两端的电压不高于240V时，给蓄电池充电。取市电电压的1/100，与给定值6V和5V相比较，即市电在500V和600V之间，认为是正常的状态。当市电电压高于600V或者是低于500V时，通过设计利用与门，一个选择开关，实现对蓄电池的充电模式即在市电正常时，蓄电池处于充电状态。市电正常时，蓄电池两端电压和逆变器输出端电压仿真波形。当市电正常时，输入电压经过整流电路及升压电路，一路给逆变器提供电压，逆变器输出经过滤波电路将SPWM波形变换成纯正弦波，另一路送入充电器给蓄电池补充能量。UPS由市电经过整流滤波器、升压电路、逆变器给负载供电，并且由逆变器来完成稳压功能。仿真图三相逆变器的介绍由后面的第五章介绍。市电正常时，给蓄电池充电电压的波形如下缺图题市电正常时，三相逆变器输出波形如下缺图题当市电出现故障无市电，市电电压过高或过低时，UPS工作在后备状态，此时UPS由逆变器将蓄电池的直流电压升压后转变成交流电压输出到负载。仿真图如下市电异常时系统仿真图三相逆变器输出电压如下缺图题三相逆变器输出电压43本章小结通过上述分析可知，本章对蓄电池的充电和放电的方案做出了合理的仿真验证。根据实际的技术指标要求，论证了所采用蓄电池充电方案的原因，对蓄电池的充电和放电方案均采用了闭环设计方案，仿真得出的效果较好。对蓄电池的充放电的转化，在做出合理设计和阐述的同时，将控制方案仿真验证其合理性，仿真结果表明，参数满足计算指标的要求。第5章逆变器和输出滤波器设计方案逆变器是整个UPS的核心，其性能决定UPS输出电能的质量，所以逆变器的设计是UPS研制的关键之处。本章主要论述了逆变器工作原理、主电路器件的参数选择，设计了输出滤波器。51逆变器工作原理输出电压质量是逆变器的一项重要指标，通常要求逆变器输出电压谐波换量很小的正弦波。尤其在非线性负载作用下，如何抑制谐波，调高输出电压品质，目前依然是逆变器研究的一个热点。采用正弦波脉冲（SPWM）控制策略和后级LC滤波电路可以获得较好的正弦波电压输出。三相半桥逆变器比其他逆变器具有独特优势，其具体优势在前面提到过，其电路给够原理图调制电路负载1V2V3546D2D45RUUVCW三相四线式电路的每一相都是独立的，相互之间不存在耦合关系，因而可以把三相逆变器看成是三个输出电压互差120度的单相半桥逆变器组合在一起。由于三相之间没有祸、耦合关系，因而控制相对简单，单相逆变器的控制方法可以直接用在这里。考虑到三相之间的独立性，下面分析以单相半桥逆变器为对象。半桥电路控制电压及输出电压波形如图所示，V01、V02分别为开关管T1、T2的驱动电压波形，分压电容器C1C2且足够大，以致电路工作过程中C1和C2两端电压几乎不变，即有VC1VC2E/2。在T1T2期间，VG10、VG20，T2导通T1截至，无电流输出在T3T4期间，VG10，T2导通T1截止，电流流经路径为CCLT2C；输出电压VABE/2。D1和D2分别是T1和T2反并联的二极管，其作用是为感性负载提供续流回路，避免功率器件承受过高的瞬态电压。输出电压平均值如图中的虚线所示，它跟驱动波形的占空比有关，通过改变占空比，可以得到平均输出为正弦的电压波形。由上图可以看出，T1导通，T2截止时，T2承受的电压UCE2为UCE2E（51）52逆变器控制技术相比于SPWM而言，点空间矢量脉冲调制（SVPWM）具有更低的高次谐波和电压利用率高等优点，越来越受到人们的重视。本为在介绍SPWM原理的同时，采用SVPWM技术，采用一种基于电压电流双环控制的SVPWM三相逆变器，通过建立其两相同步旋转坐标系下的数学模型，利用电压外环实现对输出电压的稳定控制，电流内环实现对输出电流的控制。由于电压环包含了负载电流前馈及输出滤波电容电流解耦，电流环包含了输出电压前馈及输出滤波电感电压解耦，因此有效地改善了系统的动态响应及抗扰能力。三相SVPWM逆变器数学模型考虑图1所示的三相SVPWM逆变器的电路结构，考虑三相平衡，根据变换前后功率不变的原则，有三相静止到两相同步旋转坐标变换关系式如下（5ICBIAWTTWTIQD32SINCO32SINCO322）（5UCBAWTTWTUQD32SINCO32SINCO323）利用式中方程得到两相旋转坐标系下的电压和电流状态方程（5QLDDIIUTL1114）QLQQITI111（55）（5LQLDLDUCITUC116）（5LQLQLQIDT117）检测三相负载电压UL,三相负载电流IL及三相输出电流I1，由式可以得到对应的D，Q轴分量，电压控制器和输出电压反馈构成电压外环，其输出为电流指令I1D，I1Q。令电压指令VLDVR输出额定相电压峰值，VLQ0，则在电压外环的作用下实现对的输出电压的稳定控制。电流控制器和输出电流反馈构成电流内环，其输出为INI便器速出电压空间矢量V1Q，V1D。系统中负载电流及输出电压前馈量的引入，以及电容解耦电流和电感解耦电压的引入，减轻了调节器的负担，加快了系统的响应速度，提高了逆变器带非线性负载的能力。利用输出电压空间矢量V1D，V1Q，在电压空间矢量SVPWM控制技术的调节器下，得到逆变器6个开关器件的PWM驱动信号，从而得逆变器在电压电流双环控制下，输出额定正玄波电压。控制策略式中表明，系统D，Q轴输出电流I1D，I1Q除受控量U1D，U1Q的影响外，还受耦合电压L1I1Q,WL1I1D扰动和输出电压U1D，U1Q扰动的影响。同理，式中表明，系统D，Q轴输出电压U1D，U1Q除受输出电流I1D，I1Q控制外，还厚耦合电流C1U1Q，WC1U1D和输出负载电流I1D，I1Q的扰动影响。如果控制系统中包含这些扰动量，则可以消除它们的影响。式中得到逆变器输出电流控制量U1D，U1Q为58QDLDITIU11159DQLQILTI111510TUCIDLQLD1511TILQLQLDQ1SVPWM的原理介绍SVPWM，即空间电压矢量控制法，它的主要思想是以三相对称正玄波电压供电时三相对称电动机定子理想磁链圈圆为参考标准，以三相逆变器不通开关模式作适当的切换，从而形成PWM波，以形成的实际磁链矢量来追踪准确地磁链圆。传统的SPWM从电源的角度出发，以生成一个可调频调压的正玄波电源，而空间电压矢量控制法将逆变系统和异步电动机看作一个整体来考虑，模型比较简单，也便于微处理器的实时控制。相比于传统的SPWM法，SVPWM有如下的特点（1）在每个小区间虽多次开关切换，但每次开关切换只涉及一个器件，所以开关损耗小。（2）利用电压空间矢量直接生成三相PWM波，计算简单。（3）逆变器输出线电压基波最大值为直流侧电压，比一般的SPWM逆变器输出电压高15。SVPWM控制的实现通常有一下几步（1）坐标变换三相逆变器系统有三组桥臂，设A，B，C分别表示三组桥臂的开关状态，上桥臂导通下桥臂关断时其值为1，反之为0。那么可以得到三相逆变器输出的相电压和线电压之间的关系如下（5CBAVDCBA21312）其中，VDC为逆变器直流电压，令U表示一个矢量，当A,A，B，C分别取1和0的时候，该矢量就有8中工作状态，分别为，0,，如果我们用UO和,0,1,0,1,U7表示零矢量，就可以得到6个扇区，三相控制可以用一个角速度的空间矢量电压U表示，当U遍圆轨迹时，形成三相瞬时输出电FW2压，理论证明，当U落入某一扇区之后，用改扇区两边界矢量和零矢量去合成U可以得到最佳合成效果。SVPWM需要将三相坐标转换两相坐标进行控制，于是需要引进PARK闭环和CLARK变换。其中，CLARK变换的母的是将三相静