三相10KVA-UPS电源初步设计.docx

辽 宁 工 业 大 学电力电子技术课程设计（论文）题目：三相10KVA UPS电源初步设计 院（系）： 专业班级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 起止时间：2014-12-29至2015-1-9本科生课程设计（论文）课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室： 电气学 号学生姓名专业班级课程设计（论文）题目三相10KVA UPS电源初步设计课程设计（论文）任务课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数实现功能为了满足一些重要用电设备的连续供电，先将交流电直流成直流电，一路给蓄电池充电，一路经逆变器变成恒压恒频的交流电。设计任务1、方案的经济技术论证。2、整流滤波电路设计。3、逆变电路设计。4、通过计算选择器件的具体型号。5、驱动电路设计或选择。6、蓄电池选择；7、绘制相关电路图。8、进行matlab仿真。9、完成设计说明书要求1、 1、文字在4000字左右。2、 2、文中的理论分析与计算要正确。3、 3、文中的图表工整、规范。4、元器件的选择符合要求。技术参数1、输入三相交流电380V。2、输出电压交流三相380V恒定。3、输出交流电频率恒定50HZ。4、输出容量不小于10kVA。5、市电断电后工作时间不小于10分钟。进度计划第1天：集中学习；第2天：收集资料；第3天：方案论证；第4天：整流电路设计；第5天：逆变电路设计；第6天：驱动电路设计；第7天：元器件具体选择；第8天：蓄电池容量确定及选择；第9天：matlab仿真、总结并撰写说明书；第10天：答辩指导教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘 要为了满足一些重要用电设备的连续供电，对电网供电提出了更高的要求。为此，引入一种新型UPS是不间断电源（Uninterruptible Power Supply）的英文简称，是能够提供持续，稳定，不间断的电源供应的重要外部设备。其基本工作原理是，当市电正常时，市电经整流器整流为直流给蓄电池充电，可保证蓄电池的电量充足。一旦市电异常乃至停电，即由蓄电池向逆变器供电，蓄电池的直流电经逆变器变换为恒频恒压交流电继续向负载供电，因此从负载侧看，供电不受市电停电的影响。本设计题目为三相10KVA UPS电源初步设计，主要内容为设计三进三出UPS电源，利用SCR多相相控整流器和SPWM半桥式逆变器作为UPS的主电路，蓄电池采用12V蓄电池串联组成，电路由主电路、驱动电路、触发电路和保护电路构成。关键词：整流；逆变；UPS电源；蓄电池III目 录第1章 绪论11.1 电力电子技术概况11.2 本文设计内容2第2章 三相10KVA UPS电源电路设计32.1 总体设计方案32.2 具体电路设计42.2.1 主电路设计42.2.2 控制电路设计72.2.3 保护电路设计82.3 元器件型号选择82.3.1 晶闸管参数计算与选择82.3.2 IGBT参数计算与选择92.3.3 蓄电池的容量配置92.4 系统仿真102.4.1 MATLAB仿真软件简介102.4.2 各部分电路仿真模型建立102.4.3 部分仿真波形及数据分析12第3章 课程设计总结17参考文献18第1章 绪论1.1 电力电子技术概况计算机已在各行各业得到广泛应用。作为直接关系到计算机软硬件能否安全运行的的一个重要因素电源质量的可靠性应当成为中小企业首要考虑的问题。伴随着计算机的诞生而出现的UPS（Uninterruptable Power System）现已被广大计算机用户所接受。UPS主要用于给单台计算机、计算机网络系统或其它电力电子设备提供不间断的电力供应。目前，UPS正在被广泛地应用于计算机、交通、银行、证券、通信、医疗、工业控制等行业。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。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，使得总的功率因数下降，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，有了功率因数校正方法，为21世纪UPS电源产品的绿色化奠定了基础。随着新技术不断开发和在实践中的逐步应用，可以预见：今后UPS将向着高频化、智能化、网络化和大容量单机冗余化的方向发展。 高频化：虽然传统在线式UPS的技术已经非常成熟，由于它本身带有许多无法突破的问题，供其发展前途受限。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，3KVA及以下的高频在线式UPS的技术和产品已经成熟悉，其功能和可靠性均应高于传统UPS。高频化对于减小体积、降低成本以及对曲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，并能将有关信号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。在大容量的UPS目前还必须通过并机的方法实现，但这样作又作用户投资太大。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。 由此可看出，UPS已当之无愧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 本文设计内容本次设计的UPS采用SCR多相相控整流器和SPWM半桥式逆变器作为UPS的主电路，将蓄电池直接接在直流母线上，用整流器向蓄电池充电。其输入采用了12相输入整流变压器。可以实现负载与市电电源的隔离，有时为了确保负载不受市电电源的干扰，还可以再加入一个输出隔离变压器。当市电断电时，蓄电池组通过三组半桥式逆变器输出稳定的交流电。当逆变器出现故障时，通过旁路负载供电，从而可以保证供电的不间断。这种UPS的市电输入功因数可以达到0.90。这种UPS的优点是可以实现负载与市场电源的完全隔离，缺点是体积和质量大。第2章 三相10KVA UPS电源电路设计2.1 总体设计方案当前UPS出现了高频UPS热，处于由工频UPS向高频UPS发展的关键时期，高频UPS是发展方向，但工频UPS由于其所具有的特殊功能，如可以使负载与市电电网隔离等，仍然还有使用价值。本次设计为采用SCR多相相控整流器的工频UPS，工频UPS容易做到输出、输入、直流、旁路的隔离， 耐冲击，技术简单。由SCR多相相控整流器和IGBT三相SPWM半桥式逆变器作为UPS的主电路，将蓄电池直接接在直流母线上，用整流器向蓄电池充电。系统的方框图如图2.1所示:蓄电池整流电路逆变电路旁路市电负载图2.1 三相UPS原理图各部分电路说明如下:（1）整流电路：把交流电能转换为直流电能的电路。用于将市电输入的劣质交流电能变换成直流电能，以便于将其逆变成恒压，恒频的优质电能，向负载不断地供电。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。（2）逆变电路：用于将整流器输出的直流电能和市电停电时蓄电池中存储的直流电能，变换成恒压恒频的优质电能，向负载不间断地供电。（3）蓄电池: UPS中的储能器件。当市电正常时，由市电经过整流向蓄电池充电，使蓄电池储能；当市电故障时，将负载转换到由蓄电池经过逆变器的逆变作用向负载供电。它是UPS实现不间断供电功能的关键组成部分。（4）旁路: 当UPS过载或逆变器故障时，用于立即切换到市电供电，以保证不间断地向负载提供电能。2.2 具体电路设计2.2.1 主电路设计一、整流电路随着整流装置功率的进一步加大，它所产生的谐波、无功功率等对电网的干扰也随之加大，为减轻干扰，可采用多重化整流电路。将几个整流电路多重联结可以减少交流侧输入电流谐波，而对晶闸管多重整流电路采用顺序控制的方法可提高功率因数。本次设计采用采用多重联结不仅可以减少交流输入电流的谐波，同时也可减小直流输出电压中的谐波幅值并提高纹波频率，因而可减少平波电抗器。如图2.2是移相构成串联二重联结电路的原理图，利用变压器二次绕组的接法不同，使两组三相交流电间相位错开，从而使输出整流电压在每个交流电源周期中脉动12次，故该电路为12脉波整流电路。整流变压器二次绕组分别采用星形和三角形接法构成相位相差、大小相等的两组电压，接至相互串联的两组整流桥。图2.2 移相串联二重联接电路由于串联多重化整流电路相当于两个三相桥式全空整流电路串联，两桥间相位差为，所以将两相位差为的三相桥式全控电路电压波形叠加即可得到串联12脉波全控整流电路电压波形，如图2.3所示:图2.3 串联12脉波全控整流电路电压波形二、逆变电路用三个单相逆变电路可以组合成一个三相逆变电路。但在三相逆变电路总，应用最广的还是三相桥式逆变电路。采用IGBT作为开关器件的三相电压型桥式逆变电路如图 2.4所示，可以堪称由三个半桥逆变电路组成。和单相半桥、全桥逆变电路相同，三相电压型桥式逆变电路的基本工作方式也是也是导电方式，即每个桥臂的导电角度为，同一半桥上下两个臂交替导电，各相开始导电的角度依次相差。这样，在任一瞬间，将有三个桥臂同时导通。可能是上面一个臂下面两个臂，也可能是上面两个臂下面一个臂同时导通。因为每次换流都在同一相上下两个桥臂之间进行，因此也被称为纵向换流。对于U相输出来说，但桥臂1导通时,当桥臂4导通时，。因此，的波形是幅值为的矩形波。V，W两相的情况和U相类似，、 的波形形状和相同，只是相位一次差。、的波形如图2.5a、b、c所示。uNN的波形如图2.5e所示，它也是矩形波，但其频率为频率的3倍，幅值为其1/3，即为。、的波形和形状相同，相位依次相差120。把桥臂1、3、5的电流加起来，就可得到直流侧电流的波形，如图2.5h所示。可以看出，每隔60脉动一次，而直流侧电压是基本无脉动的，因此逆变器从交流测向直流侧传送的功率是脉动的，且脉动的情况和脉动情况大体相同。这也是电压型逆变电路的一个特点。图2.4 三相电压型桥式逆变电路图2.5 三相电压型桥式逆变电路的工作波形2.2.2 控制电路设计设计采用三相SPWM逆变控制，具有调节电压的功能，同时具有改善波形的功能，此外，PWM控制亦可以消除较低次谐波。SPWM是在PWM的基础上，将期望输出的正弦电压波形假想成有一组等宽不等幅的片断组合而成，然后用一组冲量对应相等的等幅不等宽(即脉冲宽度调制)脉冲将它们依次代替，从而在滤波器输出端得到期望的正弦电压波形。这样的脉冲可以由电子开关的通断控制实现。理论推导和实际的频谱分析表明:SPWM脉冲电压具有与理想正弦电压相一致的基波分量，而且最低次谐波的频率可以提高到SPWM调制频率(即开关频率，对应于每基波周期的脉冲个数)附近。因此，当开关频率足够高时，利用较小的滤波器就能将其中的谐波滤除掉。此外，只需改变SPWM脉冲宽度，就可以平滑地调节输出电压的基波幅值。采用了SPWM技术的逆变器即为SPWM逆变器，它在波形质量和控制性能上相对方波型逆变器有了巨大的进步。波形分析如图2.6所示:图2.6 三相SPWM逆变控制波形2.2.3 保护电路设计在电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适，驱动电路设计良好外，采用合适的过电压保护、过电流保护也是有必要的。抑制过电压的方法：用非线性元件限制过电压的幅度，用电阻消耗生产过电压的的能量，用储能元件吸收生产过电压的能量。使用RC吸收电路，这种保护可以把变压器绕组中释放出的电磁能量转化为电容器的电场能量储存起来。由于电容两端电压不能突变，所以能有效抑制过电压，串联电阻消耗部分产生过电压的能量，并抑制LC回路的震荡。晶闸管的过电压能力较差，当它承受超过反向击穿电压时，会被反向击穿而损坏。如果正向电压超过管子的正向转折电压，会造成晶闸管硬开通，不仅使电路工作失常，且多次硬开关也会损坏管子。因此必须抑制晶闸管可能出现的过电压，常采用简单有效的过电压保护措施。如图2.7所示:图2.7 过电压保护电路2.3 元器件型号选择2.3.1 晶闸管参数计算与选择1、额定电压晶闸管在三相桥式全控整流过程中承受的峰值电压，考虑安全裕量，一般晶闸管的额定电压为工作时所承受峰值电压的23倍。即u额=（23）。理想变压器二次侧电压为220V，所以晶闸管的额定电压：2、额定电流整流后通态有效电流： 考虑安全裕量，应选用晶闸管的通态平均电流为计算的（1.52）倍。计算得。综上，选择柳晶/KP10A1200V 型号的晶闸管。2.3.2 IGBT参数计算与选择1、 额定电压额定电压= (2-1)：交流电源的峰值电压：电网电压波动系数：直流中间回路有反馈时的泵升电压：必要的电压安全系数 2、额定电流额定电流： (2-2)cos：功率因数U：交流电源相电压有效值：电流的安全系数，取：电流脉动率，取 综上，选择三菱生产的CM30TF-24H(E) 30A/1200V/6U 型号IGBT。2.3.3 蓄电池的容量配置基本公式： (2-3) Ah=1h（小时） (2-4)有关参数:电池供电标称电压为192Vac时：正常电压220Vac，放电终止电压165Vac TA、TB、TC系列逆变器效率：0.92每只12V电池放电终止电压按10.3V计算本设计方案中的电池容量： 即：用一组16节12V/8Ah电池可延时10分钟左右。2.4 系统仿真2.4.1 MATLAB仿真软件简介MATLAB（矩阵实验室）是MATrix LABoratory的缩写，是一款由美国The MathWorks公司出品的商业数学软件。MATLAB是一种用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。以矩阵为基本编程单元的一种程序设计语言，它提供了各种矩阵的运算与操作，并有较强的绘图功能，是目前国际上最流行的控制系统计算机辅助设计软件。新版本的推出，使得Matlab的应用范围更加广泛，而且增加了许多工具箱，如信号处理、通信系统、虚拟实现、系统辨识、神经网络、模糊逻辑、实时空间等科学领域的工具箱，以供不同专业的科研技术人员开发利用。Simulink是Matlab软件的扩展，它是实现系统建模和仿真的一个软件包，可以用连续采样时间离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。它和Matlab语言的主要区别在于，与用户的交互接口是基于Windows模型化图形输入，使得用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建而非编程上。目前Mathworks公司已经把Simulink发展成为一个系列的产品。例如MATLAB/Simulink中SimPower Systems是专为电力电子和电气传动系统仿真设计的，包含有少数开关装置和简单电力电子转换器件。转化器的开关器件是基于由V-R-L支路组成的微模型结构，为使开关器件正常工作，在开关器件两端并接R-C吸收电路。Simulink提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到仿真结果。2.4.2 各部分电路仿真模型建立一、整流电路串联12脉波整流电路主电路由三相对称交流电压源、整流变压器、晶闸管整流桥、同步脉冲触发器、RLC负载等部分组成。同步脉冲触发器与晶闸管整流桥是不可分割的2个环节,2个晶闸管整流桥串联联结给负载供电,在Simulink环境下串联12脉波整流电路的仿真模型如图2.8所示。三相对称交流电压源参数设置:三相对称交流电压源的幅值设为220V,频率为50Hz,相位分别为、。三相变压器参数设置:采用3绕组三相变压器,1次侧绕组采用形接线方式,2次侧绕组分别采用形和形接线方式。为了便于观察,3个绕组的额定电压分别取380V,220V,220V。三相晶闸管整流桥参数设置:使用默认值。RLC负载参数设置:R取100,L取0,C取inf。同步脉冲触发器设置:频率为50Hz,脉冲的宽度取20degrees,选择双脉冲触发方式。选定触发角为。二、逆变电路三相桥式SPWM逆变电路的建立从 Matlab/Simulink 的 Electrical Sources 模块库中选取 DC 电压源元件， 从 Power electronics 模块库中选取串联 RLC 支路元件，可以设定为阻性或感性，从Extra Library 模块库中选取 Synchronized 6-PulseGenerator，即同步 6 脉冲发生器，为整流桥提供触发脉冲；选取 Universal bridge 即通用三相桥；从Simulink 库中选取电压、电流表和示波器，测量电压和电流。建立仿真模型如图 2.9所示。选择 ode23tb 算法，仿真时间设置为 0.08 秒，串联 RLC 负载参数设置为 R=50，C=inf，L=0.03H，电源电压设置为 100V， 其他选择默认参数。三、整体电路整体电路的模型建立将整流电路和逆变电路结合，外加一个旁路和蓄电池，建立仿真模型如图2.10所示：图2.8 整流电路模型图2.9 三相桥式SPWM逆变电路图2.10 整体电路2.4.3 部分仿真波形及数据分析一、整流电路仿真时间设为0.05s,数值算法采用ode23tb,完成上述步骤后运行仿真模型,从示波器中观察输出波形。图2.11为纯电阻负载情况下输出的电流和输出电压的仿真波形。图2.11 电流与电压的波形市电输入电流为12梯级阶梯波，与120导通角的方波电流相比是很接近于正弦的，如图2.12所示：图2.12 电流波形图二、逆变电路运行三相桥式 SPWM 逆变电路仿真模型，可得到负载相电压、负载相电流、负载线电压、电源电流波形如图2.12-2.16所示：图2.12 负载相电压和相电流图2.13 负载相电压(1)图2.14 负载相电压(2)图2.15 负载线电压图2.16 电源电流第3章 课程设计总结UPS不间断电源是一种含有储能装置，以逆变器为主要组成部分的恒压恒频的不间断电源。主要用于给单台计算机、计算机网络系统或其它电力电子设备提供不间断的电力供应。当市电输入正常时，UPS将市电稳压后供应给负载使用，此时的UPS就是一台交流市电稳压器，同时它还向机内电池充电：当市电中断（事故停电）时，UPS立即将机内电池的电能，通过逆变转换的方法向负载继续供应220V交流电，使负载维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏。UPS设备通常对电压过大或电压太低都提供保护。功率MOS管已在大容量UPS中广为应用，但功率MOS管难以达到高电压大电流，其饱和压降高于晶体管，于是，兼有晶体管和功率MOS管优点的绝缘门限晶体管（IGBT）应运而生，促使UPS逆变技术更趋成熟目前UPS制造商们都在争先采用IGBT。当然任何器件都不十全十美，比如IGBT有寄生的电流掣住效应，在一定程度上也限制了它的使用。UPS控制电路也发展很快，由开始的分立元件的简单控制发展到今天的微处理机控制，由硬件控制又发展成软件控制，如IPM的软件滤波器；甚至光纤通讯也被引入UPS，如意大利西力UPS的并联就采用了光纤通讯。UPS已经由初期的单纯供电发展到目前的多功能应用，UPS不再仅仅是供电电源，而且当那些作为负载的计算机在无人值守时，要求UPS自动地定时开机，定时关机，当市面上电故障后，UPS还可以及时通知计算机并可按照事先的约定顺序关机，UPS除了上述的旋转发电机式和静止变换式而外，还有一种将二得结合起来的U