UPS不间断电源毕业设计

张 森 毕 业 设 计张 森 毕 业 设 计图4-12SPWM波形生成子程序流程图方法，也可采用查表的方法。这里采用查表法。根据正弦函数的反对称性，只须建立00--180。的正弦函数表。每隔0.8。安排一项数据，每个数据占用2个字节，00--180o内共450个字节。若跳目指针为SIN_PTR则Vf和Wf指针分另I」为SIN_PTR+240、SIN_PTR+120,数据表只包含450个字节，超过450个字节时指针又循环从头算起，即这里采用了循环数据表。当然，在软件中要确定各相的值的正负。波形发生器输出电压的幅值Uk的变化取决于PWM空比的变化百分比，即调制深度。根据U和查表所得的正弦表值可计算出三相SPWM形占空比的瞬态值：U_PH=MID=(Uk*SIN_VALUE)/10000,式中是Uffi的瞬态值。当在0O--180o之间时上面公式中取“+”，在180O--360o之间取“-”。公式中除以10000ft建立正弦函数表时己考虑进去了。WF停生三相SPWM形的程序流程，如图4-12所示。其中初始化的内容有：与WFGf关的中断允许寄存器、WG_CONff器、WG_OUT存器、WG_PROTECT器、WG_RELOAD器即半周期数、相中间点等。.稳压稳频模块(a)稳压子程序流程图 (b)PID子程序流程图图4-13稳压子程序与PID算法子程序流程图upSj出电压和频率随逆变直流输入电压的变化以及负载的变化而变化，我们需要UP3R持稳定的输出电压和频率。为此采用了稳压和稳频环节。稳压功能是通过电压负反馈环节，软件上采用传统PID算法，调节SPWM的调制深度系数Uk来实现的。稳压子程序流程如图4-13(a)、(b)所示。稳频功能是通过改变SPWM载波频率fc即改变半周期数来实现的。稳频子程序如图4-14所示。图4-14稳频子程序流程图.同步锁相跟踪模块为实现同步切换，需要进行同步锁相跟踪。当市电电压和频率均正常时，逆变器的电压、频率、相位同步跟踪市电。利用80C196MC片机EP电能测出市电的频率和相位以及数据采集测出市电电压幅值。然后利用软件实现频率、相位、幅值的同步锁相跟踪。软件流程图如图4-15所示。.保护模块根据保护整定值和UPSJ入、输出信号和其他状态信号的采样值判断是否有故障发生，进而采取相应措施比如启动继电器跳闸或发信号报警。这个部分不是本设计的重点，这里就不再对其进行详细的描述。其他各模块的软件设计这里也不再作详细介绍。

图4-15同步锁相跟踪子程序流程图第五章UPS旁路电源设计旁路电源是实现不间断供电UPSI置中一个不可缺少的部分，缺少它，upSft不完善，就不能实现不间断供电。旁路电源有静态旁路和维修旁路两部分组成。前者作为在线式 UPS勺后备电源；后者作为UPS佥修、维修时用。一般取市电作为旁路电源，旁路电源系统构成如下图5-1所示：图5-1大功率UP的路电源系统构成静态旁路的基本原理静态旁路电源是作为在线式UPS勺逆变器发生故障时的后备电源，以保证负载的不间断供电。从图5-1可看出，静态旁路电源中使用了两组静态开关，静态旁路后备电源以及逆变器在线电源都是通过静态开关向负载供电。 在线逆变器供电和市电旁路供电之间的转换开关采用静态开关（一对反并联的决速品闸管连接而成）而不采用传统快速继电器方案，正是大功率UPS口小功率UPS旁路设计的显著区别。在大功率UPS!源系统中，采用了静态开关技术，即利用快速品闸管作为转换器件，软件上采用同步锁相技术来实现负载的零时间切换的不问断供电。切换与控制技术正因为逆变器电源和旁路电源之间的切换对于保证负载的不间断供电起着至关重要的作用，因此，切换的控制要做到简洁、可靠。UPS1源的逆变器产生的50HZ1E弦波电源应随时保持与市电50HH频

旁路电源的同频、同相、同幅和较小的正弦波失真度的关系。这就是 UPS电源切换操作的基本工作条件。也只有在这样的条件下才能使 UPSfe源在执行逆变器供电与市电交流旁路供电之间切换操作时， 实现上述两种电源之间不存在任何瞬态电压差或是在瞬态电压差足够小的条件下的安全切换操作。为此，在UPSt源系统控制中引入了“锁相同步”环节。为防止静态开关或逆变器因环流过大而烧毁，在大型UPS1源中都设置了专门的同步锁相环节，以保证同步切换的需要。在大功率 UPSK同步锁相是保证UPSE交流旁路电源和逆变器电源之间正常切换的基本条件 ，而静态开关为正常切换提供了硬件基础。在同步的条件下，正确控制静态开关的导通和关断成为UP各态旁路控制技术的核心。由静态开关的基本原理可知：静态开关1和2必须也总是处于互锁的状态。也就是说静态开关1和2是互为闭锁的。设计中，两组静态开关中的快速品闸管采用高可靠性的互锁电路来控制。根据晶闸管导通和关断的基本原理，其触发控制有多种方法：可采用微机产生触发脉冲来控制，也可采用快速继电器控制。前者增加了CPU勺软件开销，且易受外界强磁场的干扰；后者增加了一定的硬件成本，但具有控制可靠、简单方便的特点。本设计中，利用静态开关是一对品闸管反并联的特点，控制上采用了一种快速继电器控制的方法。其电路接法如图5-2所示。旁路电源图5-3静态开关的控制原理示意图图5-2旁路电源图5-3静态开关的控制原理示意图图5-2静态开关1和2的控制电路在静态旁路电路中，直接利用交流市电电源电压作为晶闸管的正向导通和反向关断电压。将反并联的两快速品闸管的门极通过继电器的触点连接起来。静态开关的这种控制方法的原理可通过图5-3来解释。其中Al,A2为反并联晶闸管的阳极，K1,K2为阴极，G体口G纳门极。当连接两门极的继电器的触点闭合后，在交流市电的正半周期内，晶闸管 1导通，在交流市电的负半周期内，晶闸管2导通，这样在交流市电的整个周期内，市电均能通过静态开关向负载供电。在上图中，只画出了一相的电路示意图。在线式UP即，逆变器在线工作，旁路为后备，因此接在旁路静态开关1上的为继电器的常开接点，接在逆变器静态开关2上的为继电器的常闭接点。当从逆变器供电同步切换至后备旁路时，静态开关 1的控制继电器的常开接点闭合，静态开关1的快速品闸管导通，此时出现旁路电源和逆变器同时向负载供电的情况。随后断开控制静态开关2的继电器的常闭接点，在继电器接点断开后，静态开关2关断，负载由市电交流旁路电源供电，完成从逆变在线供电向后备供电的切换。 从后备旁路向逆变器供电切换时与上述情况相反，闭合控制静态开关2的继电器的接点，静态开关2导通，随后断开控制静态开关1的继电器的接点，在继电器接断开后，静态开关1关断，负载由逆变器供电，完成切换。静态开关的控制技术中，主要有两个问题：(1)关于品闸管导通时间，可由下面公式计算：展=t(0上升至10%峰值时间)=[arcsin(0.1)/360]父20ms=102us(2)关于触发问题。根据快速品闸管的内部结构原理，两个快速品闸管反并联连接起来后，将它们的门极与快速继电器的接点和一个限流电阻接在一起。当快速继电器的接点由闭合变为断开或者由断开变为闭合， 可使静态开关关断或导通。UPS静态旁路主电路由上可得本UPSS计中静态旁路白^主电路，如图5-4所示。其中，KK2,KK刻空气开关，静态开关采用三组反并联的晶闸管组成。图中由 R1〜3、C1〜3分别组成的RCR收电路是对晶闸管进行过压保护的。图中没有画出每组晶闸管的控制电路。

快速晶闸管的参数选择：耐压1600V,额定电流100A（根据UPS勺容量20KV鼾考虑裕量）。其阻容吸收保护电路中电阻、电容的参数可根据经验公式选取。对于逆变器的输出同样采用了静态开关技术。具原理、电路及控制与旁路静态开关相同。图5-4UPS静态旁路主电路图5-4UPS静态旁路主电路KRDLOADKRDLOAD维修旁路当UPS!源出现故障需要维修或者定期检修时，需要维修旁路。维修旁路电源通常取自市电。电路如下图5-5所示，图中只画出了一相电路。图中KK4KK划空气开关，KRDT快速熔断器。当需要切换至维修旁路时，先合上KK4,然后断开UPSI路系统中白^空气开关KK5这样就可以对逆变器支路和静态旁路支路进行检修或维修。AC380VIN_KK4图5-5 维修旁路电源第六章UPS系统抗干扰设计自电子设备产生以来，抗干扰问题一直受到电子工作者的关注，因为它对于电子设备的可靠性起着十分重要的作用。 UP思利用电能进行工作和向用电设备输送电能的设备，它与别的设备一样都工作在一定的环境中。运行中，电气、电子设备大都伴随着电磁能量的转换，往往对周围环境中的其他用电设备尤其是敏感设备产生影响，而同时用电设备也会对UP/生影响，甚至扰乱UPS勺正常工作。ups!源装置本身是集电力电子、强电、弱电于一体的设备。因此电磁环境和干扰问题必然影响着整个设备的可靠性。干扰源UP部源工作在电气、电子的电磁环境中，干扰的来源很多，干扰成分和种类复杂多样。有的来自装置外部，有的来自装置内部。外部干扰是指那些与系统结构无关而是由使用条件和外部环境因素所决定的干扰。它主要有：由其他物体和设备辐射的电磁波产生的强电场或强磁场，以及来自电源的工频干扰。内部干扰是指由系统内部结构、元件布局和生产工艺等决定的干扰。它主要有：杂散电感和电容的结合引起的不同的相互感应，长线传输造成的电磁波的反射，多点接地造成的电位差干扰等。一般来说，干扰的形式有用模干扰和共模干扰两种。用模干扰是指申联与信号源之间的干扰，它产生的原因可以归结为长线传输的电感、 分布电容的相互干扰以及工频之间的干扰等。共模干扰是引起回路对地电位发生变化的干扰，即对地干扰。共模干扰可为直流，也可为交流。它往往是造成装置不能正常工作的重要原因之一。干扰对UP地源的影响国内外对继电器的干扰来源所作的大量研究表明，装置的内部干扰主要由内部接地的切换存在等原因引起。而外部干扰主要是装置的端子排从外界引入的浪涌电压引起，也就是说，装置的所有输入、输出线，电源线，地线（包括机壳接地线）都有可能引入干扰。由于微机控制型UPS!源装置中，既有作为控制核心部分的数字电路，又有作为外围部分的模拟电路(如采样电路、继电器出口电路、驱动电路等)。干扰对数字电路和模拟电路造成的后果是不同的。模拟电路在干扰作用下易造成采样值异常、开关电路的误翻转等，如果处理不当，易导致装置的保护误动作。而数字电路在干扰作用下会造成数据或地址传送错误，从而造成微机运行故障。干扰对微机型UPS!源装置的影响主要有：(1)元件损坏。微机型UPS!源装置中有许多重要元件(如本UPSS计中采用的控制核心80C196MC片机芯片)为CMOS件，强干扰引起的浪涌电压极易造成元件的损坏。(2)运算错误或逻辑错误。微机控制中输出数据、运算中间结果和控制标志字都放在数据存贮器RAW,强干扰易引起数据发生改变。另外，当在读或写一个数据时，数据总线或地址总线受干扰的影响会造成数据出错或地址出错，从而可能引起装置的保护误动或拒动。(3)程序运行异常。系统在运行过程中，一些随机因素会破坏程序的正常执行顺序而造成程序跑飞或进入死循环。程序运行出现异常，若不能及时恢复，系统将发生故障，甚至引发事故。EMC与抗干扰设计EMC简介由上可知，干扰对微机型UPS勺影响是很大的，因此必须采取切实有效的抗干扰措施，以保证ups!源系统可靠、稳定地工作。同时，UPS!源本身作为电子设备，也会对其周围的电气、电子设备产生干扰作用。我们的目标就是要抑制电磁干扰并防止各部分之间的相互干扰，做到 UPS!源与其周围环境共存：UPSE常工作不受周围干扰的影响；同时UPS!源本身不干扰其周围的其他电子设备的正常工作。 这在电子技术中，称为电磁兼容即EMC(ElectromagneticCompatibility)。这就是说，干扰可以在不损害信息的前提下与有用信号共存。实际上，在电子电路中，干扰总是存在的，不可能完全消除。如果能做到电磁兼容也就达到了目的。 EMCJ标准和规范的制定和发展己有较长的时间，对于ups1源，也制定了专门的标准如安全标准、通讯标准等。制定这些标准的目的就是要做到电磁兼容。为了实现ups1源与其周围环境的电磁兼容，必须采取专门而有效的抗干扰措施来抑制干扰。抗干扰的方法根据干扰的种类和来源，可采取不同的抗干扰措施。从干扰源方面入手，可从三方面考虑：(1)抑制干扰源。UP部源中尽量采用无触点继电器和接触器来代替有触点的继电器和接触器，以抑制它们动作时产生的电磁和噪声干扰。(2)消除干扰源与UPS!源之间的干扰耦合与辐射，切断电磁干扰的传递途径或者提高传递途径对干扰的衰减能力。可在传播途径上加屏蔽、滤波和非线性控制器。(3)加强UPS!源的抵抗电磁干扰的能力，降低其对电磁干扰灵敏度。从干扰的种类入手，即从共模干扰和用模干扰方面考虑，采取对应的措施：采用屏蔽、接地、隔离等来抑制共模干扰；采取滤波等来抑制用模干扰。UPS电源抗干扰措施结合本UPS勺抗干扰设计，具体来说：.从电路和器件上考虑抗干扰可采用专门的电子器件、电路来抑制电路中的各种干扰。对于易造成磁场干扰和噪声干扰的继电器线圈可采用 RCR收回路、二极管吸收等方法消除继电器动作所产生的电磁干扰。对于功率部分强电环境与微机控制部分弱电环境之间采取变压器、变换器、光耦器件进行隔离。从而切断了操作主回路和微机控制回路之间的耦合干扰。采取滤波电路和去耦电路抑制电路中的用模干扰。 对于信号回路：交流信号输入通道采用低通滤波器，可滤去信号中叠加的高频干扰成分。交、直流信号输入通道之间两端子之间应装0.01--0.47uF的去耦电容，为高频用模干扰提供旁路通道。对于电源回路：装置理想工作电源应是一个内阻等于0的电压源，但设计电源并非如此，因而其内阻易造成元器件之间的耦合，形成干扰源，严重时会造成低频振荡。解决的方法是对每个元件采用去耦电容供电：除了在公共电源端并联大容量电解电容外，还可并联0.01--0.47uF的高频电容，以进一步减少电源的交联公共阻抗，同时也可抵消因电解电容的卷工艺而产生的电感效应。对于集成度越高及吸收电流越大的电路要求并联的电容容量也越大。集成电路器件空脚要作适当处理，比如接成高电平或低电平，否则易成为外来干扰的入口。.接地抗干扰在电子电路中，正确而合理地接地是抗干扰的重要措施之一。 接地处理包括装置机箱外壳的接地和装置内部的接地。机箱外壳要与大地相连，以屏蔽外部的干扰作用。装置的内部接地主要包括数字地、模拟地、屏蔽地的接地。数字地即是装置控制单元内部数字元件的零电位点。模拟地即是装置控制单元内部各模拟电路及A/D转换器的零电位点。屏蔽地即是装置内部电流、电压变换器原、副边线圈之间的屏蔽层及机箱外壳，一般与大地相连。对于微机型控制电路来说，控制核心是数字电路。根据常识和经验，对于高频电路宜采用多点接地，低频电路应一点接地。因为数字地上的电平跳跃会造成很大的尖峰干扰，为不降低 A/D转换器的精度，应保证数字地和模拟地之间一点降低，而且连线应尽可能地短。.屏蔽与隔离微机控制型装置的控制单元一般采用金属机箱作为对电场和磁场的屏蔽外壳。必要时可采用双层屏蔽措施，即可将核心控制数字电路、 A/D转换器等器件装在内屏蔽壳内，而将电源、隔离变换器出口、继电器出口等电路放在内外层之间，在电场很强的情况下还可考虑在机壳内加装铜网衬。为防止外部浪涌影响微机的工作，须保证接线端子排任一点与微机部分无电的联系。为此除了采取了在UP货流输入端加压敏电阻进行浪涌抑制等措施之外，米取了以下屏蔽和隔离措施：(1)装置控制单元外部高电压、大电流的模拟量经过电压、电流变换器隔离、变换后才能进入微机系统。(2)外部开关量经过光隔离进入单片机控制系统。(3)在电压、电流变换器的原副边之间加屏蔽隔离层。.从布线上考虑抗干扰对于大功率UPSi样的大系统，整个装置的布线是非常讲究的。对于功率部分的配线和走线，主要考虑电压、电流的强度以及接插件的连接、屏蔽、装配等问题。对于控制部分的布线主要考虑信号线与电源线分开走线，可采用扭绞线、屏蔽线或同轴电缆进行信号之间的隔离和去耦合，同时要注意信号线不要与动力线平行。.软件抗干扰以上均是硬件抗干扰的措施。在微机型控制装置中，微机控制是核心部分，因此软件上也要采取必要的措施来防止来自外部或内部干扰造成的程序跑飞或进入死循环。本微机控制核心采用80C196MC片机，结合其内部结构和本身特点，软件上采取了如下抗干扰措施：(1)设置看门狗即WatchdogTimer。在80C196I片机内部有监视定时器WatchdogTimer,利用它可监视程序的运行。WatchdogTimer是一个16位的计数器，当启动它后，单片机每运行的一个状态周期，其计数增1。若在64Kt状态周期(若采取8MH晶振时间为16ms)内，没有通过指令清除它，则计数器溢出，将使得单片机的/RESETS位弓I脚拉低至少一个状态周期，使系统复位， CPUt新初始化。这样，监视定时器就提供了一种使CP队瞬时故障中自动恢复的能力。当程序中设置了WatchdogTimer后，一旦程序运行出轨或进入死循环，CPU!自动恢复工作，从而保证整个系统的正常运行。(2)设置软件陷阱和软复位指令。在程序存贮器EPROM非程序存贮空间填充OFFH即软复位指令，当程序跑飞至非程序区时，软复位指令就使CPUI动复位，重新开始运行。对于程序中没有用到的单片机具有的中断， 在其中断入口设置软件陷阱，即一旦发生了不该发生的中断，程序将跳至软件陷阱处，软件陷阱指令就是一条复位RST旨令，程序在RSTS位指令下重新开始运行。本文根据电源技术和现代电力电子技术的新发展，以及国内外UP环间断电源的发展现状，着重从大功率(10KVA以上)和智能化两方面考虑设计方案，研究和设计了20KVAt线式不间断电源装置。本UP环间断电源系统的特点有如下几方面：.先进的功率变换技术(1)整流/充电器采用整流器和充电器合二为一的设计方案。整流/充电主回路采用三相桥式全控整流电路，整流器件采用晶闸管，简化了功率电路设计，虽然增加了控制部分的成本和复杂性，但从整体性价比来考虑，仍节约了成本。(2)逆变器采用了以绝缘栅双极晶体管IGBT为功率开关器件的正弦脉宽调制SPWM桥式逆变电路。逆变功率开关器件采用具有自关断能力的复合型器件IGBT,既符合中大功率和SPWM制的要求，又简化了驱动电路。IGBT乍为电压控制元件,更易实现微处理器及数字信号的控制，使逆变器结构简化，也提高了逆变器的可靠性。IGBT勺频率开关特性使UP期变器的工作频率提高到2KHz--10KHz,极大地改善了逆变器的性能(高频率低噪声、小体积)o(3)静态开关技术的应用，保证了静态旁路供电和逆变器供电之间切换的不间断性，提高了UPS1源装置的可靠性和性能。静态开关技术即是利用快速品闸管导通和关断的快速性去实现upsS线工作和后备旁路工作的不间断供电切换。.智能化控制技术(1)采用了Intel公司的高档微处理器80C196乍为UP觥制和通信核心。从而简化了控制电路的硬件设计，提高了UPS勺可靠性。具有强大数据和逻辑运算能力的微处理器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勺性能大大提高。(2)具有较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。具有欠压、过压，过流、装置单元故障、蓄电池低电位报警、交流电消失等保护功能。通信接口采用RS23新准串行通信接口。(3)利用80C196MC片机内部具有的可编程控制的三相互补PWM出波形作为逆变电路的SPWM制脉冲，简化了硬件，提高了可靠性，也增加了控制的灵活性。(4)采样技术采用了80C19卸片机自带的外设事务服务器PTS因其类似与计算机DMAJ执行结构，大大减少了CPU勺软件开销，提高了CPU勺执行速度和效率。整个UPS1源系统设计尽管在硬件、功率回路和控制回路等方面作了很大努力，但由于各种因素的限制，使得本系统仍有许多需要改进的地方。总结起来主要有以下几点：(1)根据电源技术绿色化(环保)的发展趋势，UPS1源不应(或少)对电网产生谐波等污染，但实际上很难做到，因此可在UPSJ入端增加功率因数校正PFC(PowerFactorCorrector)环节来提高UPS勺功率因数，从而达到对电网的无干扰和节能效果。但在本系统中没有这一环节。(2)从提高UPST靠性的角度出发，在UPSI置中的整流/充电器单元、逆变器单元、静态开关单元均应采取备用冗余单元结构。但这样一方面增加了硬件成本，另一方面又增加了技术难度和复杂性。因此在本系统中没有增加冗余备用单元。(3)从开发大功率UPS(100KVN上)的角度考虑，单机容量己不能满足功率要求也不能满足耐压要求，要采取多台UP/联技术；同时功率器件仅仅采用IGBT,也未能达到耐流的要求，可采用IGB而MOSFET结合的方案。但UP阱联需要解决许多技术上的问题，本文没有涉及。UP敬术发展至今，已广泛应用于金融、通信、网络、控制等电源要求较高的领域，它已不是孤立的电源技术， UP阱身也不再是计算机环境中一个不被人们重视的普通外部设备。 UPW完全融入计算机网络环境，成为计算机网络系统中必不可少的一员，其间的信息系统确保了系统的正常运行。随着信息技术和计算机网络系统的不断发展， UPS勺技术必将有更大的发展。致谢值此论文完成之际，谨向悉心指导我的****老师致以深深的谢意。在整个设计过程中，***给我创造了良好的学习、研究设计环境。***丰富的阅历和豁达的处世观，给我留下了深刻的印象。在我学习和完成设计的各个阶段，*****精心的点拨与指导、富有创造性的研究思想、严谨的科研作风、渊博的知识以及高尚的人格都给了我很大启发与帮助。 特别是在我进行系统设计和毕业论文写作期间，*****倾注了大量的心血，既要求我独立思考，提出自己的见解，又不时地给我指引正确的研究