UPS不间断电源毕业设计

张森毕业设计摘 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： 不间断电源 微机控制 电力电子技术 智能化 张森毕业设计IABSTRACTWith 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 Control by microprocessor Power Electronics Technology Intelligent张森毕业设计目 录第一章 概述11.1 UPS的发展11.1.1 UPS的发展历程 11.1.2 UPS的发展前景 31.2 本课题研究的目的和意义 41.3 本课题的任务和要求 51.3.1 本课题的任务51.3.2 本课题的要求5第二章 系统整体设计方案72.1 UPS电源不间断供电的原理72.1.1 负载间断供电的原因72.1.2 不间断供电的原理72.2 系统整体设计原理框图 92.3 整流/充电器设计方案92.4 逆变器设计方案102.5 旁路电源设计方案11第三章 整流/充电器的设计123.1 整流/充电器主回路设计 123.1.1 整流变压器的设计 133.1.2 直流滤波电抗器和滤波电解电容的设计 143.1.3 主回路电路 153.2 整流/充电器控制设计 163.2.1 微处理器与16位单片机 163.2.2 整流/充电器的微机控制系统183.2.3 整流/充电器的控制软件设计23第四章 逆变器的设计 244.1 PWM 逆变器的原理24张森毕业设计I4.1.1 逆变电路及其控制方式244.1.2 PWM 逆变器的基本原理及 PWM 波的生成方法 264.2 UPS逆变器主回路设计294.2.1 PWM型三相桥式IGBT逆变电路 294.2.2 逆变器输出变压器和静态开关334.2.3 逆变器主回路电路334.3 UPS逆变器控制电路设计344.4 UPS 逆变器控制软件设计37第五章 UPS旁路电源设计 445.1 静态旁路的基本原理 445.2 切换与控制技术 445.3 UPS静态旁路主电路465.4 维修旁路 47第六章 UPS系统抗干扰设计 486.1 干扰源 486.2 干扰对UPS电源的影响486.3 EMC与抗干扰设计496.3.1 EMC简介 496.3.2 抗干扰的方法506.3.3 UPS电源抗干扰措施 50结论53致谢55参考文献 56附：大功率UPS供电系统原理框图及各部分设计方案图张森毕业设计0第一章 概 述自从电子设备特别是计算机问世以来，电源问题一直是人们十分关心的问题。对于一些特殊位置的重要设备，人们不但关心其供电电源本身的性能指标，更注重供电电源的质量，即供电的稳定性和不间断性。因为这些设备的电源一旦出现不稳定或者消失，就将造成非常大的损失，甚至无可挽回的损失。所幸的是不间断电源UPS(Uninterruptible Power System)的出现，为解决这个问题提供了广阔的前景。1.1 UPS的发展1.1.1 UPS的发展历程最初的UPS是本世纪六十年代初由旋转电动机供应能量的动态UPS，即不间断是靠动能维持。这种早期UPS的输出稳定是靠惯性飞轮对短时间电压突变和干扰无反应；不间断性是靠断电后飞轮的惯性延长供电时间。当然这种UPS的后备时间是很短的(一般不超过5秒)，于是人们开始使用备用蓄电池组，这是早期UPS的典型结构，框图如图1-1所示。这样的UPS虽然可以靠增大蓄电池容量来延长后备时间，但转换效率低，于是出现了内燃式UPS系统，这种UPS靠内燃机提供断电后的能量。动态UPS设备庞大笨重、操作不够灵活、而且效率低、噪声大。整流器 直流电动机 交流发电机 设备蓄电池市电图 1-1 早期 UPS 典型框图随着电力电子学(功率电子学)的发展，为实现大功率的电能转换，于是出现了静态UPS，它的主电路和控制电路均采用半导体器件，它也是目前绝大多数概念中的UPS，其典型框图如图1-2所示。其基本原理是：市电输入经整流器将交流电变成直流电，一方面给蓄电池组充电，另一方面为逆变器提供能量，再将直流电变成交流电经转换开关送到负载；张森毕业设计1当逆变器发生故障时，另一路备用电源(旁路电源)经过转换开关实现向负载供电。整流器 逆变器 转换开 关 负载蓄电池 组旁路电源市电图 1-2 静态 UPS 典型框图静态UPS的工作方式有在线式和后备式(Online and Offline)，两者主体结构大体相同，只是后者在市电正常时工作在旁路(Bypass)，而前者只有当逆变器故障或过载时才由旁路电源供电。一般来说，从性能上讲，在线式优于后备式;从容量上讲，后备式一般不大于3KVA，而在线式不受此限制，目前单机容量可以做到600KVA以上，比如M.G, EXIDE, SOCOMEC等公司。UPS的装机容量正不断扩大，并联成为扩大容量或者冗余系统的必然方法。比如M.G, EXIDE等公司的UPS机内信号用微机处理、通讯采用普通信号，而SIEL公司采用光纤通讯OSC系统)，从而实现多台UPS的同相同幅、均负载的功能。由于单相进单相出给市电配电带来极大困难，于是出现了三相入单相出(3/1)的UPS，其最大容量可达60KVA以上，这种单相输出的UPS在切换到旁路时、满负载情况下市电对应的一相将严重超载，因此厂家推出了三相入三相出的UPS产品，而且有三相负载100%不平衡产品，如IPM, SOCOMEC, BORRI, MEISSNER, SAVIN,VICTRON等公司的UPS产品。为改善后备式UPS的供电质量，人们研制了净化UPS，即将净化电源加在旁路电源上，如国产宝合UPS产品。结合后备式UPS效率高和在线式UPS供电质量高的优点，人们提出了张森毕业设计2三端口UPS。它使得离线式和在线式有机结合在一起，产品如APC、BEST、 DELTEC、休康等。近期又出现了不间断蓄电池系统UBS(Uninterrupted Battery System)，见图1-3所示。它结合了动态UPS和静态UPS的优点，只是噪声稍大，主要应用于特殊场合，如野外、地下室等环境恶劣的场所。柴油发电 机蓄电池UPS OUT图 1-3 UPS 典型框图1.1.2 UPS的发展前景从以上UPS的发展历程可看出，UPS从当初单一的动态存储式到今天多类型多品种动态、静态、动静结合、在线式、后备式(离线式)、后备在线交叉式等。随之，UPS的应用领域也从当初单一的计算机用户发展到今天计算机系统、网络系统在内的能源(如电力)、医药、农林、交通、天文、地理、通讯系统(如网络通讯)等领域；后备时间从当初的几秒钟到今天的几小时、几十小时甚至更常的时间；特别是从技术内含意义上讲，从当初单一的机械式到今天包罗了当代全部的电子技术:从微电子学到功率电子学，从线性电路到数字电路，从计算机硬件到软件，从电信号通讯到光纤通讯以及机电一体化技术。随着微电子技术和电力电子技术的不断发展，电源技术的高频化、模块化、数字化、绿色化成为发展趋势，UPS不间断电源也不例外。电力电子功率器件的高频化和模块化使得UPS电源产品的体积和重量大大减小，而可靠性和效率得以提高，可带来显著节能、降耗的可观经济效益。微处理器软硬件的引入，可以实现对UPS的智能化管理，进行远程维护和远程诊断。从而为UPS电源产品的数字化、智能化提供了坚实的基础。张森毕业设计3随着人们对环境保护意识的加强，电源系统的绿色化概念被提出。所谓电源绿色化首先是显著节能，因为节电可以减少发电对环境的污染；其次是电源不能(或少)对电网产生污染。事实上许多功率电子节能设备往往是电网的污染源：向电网注入严重的谐波电流，使得总的功率因素下降，使电网电压产生毛刺尖峰甚至畸变。20世纪末各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生，有了功率因数校正PFC（Power Factor Corrector)方法，为21世纪UPS电源产品的绿色化奠定了基础。由此可看出，UPS已当之无魄成为当代高科技成员，而且正随着电力电子技术、计算机技术、网络技术等相关技术的发展而不断发展。1.2 本课题研究的目的和意义早期的UPS产品因电子技术及相关技术、工艺水平等方面的限制，备用时间短，智能性差，所以主要作为计算机的备用电源，其它行业涉及较少，因而普及率很低。但是，随着微型计算机应用的日益普及和信息处理技术的不断发展，人们对供电的质量要求越来越高。这是因为在微型计算机特别是企、事业单位的计算机网络运行期间供电的中断，将会导致随机存储器中数据的丢失和程序的破坏，有时甚至会使磁盘盘面及磁头遭到损坏，造成难以弥补的损失。不但如此，随着国民经济的发展，生产力水平的提高各行各业的许多关键设备对电源的要求也是如此。于是高性能、高可靠性UPS越来越受到人们的关注。从国防、航天、科研到医疗卫生、工农业生产、交通运输，从银行证券到商贸销售，从通讯行业直至以信息高速公路为代表的新兴信息产业(IT)，无不用到UPS不间断电源。而且，随着电子技术的发展，特别是计算机技术及计算机网络技术的发展，人们对UPS的要求越来越高：不但要求供电质量高，而且要求智能化，这也是科学技术发展的必然趋势。人们希望将现代电子技术、信息技术、控制技术、计算机网络技术等UPS相关技术应用于UPS不间断电源，使UPS电源供电系统变得越来越完善，对各种性质的负载适应性更强，产品种类更齐全。张森毕业设计4实际上，UPS经过近四十年的发展至今，性能指标基本相似，不同点在于功能上的拓宽、创新及可靠性的高低。PWM(脉宽调制)技术和功率晶体管及组合管、功率MOS管、IGBT等己被UPS普遍采用，从而降低了UPS的可闻噪声，提高了效率和可靠性。特别是自80年代以来，微处理器技术、计算机技术、网络工程的迅猛发展，并引入UPS领域，大大拓宽了UPS的功能。显示方式从数码显示到液晶显示，使得人机“对话”更加方便。利用CPU的强大处理功能，可做到自动诊断、自动开关机、自动打印运行记录，起到监控、管理系统的作用。随着UPS在计算机网络中的应用不断发展，UPS不再是单纯供电、仅仅保护服务器，而是强调以整个网络为保护对象。用户希望UPS保护的对象不再是特定的运算设备为主，而是让网络在电源出现异常时，仍然可以继续工作而不中断。因此，UPS监控防护软件是UPS的新发展，这种软硬件的新搭配有助于大幅度提高UPS的功能，使其趋向人性化；同时大大拓宽了UPS在计算机及网络中的应用。智能UPS就是在这种形势要求下发展起来的。所谓智能UPS就是将传统UPS通过与PC上位机相连