课程论文-UPS电源设计.doc

电力电子装置及系统课程论文UPS电源设计 专业：电气工程及其自动化 姓名： 左立刚 学号： 031040522 指导老师： 陈坤燚 日期：2013年11月3日目录第1章 前 言31.1 UPS介绍41.1.1 UPS发展过程41.2 国内外研究状况61.2.1 UPS研究的目的61.2.2 UPS研究意义71.2.3国内外供电电网现状71.3 UPS系统技术指标81.3.1 输入指标81.3.2 输出指标81.3.3 电池指标81.3.4 其他指标91.3.5 系统特点9第2章 系统背景知识及理论基础102.1 电网中断及不稳定情况102.1.1供电间断原因112.1.2 电网谐波危害112.1.3 电力系统在低频率运行132.2 UPS系统功能概述132.3 系统工作原理142.3.1 蓄电池技术142.3.2 不间断供电原理152.4 逆变器原理162.4.1、逆变电路主要性能参数162.4.2 三相桥式逆变电路及其控制方式182.5 PWM型三相桥式逆变电路192.6 主要器件介绍202.6.1 晶闸管SCR202.6.2场效应管MOSFET202.6.3 绝缘栅晶体管IGBT202.6.4运算放大器LM324212.6.5 变压器212.6.6 压敏电阻222.7 各功能模块电路介绍222.7.1 整流电路222.7.2 其余电路23第3章 系统硬件设计253.1 系统总体框图253.2 逆变电路结构253.3 PWM脉宽调制253.4 驱动电路273.5 过流保护28第4章 系统仿真294.1 系统仿真29参考文献34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，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。 UPS主要分为，UPS运行方式部分，开关电源部分和电压逆变部分，且每一部分都有其典型的控制芯片组成。论文中的UPS电路简单的体现了UPS电源的基本功能，实现DC-AC的逆变过程，最终实现频率50HZ的220V交流电压输出。关键字：UPS电源，断电续用，电力电子，智能网络化，在线式第1章 前 言随着计算机技术、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。1.1 UPS介绍UPS不间断电源为在线式UPS电源，这种方式的不间断电源在UPS电源当中性能是比较完美的一种。它可以很好的解决市电的浪涌持续的高压或低压断电等问题。而在市电故障的时候则有蓄电池给电源逆变部分供电，从而保证UPS的不间断供电。UPS作为保护性的电源设备，它的性能参数具有重要意义。市电电压输入范围宽，则表明对市电的利用能力强（减少电池放电）。输出电压、频率范围小，则表明对市电调整能力强，输出稳定。波形畸变率用以衡量输出电压波形的稳定性而电压稳定度则说明当UPS突然由零负载加到满负载时，输出电压的稳定性。智能型UPS是当今UPS的一大发展趋势，随着UPS在网络系统上应用，网络管理者强调整个网络系统为保护对象，希望整个网络系统在供电统出现故障时，仍然可以继续工作而不中断。因此UPS内部配置微处理器使之智能化是UPS的新趋势，UPS内部硬件与软件的结合，大幅度提高了UPS的功能，可以监控UPS的运行工作状态，还可以通过软件对电池进行检测、自动放电充电，以及遥控开关机等。网络管理者就可以根据信息资料分析供电质量，依据实际情况采取相应的措施。当UPS检测出供电电网中断时，UPS自动切换到电池供电，在电池供电能力不足时立即通知服务器做关机的准备工作并在电池耗尽前自行关机。1.1.1 UPS发展过程最初的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,使用动能转换为电能实现电能持续供应的。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(如图所示)。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。图1-1 UPS内部结构随着电力电子学的发展，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；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。图1-2 UPS工作流程静态UPS的工作方式有在线式和后备式，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。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，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。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。 近期又出现了不间断蓄电池系统UBS，见图所示。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。图1-3 UPS普通应用1.2 国内外研究状况1.2.1 UPS研究的目的早期的UPS产品因电子技术及相关技术水平、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，受其所限，发展速度不快。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，无不用到UPS，从此UPS不再只是工业，计算机业的宠儿，而真正被社会，被各行各业所接受，所容纳。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。 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、场效应MOSFET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。1.2.2 UPS研究意义随着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上位机相连的硬件接口，结合特殊设计的软件(称为监控软件)以提供电源和资料的双重保护。因此监控软件是UPS智能化的关键部分。目前UPS各大厂家都将UPS的监控软件作为产品竞争力的一个重要筹码。UPS不间断电源本身是集数字与模拟技术、数字通讯技术、电力电子技术、微处理器及软件编程等技术于一体的密集型电子产品。另外，随着微处理器和计算机应用的普及，将其引入UPS系统，研制智能UPS是UPS发展的必然趋势。UPS的发展，并由此推动与之相关技术的发展，这也是我选择本设计题目的初衷。目前我国所用的UPS大多是国外的产品，进口产品品种齐全，功能完善，但是用户在使用和维修等方面有许多不便，而且价格昂贵。最近几年，虽然国内UPS生产厂家不但增多，但是由于技术水平的限制，产品还是以传统模拟式为主，所以期待着高性能的国产UPS电源的出现虽然目前UPS技术已经比较成熟，带负载的能力大多还是可以满足要求的，但是，对于整个逆变器来讲，其采用不同的电路拓扑结构的逆变器使得UPS的整机性能和稳定性也不尽相同，因此本文研究的UPS系统本着让UPS系统带负载能力更强，当负载突然变化命令UPS的工作更加稳定，同时保证UPS整机适合其发展趋势为原则进行展开的。 1.2.3国内外供电电网现状表1-1 国内外供电情况对比配电网运行、管理国内现状国际先进水平供电可靠率（PS-1）用户平均年停电时间99.897%(1999年)，电力部要求99.96%9.77h东京20min,法国94min,美国58min,荷兰10min,香港、新加波20min配电线路架空线为主，少量电缆（北京、上海、广州稍多）存在大量低压配电线路城市主要用电缆，低压线路短，或局部在建筑内网络结构简单辐射式，少数双回线，缺少规划主干线，自动化环网结构（N-1），网络式结构（N-2）配电设备少油，真空，少量SF6定期维护、检测完成“无油化”改造，全部为真空或SF6免维护，极少检修自动化程度手动，自动兼有，手动操作为主自动，运行，可实现自动故障识别，隔离，网络重构故障停电时间几个小时1min维护与管理维护计划AM/FM/GIS技术线路损耗8.6%5%6%由上表中可以看出我国很难保证用电端的供电质量，研究一种高可用的UPS供电系统是我国当前以及今后的方向之一。1.3 UPS系统技术指标1.3.1 输入指标 A.额定电压 B 电压范围 C 频率 D 输入方式 E 功率因数1.3.2 输出指标A.电压 B 电压失真度 C 频率 D 过载能力 E 功率因数 F 峰值因数 G 整机效率1.3.3 电池指标A.类型 B 内置电池节数 C 额定电压 D 备用时间 E 充电时间1.3.4 其他指标A.安全规范 B 电磁兼容满足 C 电涌保护 D 抗扰性保护 E 1.MTBF系统 F 噪音（1M）1.3.5 系统特点对于一套高质量UPS供电系统来说，它应具有如下特性:(l)高可靠性 系统应具有能提供36524连续提供高质量的UPS逆变电源的供电能力。这就意味着，在UPS供电系统的运行中，既不允许出现任何瞬间供电中断/停电事故，也不允许出现由普通的市电经交流旁路直接向用户负载供电的情况。为此，要求UPS供电系统应满足如下要求:由于UPS单机本身的故障率低，因此目前大型UPS产品的平均无故障工作时间(MTBF)为20万40万小时。 采用具有高度容错功能的“N+1”型UPS冗余并机系统来进一步提高UPS供电系统的可靠性(“1+l”型冗余并机系统的典型MTBF值可达140万200万小时)。在整套UPS供电系统中，不应存在单点瓶颈故障隐患。允许在UPS逆变电源连续供电的条件下，执行不停电的维护和检修操作。万一在用户设备端出现短路故障时，应将故障的影响缩小到尽可能小的范围。(2)高抗干扰性UPS供电系统能使设备获得高“可利用率”，并可为其创造优良的运行环境。大量的运行实践表明:电源干扰问题是造成设备的“可利用率”下降的重要原因之一。在此需说明的是:电源干扰不仅来源于普通的市电电网，它还来源于设计不完善的UPS本身及用户的设备本身。这是因为配置在IDC和MDC机房内的服务器、磁盘阵列机和交换机等均内置有开关电源，这种整流滤波型非线性负载会向UPS供电系统反射323次低次谐波干扰，可能带来降低话音质量的恶果。实践证明，过大和过频地出现电源干扰，轻者会导致的传输速率下降，网络服务器的数据丢包率增大等隐性故障，从而导致设备被迫进入“降额使用”状态，严重时会导致网络瘫痪。由此可见，高速信息网络技术的迅猛发展，对UPS供电系统所能提供的电源质量提出更为严格的要求。第2章 系统背景知识及理论基础 UPS系统应世界科技发展局势要求，特别是信息技术的高速发展，迫切需要保证电能质量，在电能发生不稳定或者中断时，能及时保障用户的利益。而就在飞速发展的半导体产品和电子技术的基础上，应生了UPS这一贴近生活，应用广泛的科技产品。2.1 电网中断及不稳定情况随着我国经济建设的蓬勃发展，社会对电力资源的需求日益增长，用户对电力系统的要求也越来越高。供电的可靠性和稳定性已经成为保障经济增长和满足用户需求的重要问题。我国作为装机容量和年发电量均居世界第二位的电力大国，由于国土辽阔、动力资源与用电中心相距遥远、城乡家用电器设备的大量普及，对用户端电力电压的稳定性提出了更高的要求。保障供电的稳定性也是改善内外部投资环境、满足人民日益增长的生活水平以及提升综合国力的重要体现。我国最早的电厂由英商旗昌洋行于1882年开办的，最初为粤恒电灯公司，被官商合股收购。我国市电起初主要在殖民地使用，大部分为日本的殖民地，其中东北的电网最大，约占全国的50%。在不同地区，110V和220V市电都有使用的经历。至解放前，我国还是多种电压和频率并存，主要是与发电设备的生产国制式有关。新中国成立后，统一了全国的电网电压标准为220V50Hz。一方面是由于我国沿袭前苏联的制式;另一方面，因为我国国土幅员辽阔，供电半径要比美洲国家大，出于降低能耗，减少农村、山区用电成本的目的，我国采用的是比美洲发达国家更高的市电电压制度。220V电压与110V电压相比的优点：第一，传输耗电小，减少了能量损耗第二，传输相同电量，在损耗相同的情况下，使用的导线横截面积要小一倍，节约了大量的金属资源第三，相对减少了变压器的工作负荷，使变电这一关键而又脆弱的节点有了更多的安全保障第四，对偷盗电力设备的行为客观上产生了遏制。 图2-1 UPS简化结构2.1.1供电间断原因1）交流输入电源突然发生停电。造成这种突然停电的原因较多，供电线路检修计划停电电力设备在运行一定周期后，需停电进行检修维护。供电线路突发性故障停电电从发电厂经过输电线路，变配电站一直到用户家中的许多环节，任一环节出了故障，遭到外力破坏，或遇到不可抗拒的自然灾害，都会造成停电事故。如果突然出现大面积的停电，很可能是由于线路突发故障导致停电， 欠费停电如客户未在规定缴费期内及时交费，有关部门会根据相关依据对其采取停电的措施低压故障停电有人私自增加电器设备，超容量使用引起变压器、开关、电度表等电器元件烧坏。总闸、分闸等内部设备故障，楼内线断线、空气开关跳闸等都会造成停电。2）交流输入电源发生瞬间停电。3）电源装置发生故障而中断供电2.1.2 电网谐波危害1、谐波的产生谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致.当电流流经负载时,与所加的电压不呈线性关系,就形成非正弦电流,从而产生谐波.谐波频率是基波频率的整倍数,根据法国数学家傅立叶分析原理证明,任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量.谐波是正弦波,每个谐波都具有不同的频率、幅度与相角.谐波可以区分为偶次谐波与奇次谐波,第3、5、7次编号的为奇次谐波,而2、4、6、8等为偶次谐波,如基波为50Hz时,2次谐波为100Hz,3次谐波则是150Hz.一般地讲,奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大.在平衡的三相系统中,由于对称关系,偶次谐波已经被消除了,只有奇次谐波存在.对于三相整流负载,出现的谐波电流是6n次谐波,例如5、7、11、13、17、19等,变频器主要产生5、7次谐波.从结构上来看,变频器有间接变频器和直接变频器之分.间接变频器将工频电流通过整流器变成直流,然后再经过逆变器将直流变换成可控频率的交流.而直接变频器是将工频电流直接变换成可控频率的交流,没有中间的直流环节.它的每相都是一个两组晶闸管整流装置反并联的可逆电路.正反两组按一定周期相互切换,在负荷上就获得了交变输出的电压U0,U0的幅值决定于各整流装置的控制角,频率决定于两组整流装置的切换频率.目前应用较多的还是间接变频器. 间接变频器有三种不同的结构方式: (1)用可控整流器变压,用逆变器变频,调压和调频分别是在两个环节上进行,两者要在控制电路上协调配合; (2)用不可控整流器整流斩波器变压,用逆变器变频,这种变频器整流环节用斩波器,用脉宽调压: (3)用不可控整流器整流,用PWM逆变器变频,这种变频器只有采用可控关断式器件(如IGBT等),输出波形才会非常逼近正弦波。无论哪一种变频器,都大量使用了晶闸管等非线性电力电子元件,不管采用哪种整流方式,变频器从电网中吸取能量的方式都不是连续的正弦波,而是以脉动的断续方式向电网索取电流,这种脉动电流和电网的沿路阻抗共同形成脉动电压降叠加在电网的电压上,使电压发生畸变,经过傅里叶级数分析可知,这种非同期正弦波电流是由于频率相同的基波和频率大于基波频率的谐波组成.2、谐波的危害一般来讲,变频器对容量相对较大的电力系统影响不很明显,而对容量小的系统,谐波产生的干扰就不可忽视,它对公用电网是一种污染.谐波污染对电力系统的危害是严重的,主要表现在:(1)谐波对供电线路产生了附加损耗.由于集肤效应和邻近效应,使线路电阻随频率增加而提高,造成电能的浪费;由于中性线正常时流过电流很小,故其导线较细,当大量的三次谐波流过中性线时,会使导线过热、绝缘老化、寿命缩短以至损坏;(2)谐波影响各种电气设备的正常工作.对如发电机的旋转电机产生附加功率损耗、发热、机械振动和噪声;对断路器,当电流波形过零点时,由于谐波的存在可能造成高的di/dt,这将使开断困难,并且延长故障电流的切除时间;(3)谐波使电网中的电容器产生谐振.工频下,系统装设的各种用途的电容器比系统中的感抗要大得多,不会产生谐振,但谐波频率时,感抗值成倍增加而容抗值成倍减少,这就有可能出现谐振,谐振将放大谐波电流,导致电容器等设备被烧毁;(4)谐波引起公用电网局部的并联谐振和串联谐振,从而使谐波放大,这就使上述危害大大增加,甚至引起严重的责任事故;(5)谐波将使得继电保护和自动装置出现误动作,并使仪表和电能计量出现较大误差;谐波对其他系统及电力用户危害也很大:如对附近的通信系统产生干扰,轻者出现噪声,降低通信质量,重者丢失信息,使通信系统无法正常工作;影响电子设备工作精度,使精密机械加工的产品质量降低;设备寿命缩短,家用电器工况变坏等.2.1.3 电力系统在低频率运行电力系统低频运行是非常危险的,因为电源与负荷在低频率下重新平衡很不牢固,也就是说稳定性很差,甚至产生频率崩溃,会严重威胁电网的安全运行,并对发电设备和用户造成严重损坏,主要表现为以下几方面:（1）引起汽轮机叶片断裂。在运行中,汽轮机叶片由于受不均匀汽流冲击而发生振动。在正常频率运行情况下,汽轮机叶片不发生共振。当低频率运行时,末级叶片可能发生共振或接近于共振,从而使叶片振动应力大大增加,如时间过长,叶片可能损伤甚至断裂。(2)使发电机出力降低,频率降低,转速下降,发电机两端的风扇鼓进的风量减小,冷却条件变坏,如果仍维持出力不变,则发电机的温度升高,可能超过绝缘材料的温度允许值,为了使温升不超过允许值,势必要降低发电机出力。(3)使发电机机端电压下降。因为频率下降时,会引起机内电势下降而导致电压降低,同时,由于频率降低,使发电机转速降低,同轴励磁电流减小,使发电机的机端电压进一步下降。(4)对厂用电安全运行的影响。当低频运行时,所有厂用交流电动机的转速都相应的下降,因而火电厂的给水泵、风机、磨煤机等辅助设备的出力也将下降,从而影响电厂的出力。其中影响最大的是高压给水泵和磨煤机,由于出力的下降,使电网有功电源更加缺乏,致使频率进一步下降,造成恶性循环。(5)对用户的危害:频率下降,将使用户的电动机转速下降,出力降低,从而影响用户产品的质量和产量。另外,频率下降,将引起电钟不准,电气测量仪器误差增大,安全自动装置及继电保护误动作等。2.2 UPS系统功能概述系统预期实现当市电输入出现故障，突然停电时，UPS替代市电实现一定时间的对负载持续供电，保证负载正常工作。在市电质量较差时，通过整流滤波电路，提高改善市电质量，保证负载输入稳定，或者在市电不稳定时，切换UPS系统回路，使用备用回路或放电回路，用电池储备电能在一定时间内替代市电输出，输出稳定的正弦电，保证生产工作一定时间内正常进行，减少因电网崩溃带来的损失。UPS是针对中国电网环境和网络监控及网络系统、医疗系统等对电源的可靠性要求，克服中、大型计算机网络系统集中供电所造成的供电电网环境日益恶劣的问题，以全新的数字技术研制出的第三代工频纯在线式智能型UPS。直流电源，是维持电路中形成稳恒电流的装置。如干电池、蓄电池、直流发电机等。UPS和直流电源是企业重要的供电保障设备，传统的维护管理包括：日常巡检外观，定期更换电池、滤波电容、风机等易损件，大修时做电池活化等；改造或采用换代设备，使用高级工具测试电池性能。这种管理方式企业投入成本高，维护人员工作量大，不易实时掌握设备运行状态和关键数据，设备事故预防能力低。实施在线维护管理可避免传统方式的不足之处，获得良好效益。UPS的中文意思为“不间断电源”，是英语“Uninterruptible Power Supply”的缩写，它可以保障计算机系统在停电之后继续工作一段时间以使用户能够紧急存盘，使用户不致因停电而影响工作或丢失数据。2.3 系统工作原理UPS不间断电源设计的基本原理是将输入的交流电整流转换为直流电，一方面为备用蓄电池充电，另一方面再将其逆变转换为稳压稳频的交流电。(1)蓄电池是电网断电或者电网电压严重畸变时为负载供电的能量来源，是UPS实现其功能的重要保证。(2)逆变器是UPS输出稳压稳频的交流电的核心组成，也是整个UPS核心，采用冗余备用单元也是为了保证负载供电的不间断； (3)旁路辅助电源是为维修、检修UPS，或者逆变器故障的情况下实现不间断供电的辅助电源。2.3.1 蓄电池技术蓄电池技术的存在是UPS系统得以实现的根本，自从1859年法国科学家普朗特以铅为电极制成铅酸蓄电池以来，铅酸蓄电池经过一百多年的发展与完善，已经成为世界上广泛使用的一种化学电池，铅酸蓄电池由于其成本低、容量大、安全可靠等特点，在通讯、铁路、军事、电动汽车、光伏发电等各个领域都有广泛的应用，逐渐发展成为社会生产和人类生活中不可缺少的设备。蓄电池充电本质上是一个能量转换的过程，蓄电池充电装置实际上是一个充电电源，该充电电源通过一定的控制算法使得输出电压和输出电流与蓄电池充电曲线相吻合。目前，常用的充电电源主要有以下三种：相控电源、线性电源和开关电源。 (1)相控电源是比较传统的电源，它将市电直接经过整流滤波后输出直流，通过改变可控硅整流器的导通相位角，来控制电源的输出电压。相控电源所使用的变压器是工频电源变压器，它的体积庞大，由此造成相控电源本身体积庞大、效率低下。而且该类电源动态响应差、可靠性低。目前相控电源已经有逐步被淘汰的趋势。 (2)线性电源是另一种常见的电源，它是通过串联调整管，可以连续控制的电源。线性电源的功率调整管工作在放大区，通过的电流是连续的。由于调整管上的损耗功率较大，所以需要采用大功率调整管并需要装配体积很大的散热器。 (3)开关电源的研究发展历史比较短，在20世纪60年代中期开始了相关的研究，并于当时研制出了DCDC变换器，这为开关电源的发展奠定了基础。七十年代，出现了使用高频变换技术的整流器，它使交流电不经过工频变换器，而是直接整流再逆变为高频交流，再整流滤波变为所需的直流。 随着电力电子技术和自动控制技术发展，尤其是大功率高压场效应管等新型高频开关器件的出现，使得功率变换器的开关频率得到很大的提高，减小了功率变换器中的变压器体积和重量，从而大大减小了开关电源的体积和重量。 开关电源由最初的低频开关电源发展到高频开关电源，其开关频率越来越高，控制技术也越来越完善，在蓄电池充电装置的设计中，正是由于开关电源的性能越来越完善，已逐步成为充电功率主电路设计的首选。2.3.2 不间断供电原理图2-2 UPS工作原理框图对比图2-1和图2-2得知(1)在交流输入电源正常的情况下，整流器一方面为逆变器提供直流输入电压，同时另一方面向蓄电池充电，使蓄电池储存能量；一旦交流输入电压发生异常或断电、或者整流器发生故障时，整流器就无直流输出，这时蓄电池自动代替整流器向逆变器提供直流输入电压，逆变器仍能正常工作。当市电恢复正常或者整流器故障排除后，恢复整流器供电，这样负载得到连续供电，不会产生间断供电的现象。(2)当逆变器发生故障时，很明显，图2-1所示结构的UPS就不能实现负载的不间断供电。解决的办法有两个：一是提供逆变器的备用单元；二是提供静态旁路辅助电源。具体来说:如果有逆变器的备用单元，当逆变器故障时，通过快速开关立即切换至备用单元，保证负载的不间断供电，这时负载得到的仍是稳压稳频的交流电；b.如果有静态旁路辅助电源，当逆变器故障时，通过静态开关迅速切换至静态旁路电源，向负载供电，不过，这时负载得到的是市电，供电质量比较差，无稳压稳频性能，但保证了负载不间断供电。一旦逆变器故障排除，即可恢复运行。(3)如果市电交流输入不正常的同时，逆变器又发生故障，这时要保证负载的不间断供电，可采用既有逆变器备用单元，又有静态旁路电源的设计方案。当交流输入恢复正常或者逆变器故障排除，通过静态旁路电源向负载供电；或者通过逆变器向负载供电。这种方案可保证负载的供电不间断。(4)电源装置根据实际情况需要定期检修，这时必须断开逆变器和静态旁路，但仍然要保证负载供电的不间断，这时可采用增加维修旁路电源的方案。当电源装置维修时，通过维修旁路开关切换至维修旁路电源，此电源取自市电；一旦维修完毕，即切换至逆变器供电或静态旁路电源供电。综上所述，不间断供电的原理实质就是从电源装置的组成结构上考虑如何实现负载的不间断供电:采用冗余结构或者其他可靠性设计方案。2.4 逆变器原理逆变器是在线式交流UPS不间断电源的核心，因为在在线式UPS系统中，无论市电正常与否，逆变电路都必须正常工作，除非逆变器发生故障，这是在线式UPS的特点决定的。因此，逆变器的设计在整个UPS设计中显得尤为重要。逆变是将直流电变为交流电,实现逆变的电路称为逆变电路。UPS不间断电源的交流输出侧直接和负载相连，其中的逆变电路属于无源逆变。在许多场合，电网提供的50Hz工频电源不能满足负载的特殊需要。UPS不间断电源的负载就是那些对电源的电压和频率的稳定性、波形畸变等有着严格的要求，且绝不允许瞬时停电的特殊负载。逆变器的主要功能就是将整流/充电器输出的直流电压变换成稳压稳频CVCF的交流电。2.4.1、逆变电路主要性能参数描述逆变器性能的参量和技术条件很多，这里仅就评价逆变器时常用的技术参数做一扼要说明。（1）使用环境条件逆变器正常使用条件：海拔高度不超过1000m，空气温度0+40。（2）直流输入电源条件输入直流电压波动范围：蓄电池组额定电压值的15%。（3）额定输出电压在规定的输入电源条件下，输出额定电流时，逆变器应输出的额定电压值。电压波动范围：单相220V5%，三相3805%。（4）额定输出电流在规定的输出频率和负载功率因数下，逆变器应输出的额定电流值。（5）额定输出频率在规定的条件下，固定频率逆变器的额定输出频率为50Hz：频率波动范围：50Hz2%。（6）最大谐波含量正弦波逆变器，在阻性负载下，输出电压的最大谐波含量应10%。（7）过载能力在规定的条件下，在较短时间内，逆变器输出超过额定电流值的能力。逆变器的过载能力应在规定的负载功率因数下，满足一定的要求。（8）效率在额定输出电压、输出、电流和规定的负载功率因数下，逆变器输出有功功率与输入有功功率(或直流功率)之比。（9）负载功率因数逆变器负载功率因数的允许变化范围，推荐值0.71.0。（10）负载的非对称性在10%的非对称负载下，固定频率的三相逆变器输出电压的非对称性应10%。（11）输出电压的不对称度在正常工作条件下，各相负载对称，输出电压的不对称度应5%。（12）起动特性在正常工作条件下，逆变器在满载负载和空载运行条件下，应能连续5次正常起动。（13）保护功能逆变器应设置：短路保护、过电流保护、过电压保护、欠电压保护及缺相保护。（14）干扰与抗干扰逆变器应在规定的正常工作条件下，能承受一般环境下的电磁干扰。逆变器的抗干扰性能和电磁兼容性应符合有关标准的规定。（15）噪声不经常操作、监视和维护的逆变器，应95db；经常操作、监视和维护的逆变器，应80db。（16）显示逆变器应设有交流输出电压、输出电流和输出频率等参数的数据显示，并有输入带电、通电和故障状态的信号显示。在光伏/风力互补系统选用逆变器时，首要的是确定逆变器如下几个最主要的技术参数：输入直流电压范围，如DC24V、48V、110V、220V等；额定输出电压，如三相380V，还是单相220V；输出电压波形，如正弦波、梯形波或方波。2.4.2 三相桥式逆变电路及其控制方式 1、电路原理：逆变最基本的电路就是桥式电路。三相桥式逆变电路原理电路如图3-1所示。 图中的开关S1-6代表实际电路中的电力电子功率开关器件。只要开关按照一定的规律断开和闭合就能将直流电变为交流电。图2-3三相桥式逆变电路原理图在实际电路中，开关的切换(换相)通过换相电路或控制脉冲来实现。换相是逆变电路中一个十分重要的概念，因为实际电路中的电力电子开关器件并不是理想开关，它们的开通和关断必须在一定的控制条件下进行。无论是全控型还是半控型电力电子器件,只要给控制极适当的信号，就可以使其导通；但是关断时的情况就不同,全控型器件可以用控制极信号使其关断，而半控型的器件，必须采用一定的外部条件或措施才能使其关断。对于有自关断能力的器件来说，换相可通过自身来完成，称为器件换相；否则要借助其他手段来实现换相，如电网换相、负载换相、电容换相。在本UPS不间断电源设计中，逆变器的直流输入侧来自整流器的整流输出或者蓄电池的直流输出，属于电压源，因此本设计中的逆变电路属于电压型逆变电路。它一般采用导电模式，即在一个周期内每个臂导通。2.控制方式电压型逆变电路的典型控制方式有相控和PWM控制两种。相控是指控制触发脉冲的相位，即脉冲触发时刻来改变输出电压脉冲的宽度，从而得到调节逆变输出电压的作用。这种控制方式输出电压为矩形波，其中含有较多的谐波，对负载有不利的影响；且功率因数不高，调节时动态响应慢。采用PWM控制方式能够较好地克服上述缺点。PWM即脉冲宽度调制控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使之输出一系列幅值相等、宽度不等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。按照一定的规则，对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变输出电压的大小，又可改变输出频率。理论和实践证明PWM逆变电路具有很强的谐波抑制能力。同时，它还具有下列特点：(1)逆变输出波形接近正弦波；(2)动态响应快；(3)功率因数高。随着自关断器件的出现并成熟后，PWM控制技术得到了很快的发展，PWM型逆变电路获得了广泛的应用。如今，PWM控制技术己成为电力电子技术中一个非常重要的组成部分，它对提高电力电子装置的性能，推动电力电子技术的发展起着巨大作用。2.5 PWM型三相桥式逆变电路正因为PWM控制技术的迅猛发展和广泛应用，逆变电路越来越多地采用PWM控制方式。下面详述PWM逆变器的基本原理。在采样控制理论中，有一个重要结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上，其效果基本相同即环节的输出响应波形基本相同。这个结论是PWM控制的重要理论基础。下面以正弦脉宽调制SPWM为例说明PWM控制的基本原理。(a） (b)图2-4 PWM控制的基本原理示意图如图2-4所示，在图2-4a中，将正弦半波分成N等份，把正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于n/N，但幅值不等，脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果此脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合，并且使矩形脉冲和相应正弦部分面积即冲量相等，就得到了如图2-4b所示的脉冲序列。这就是PWM波形。从中可看出PWM各脉冲的宽度是按正弦规律变化的。根据冲量相等效果相同的原理，此PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦负半周，可用同样的方法得到相应的PWM波形。这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，成为SPWM波形。在PWM波形中，要改变等效输出正弦波的幅值只要按同一比例改变各脉冲的宽度即可。2.6 主要器件介绍2.6.1 晶闸管SCR晶闸管是最早出现得可控器件。其功率最大，使用最广泛，在电力电子应用领域中占有很重要的地位。普通型SCR电压高达6000V，电流达数千安培，自身电压降1.5V，开通仅需要在控制级上加一个小触发脉冲，然后想要关断这种器件必须用电感、电容和辅助开关器件组成强迫环流电路。由于工作频率低，关断电路复杂，效率低，功耗大，因此在PWM调制中产生的正弦波还不够完善，而且噪音较大。目前UPS中，主要把SCR器件用作整流器和静态开关。如图2-5图2-5 SCR外形图2.6.2场效应管MOSFET功率MOSFET是一种全控型三端器件。其开关速度快，安全工作区宽，热稳定性好，线性控制能力强，采用电压控制，易于实现计算机控制，因此常常作为开关器件实现能量变换。一般来说，MOSFET驱动电路比BJT简单。MOSFET的缺陷是输入阻抗高，抗静电干扰能力低，承载能力和工作电压低。功率MOSFET晶体管多用于电压为500V以下的低功率高频率能量变换装置。由于器件受功率的限制，因此只应用与小型UPS的斩波器或逆变器中。如图2-6图2-6 MOSFET外形图2.6.3 绝缘栅晶体管IGBTIGBT是一种新发展起来的复合型电力电子器件，既有单极性电压驱动的MOSFET得优点，又有双极性器件BJT耐高压、电流大的优点。其开关速度显然较功率MOSFET低，但远高于BJT，又因为它是电压控制器件，故控制电路简单、稳定性好。IGBT的最高电压为1200V，最大电流为1000A，工作频率高达1000KHZ，它具有电压控制和极短的开关时间。在UPS中，普遍用于逆变器和斩波器，也有的用于整流器。2.6.4运算放大器LM324LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，其内部包含4组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，两组运算放大器相互独立，引脚及内部方框图如图2-7所示，LM324具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用于各种电路中。图2-7 运算放大器2.6.5 变压器变压器采用普通工频变压器，初级为12V,次级为220V,外形见图2-8。图2-8 变压器2.6.6 压敏电阻压敏电阻器简称VSR，是一种对电压敏感的非线性过电压保护半导体元件。它在电路中用文字符号“RV”或“R”表示，图2-9是外形图，图2-10为电路图形符号。图2-9 压敏电阻外形图 图2-10 电路图形符号2.7 各功能模块电路介绍2.7.1 整流电路整流电路的作用是将交流降压电路输出的电压较低的交流电转换成单向脉动性直流电，这就是交流电的整流过程，整流电路主要由整流二极管组成。经过整流电路之后的电压已经不是交流电压，而是一种含有直流电压和交流电压的混合电压。习惯上称单向脉动性直流电压。图2-11 全波整流电路图2-12 输入曲线与输出曲线图2-11为全波整流电路，图2-12是输入曲线与输出曲线，将交流电转换成单向脉动性直流电。通过二极管的单相导通的特性，使输出曲线全在正半轴，输出脉动直流电流。整流变压器在设计中的作用有三：(1)它可扩大整流电路中晶闸管控制角的调节范围，提高调节性能。(2)起隔离作用。它使整流电路与电网电源隔离开来，使它们之间不发生电的直接联系，这样可减轻电网对整流/充电电路的干扰和影响，同时也减少了整流/充电电路对电网上其他用电设备的干扰。(3)降压作用。整流变压器将电网电压变换成与负载相匹配的电压，这有助于提高晶闸管整流器的性能。一般情况下，整流器的副边次级电压低于原边初级电压，因此这里的整流变压器属降压变压器。它的接线方式要与同步变压器接线相配合，以满足主回路电路与同步电压之间的相位关系。2.7.2 其余电路滤波电路：滤波的方法一般采用无源元件电容或电感,利用其对电压,电流的储能特性达到滤波的目的.由于电抗元件在电路中有储能作用，并联的电容器C在电源供给的电压升高时，能把部分能量储存起来，而当电源电压降低时，就把能量释放出来，使负载电压比较平滑，即电容C具有平波的作用；与负载串联的电感L,当电源供给的电流增加（由电源电压增加引起）时，它把能量储存起来，而当电流减小时，又把能量释放出来，使负载电流比较平滑，即电感L也有平波作用。 滤波电路形式很多，为了掌握它的分析规律，把它分为电容输入式（电容器C接在最前面）和电感输入式（电感器接在最前面）。前一种滤波电路多用于小功率电源中，而后一种滤波电路多用于较大功率电源中（而且当电流很大时，用电感器与负载串联）开关机控制：开关机控制电路由继电器作为执行部件，当继电器吸合时，限幅放大器输出的信号对地短路，后级电路停止工作达到关机目的。前置驱动：前置驱动电路为电压跟随器，组成此电路不起放大作用，只为驱动功率放大电路，为功率管提供足够的驱动电流。功率放大电路：功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路。它一般直接驱动负载，带载能力要强。功率放大电路采用简单的OCL功放电路。 升压变压器：升压变压器为普通的工频变压器，压敏电阻标称值为220V，此电阻为过压保护电阻，防止电压过高伤及人身安全。输出切换电路：有双刀双掷的继电器，线圈工作电压为DC220V，当输入的AC220V电压存在时，双刀双掷的继电器吸合输出自动切换到常用电源，不存在时，输出切换到由升压电路提供的电源。电源检测：当输入电源AC220V存在时，光电耦合器导通，控制继电器吸合，升压电路停止工作，当无电源输入AC220V存在时，此时失压告警电路开始报警。失压报警电路：失压报警电路由2个多谐振荡电路组成，音频振荡电路，振荡频率约为2kHz。间隙振荡电路周期为2Hz，通过隔离后调制音频信号，并拥有报警音控制电路。过流保护电路：过流保护电流由取样电阻、三极管放大电路、检波电路、电压比较电路和锁存电路组成。放大电路，将对取样电阻的电压进行放大，调整放大电路的静态点。检波电路，将交流信号转换成直流电压。过流保护指示电路，LED点亮时过流保护启动。39第3章 系统硬件设计3.1 系统总体框图图3-1系统整体框图系统由直流稳压电源提供稳定输入，直流稳压电源向逆变电路和SPWM信号产生电路提供稳压电流，电流通过逆变主电路，将输入的直流逆变为交流，并通过滤波电路得到预期正弦交流输出，同时过流保护电路对整体电路提供保护，从而保障系统运行。整个系统主要由逆变主电路，SPWM信号产生电路，驱动电路，过流保护电路等构成。3.2 逆变电路结构UPS不间断电源设