毕业设计（论文）-三相不间断电源(UPS)的分析.doc

浙江大学远程教育学院本科生毕业论文（设计）题 目 三相不间断电源（UPS）的分析 专 业 电气工程与自动化 学习中心 广州学习中心（珠海） 姓 名 学 号 指导教师 2012年 11 月 12 日摘要随着科学的发展社会的进步，工业自动化的高度发展，很多制造工厂的自动化设备，要求提供高质量的频率漂移，波形失真极小的交流电源。根据自动化设备电机的规定，对于需要配置不间断电源的设备电机提供的交流电源至少应满足：380V/220V、50HZ、三相四线制、电压波动小于5%、频率波动小于0.5%、波形失真小于5%。本文章是就三项不间断电源（UPS）在自动化设备生产线-电子表面组装的应用，分析三项不间断电源的电路，控制技术以及最新发展动向。关键词 不间断电源,自动化设备,表面组装目 录一、 绪论.4(一) 引言.4(二) 三相不间断电源目的及意义.41. 博世(珠海)安保系统有限公司贴装设备介绍.42. 三相不间断电源（ABU-33030TT）的选择.5二、 三相不间断电源（ABU-33030TT）的电路拓扑分析.6(一) 整流和功率因数校正电路.6(二) 蓄电池组和充放电电路.8(三) 逆变电路.8(四) 三相不间断电源整机电路.10三、 不间断电源（ABU-33030TT）的控制技术.10四、 不间断电源的最新发展动向.11(一) UPS的多机并联技术实现冗余化.11(二) UPS的数字化、高频化.12(三) UPS的智能化、网络化.12五、 总结.13参考文献.13一、 绪论(一) 引言现代社会中，电能是一种使用最为广泛的能源，其应用程度是衡量一个国家发展水平的重要标志之一。随着科学技术的发展，人类社会对电能的需求正日益增加，同时对电能质量以及供电安全性的要求也越来越高。例如，博世（珠海）安保系统有限公司的表面组装生产线上的工业自动化生产设备，供电故障将有可能对其带来巨大的经济损失。所以，使用三相不间断电源(UPS, Uninterruptible Power System)，确保关键用电设备的安全性及延续性是解决上述问题的最重要的方法之一。表面组装技术是SMT（Surface Mounted Technology的缩写），是无需对印制板钻插装孔，直接将表面组装元器件贴、焊到印制板表面规定位置上的装联技术；是目前电子组装行业里最流行的一种技术和工艺。其设备也是目前电子组装行业里最先进的自动化设备。表面组装生产线是由印刷机（滴胶机），贴片机，回流炉以及自动光学检查机组成。印刷机：作用是将焊膏漏印到线路板的焊盘上，为元器件的焊接做准备。滴胶机：因现在所用的电路板大多是双面贴片，为防止二次回炉时投入面的元件因锡膏再次熔化而脱落，故在投入面加装滴胶机，它是将胶水滴到线路板的固定位置上，其主要作用是将元器件固定到线路板上。贴片机：其作用是将表面组装元器件准确安装到线路板的固定位置上。回流炉：作用是将焊膏融化，使表面组装元器件与线路板牢固粘接在一起。自动光学检查机：作用是对组装好的线路板进行焊接质量和装配质量的检测。SMT设备的稳定是确保工厂高速度、高质量得制造精密的电子产品，而设备的稳定需要高质量的电源供给。即，SMT设备对电源的基本要求是：380V/220V、50HZ、电压波动小于5%、频率波动小于0.5%、波形失真小于5%。(二) 三相不间断电源目的及意义由于珠海是沿海城市，夏天雷电天气非常的多，雷电会严重影响电网的质量；再由于低碳减排，国家对每个城市都有强硬的省电指标，所以，每个工业区都要错峰用电，从而电网供电不足，电压波动大，经常突然跳砸停电，这样严重影响了博世（珠海）工厂的正常生产，造成在生产中的产品的报废已及设备的损坏，造成巨大的损失。所以，三相不间断电源在珠海工厂的投资是非常的有必要的。1、 博世(珠海)安保系统有限公司贴装设备介绍回流炉自动光学检查机贴片机滴胶机印刷机印刷机（EKRA X5）德国制造，电源要求：230V 50/60Hz 功率2.0Kw滴胶机（CAMALOT/GEM2-3）美国制造，电源要求：230V,50Hz, 功率2.3Kw贴片机（西门子 Siplace D4，Siplace D3）德国制造, 电源要求：3x380VAC5%; 50/60Hz，功率 4.0+8.5Kw回流炉（Rehm V8.1 Nitro 3.2B）德国制造，电源要求：220/380V,50Hz，功率70Kw自动光学检查机（Vantage-NC-S-22-25）芬兰制造，电源要求：230V 50/60Hz, 功率1.4Kw总功率=2.0+2.3+4.0+8.5+1.4=18.2Kw（用于配置需要多大输出功率的UPS）2、 三相不间断电源（ABU-33030TT）的选择根据以上生产线的电源要求，选择这一款三相的、输出额定功率大于18.2Kw的不间断电源及可以满足了，所以根据APC公司ABU-33030TT不间断电源的规格参数，完全满足要求。其规格如下：工作方式双变换纯在线式主路输入相数三相+N+G输入功率因数0.8输入标称电压220/380VAC电压波动范围25%输入标称频率50Hz10%,60Hz10%直流输出纹波2%旁路输入相数三相+N输入标称电压220/380VAC电压波动范围25%输入标称频率50Hz10%,60Hz10%转换时间0ms电池充电模式先恒流后恒压浮充电压432VDC均充电压464VDC温度补偿电压3mV/（单体）充电电流0.1C(根据电池容量设置自动调节)充电功率额定容量的20%电池节数12V类型32节输出相数三相+N额定功率24KW标称电压220/380VAC输出电压稳定度1%（稳态负载），5%（负载波动）频率稳定度50Hz, 60Hz3:1输出波形失真度3%动态特性瞬变电压5%(由0到100%跃变),瞬间恢复时间10ms不平衡负载电压95%（满载）保护功能输入保护电压、频率超限；错相、缺相输出保护过流、短路电池保护过充保护、过放保护温度保护环境过温保护、逆变器过温保护硬件故障保护辅助电源异常、断路器跳闸、熔断器断开及功率器件过流保护二、 三相不间断电源（ABU-33030TT）的电路拓扑分析不间断电源（UPS）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。其整体原理图如下：UPS可靠运行离不开各模块的协调工作，下面就其主要功能模块电路拓扑进行简要分析。（一） 整流和功率因数校正电路整流电路在应用中构成直流电源装置，是公共电网与电力电子装置的接口电路，其性能将影响公共电网的运行和用电质量。高性能的UPS要求有较高的输入功率因数，并尽量减少输入电流的谐波分量。传统单相UPS多采用模拟方法，三相UPS多采用相控式整流电路和电压型单管整流电路。ABU-33030TT不间断电源采用的整流原理图如下：三相四线380V交流电压经空气开关KK、快速熔断器KRD、整流变压器降压隔离、再经三相全控桥式整流；整流输出经电感L、电容C滤波，LEM霍尔电流传感器，熔断器RD，接触器JQ接至蓄电池。微机(80C196单片机系统)控制回路由主控、测量、同步、脉冲输出、信号输入、信号输出及电源等部分组成。ABU-33030TT采用了三相桥式全控整流电路，这是因为，这可以将整流器和充电器合为一体，简单电路的设计；自动地调节脉冲相位，才能保证整流器的直流输出电压的稳定。原理图如下，图中KPl6为晶闸管，晶闸管KP1、KP3、KP5组成共阴极组，而晶闸管KP2、KP4、KP6组成共阳极组。三相桥式整流电路是两组三相半波电路的串联，因此整流电压为三相半波时的两倍。很显然在输出电压相同的情况下，三相桥式晶闸管要求的最大反向电压，可比三相半波线路中的晶闸管低一半。ABU-33030TT功率因数校正电路,如下图案指示, 输入交流电经CT2，电感L1、L2，整流桥BR02、VM1A、U305、U10组成升压斩波电路，在电容C320、C332、C334、C338及C313、C321、C333、C335上产生370V的BUS电压作为逆变器输入，经逆变器的转换，产生正弦交流输出。与此同时，UC3854将检测市电电流和市电电压，对功率元件进行控制，使输入电流的波形与电压波形相近，相位相同，以提高输入功率因数，避免对电网产生谐波干扰。稳定的DC BUS有助于稳定交流输出电压，因此要特别注意DC BUS电压的稳定和准确。本机由CNTL直接根据输入交流电压的高低和当前BUS电压高低进行控制，不需人工调整DC BUS电压。（二） 蓄电池组和充放电电路蓄电池组是UPS的储能单元，市电正常时它吸收来自市电的能量并以化学能的形式储存起来，一旦市电中断，它把储存的化学能转换为电能向逆变器供电，维持负载供电的连续性。在ABU-33030TT的充电器电路如下图:市电经P(L)、P(N)进入功率板做为充电器的输入电源， 经由BR01、 VM208、 U206、 TX1、U202、U203等构成隔离反激式变换器，转换为直流电压对电池充电。为确保电池寿命，充电器输出电压必须保持稳定，调整VR301可得到需要的充电电压Uch，同时TX1的副边还为功率因数校正电路提供驱动电源PFVCC、PFVCC0、PFVCC；该反激式变换器由开关型PWM集成电路U206控制，CPU通过(加在TLP521上的)信号控制U206的工作。当有市电时，TLP521截止，U206起振,正常工作，给蓄电池充电；当无市电时，TLP521导通，将定时电容对地短路，U206停振，从而停止充电,同时功率因数校正电路也停止工作。（三） 逆变电路逆变器是UPS的核心，它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(220V/380V, 5OHz)、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(Constant Voltage Constant Frequency)的交流电。ABU-33030TT不间断电源采用的IGBT组成的三相桥式逆变电路；IGBT驱单元采用日本富士公司生产的EXB841驱动芯片组成的驱动电路；逆变控制系统设计采用冗余设计方案： 两套由INTEL公司生产的16位微处理器80C196MC组成的控制系统1#和控制系统2# (两者互为备用)共用一组功率单元及其驱动单元。 如下图所示，逆变器的输入来自整流/充电器的直流输出，经三相IGBT全控逆变桥，在逆变控制系统PWM控制方式下产生PWM脉冲波输出，再经特殊设计的隔离变压器(原边为三角形接法，副边为星形接法)隔离、滤波后产生稳压稳频的正弦交流电输出。其中K2为快速晶闸管组成的静态开关，是为实现负载不间断供电而设置的转换开关。该逆变器的主电路图如下，逆变开关器件采用两单元的IGBT模块。T1为工频隔离变压器。静态开关由一对反并联的快速晶闸管组成。静态开关实现了逆变器电源和旁路电源之间的切换，保证负载的不间断供电。 UPS电源的逆变器产生的50Hz正弦波电源应随时保持与市电50Hz工频旁路电源的同频、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UPS电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UPS电源系统控制中引入了“锁相同步”环节。（四） 三相不间断电源整机电路ABU-33030TT在线互动式的UPS,是一种功率转换较高，串并联补偿式的大容量结构，如下图：这种拓扑输入输出没有变压器隔离，会有高频链式UPS的缺点。这种输出频率必须保持与电网一致，而且对电网的扰动的抑制能力不强，因而供电质量比传统的三相UPS差。它的特点是从输入到输出间的能量不是经过满功率的变换，同样是由两个高频变换器组成。在控制方法上，变换器1是一个电压补偿器，用于补偿电网电压的畸变；变换器2是一个电流补偿器，用于补偿负载的谐波电流，并且在市电断电时作为满功率电压型逆变器向负载供电。三、 不间断电源（ABU-33030TT）的控制技术随着控制理论和功能丰富，性能优良的各种微控制器的迅猛发展，出现了多种离散化控制方法。从控制反馈回路的数目可分为单环、双环、多环控制。在硬件允许的条件下尽可能地提高反馈回路数目，可以提高控制效果。从控制原理上看包括数字PID控制、预测控制、无差拍控制、重复控制、滑模变结构控制、模糊控制、神经网路控制、空间矢量控制等方法。总体的控制系统的原理图如下：被测量y与给定值r比较形成偏差e，控制器以e为输入，按一定的控制规律形成控制量u，通过执行机构完成对被控对象的控制，最终使得被控量y运行在给定值r。ABU-33030TT是采用数字PID控制控制，该控制的适应性好，具有较强的鲁棒性；算法简单明了，便于用单片机或DSP实现。区别于以下的各控制系统，各有优劣。（预测控制，无差拍控制，滑摸控制，重复控制，模糊控制）预测控制可以实现很小的输出电流畸变，抗噪音能力强，但是，这种算法要求知道精确的负载模型和电路参数，因此鲁棒性差，而且由于数值计算造成的延时在实际应用中也是一个问题。滞环控制具有快速的响应速度，较高的稳定性，但是滞环控制的开关频率不固定，使电路工作可靠性下降，输出电压的频谱变差，对系统性能不利。无差拍控制的基本思想是根据逆变器的状态方程和输出反馈信号推算出下一个开关周期的PWM脉冲宽度，因此，从理论上可以使输出电压在相位和幅值上都非常接近参考电压，由负载变化或非线性负载引起的输出电压误差可在一个开关周期内得到校正。但是，无差拍控制是一种基于被控制对象精确数学模型的控制方法，鲁棒性很差。滑摸控制是一种非线性控制，这种控制的特点是控制的非连续性。这种控制既可以用于线性系统也可用于非线性系统。这种控制方法具有很强的鲁棒性。缺点是要得到一个令人满意的滑模面是很困难的。重复控制是一种基于内模原理的控制方法。逆变器采用重复控制的目的是为了消除因整流桥负载引起的输出电压波形周期性的畸变。重复控制器可以消除周期性干扰产生的稳态误差，但是，由于重复控制延时一个工频周期的控制特点，使得单独使用重复控制的UPS逆变器动态特性极差。模糊控制属于智能控制的范畴。模糊控制器的设计不需要被控对象的精确数学模型，因此具有很强的鲁棒性和自适应性。模糊控制类似于传统的PD控制，因而这种控制有很快的响应速度，但是其静态特性不令人满意。四、 不间断电源的最新发展动向不间断电源的发展动向是UPS的多机并联冗余化，采用冗余并机技术提高UPS的容量和可靠性；采用功能更丰富的硬件设备实现全数字控制，使各种先进的复杂控制算法得以运用而不断提高UPS的性能，即向数字化和高频化发展；UPS的进一步智能化和网络化，使计算机网络成为不间断网络。（一） UPS的多机并联技术实现冗余化。UPS的并联技术可以带来以下几个方面的好处：1可以灵活地扩大电源系统的容量；2可以组成并联冗余系统以提高运行的可靠性：3极高的系统可维修性，当单台电源出现故障时，可以很方便地通过热插拔的方式进行更换和维修。采用并联技术可以形成具有容错功能的冗余式供电系统，从目前掌握的资料来看，主要有以下几种冗余配置方案：1集中式并联控制；2主从式并联控制；3分散式并联控制；4环链式并联控制；5无线式并联控制。（二） UPS的数字化、高频化最初的UPS采用模拟控制方法有很多局限性。随着数字处理器计算速度的不断提高，使得各种先进的数字控制方法得以实现，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。UPS高频化，有效地减小了装置的体积和重量，并可消除变压器和电感的音频噪音，同时改善了输出电压的动态响应能力。数字化控制方法成了当今交流电源领域的一个研究热点，一种必然的发展趋势是各种方法相互渗透，互相结合形成复合控制方案。数字化复合控制是UPS控制的一个发展方向。（三） UPS的智能化、网络化为了适应计算机网络的发展，UPS中已经开始配置RS232接口、RS485接口、USB接口、SNMP卡和MODEM结合，成为计算机网络的一部分，具有以下优异的智能化、网络化特性。1实时监控功能它对UPS各模拟参量和表示工作状态的开关量进行实时高速采样，实现数字式监控。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灯光、报警器呜叫方式报警、也可以用自动拨通电话等方式报警，并做出相应的保护动作。3人机对话的控制方式 大型UPS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远程控制功能在网络化时代，UPS不仅应能向由它直接供电的硬件设备提供保护，还应该对整个网络中的运行程序和数据以及数据的传输途径进行全面地保护，使之成为不间断网络。这就意味着UPS应配置相应的电源监控软件、SNMP(简单网络管理协议)管理器，使其具有远程管理能力，用户可执行UPS与网络平台之间的远程监控和数据的网络通信操作，使UPS成为