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UPS不间断电源系统解决方案-亚太线缆UPS不间断电源系统 随着科技时代发展迅速，ups不间断电源系统越来越普遍，那么ups不间断电源系统有什么优缺点，ups不间断电源系统哪家好，在选择ups不间断电源系统要注意哪些小细节，怎样避免选择ups不间断电源系统的误区，如何选择适合我们的ups不间断电源系统，我们该从哪几方面去着重选择ups不间断电源系统，ups不间断电源系统生产厂家哪家好，我相信大家对ups不间断电源系统还会有很多疑问，那么下面我就和大家好好聊聊ups不间断电源系统。 首页和大家简单介绍一下什么叫做ups不间断电源系统：UPS不间断电源，是将蓄电池（多为铅酸免维护蓄电池）与主机相连接，通过主机逆变器等模块电路将直流电转换成市电的系统设备。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如电磁阀、压力变送器等提供稳定、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就是一台交流式电稳压器，同时它还向机内电池充电；当市电中断（事故停电）时， UPS 立即将电池的直流电能，通过逆变器切换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 设备通常对电压过高或电压过低都能提供保护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，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主电源装置由功率因数调整电路，整流充电电路，逆变器，辅助电路和驱动电路等部分组成。功率因数调整电路消除整流产生的脉冲电路，提高供电质量；整流充电电路为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公司简介 亚太线缆（AsiaPacificCable）是一家致力于：网络综合布线、计算机电缆、屏蔽控制电缆 、光纤光缆、电力电缆、通讯产品等研发、生产、销售的科技公司，并提供系统解决方案的公司，是全球知名品牌，总部位于北美，通过其运营子公司在亚太地区从事通讯电缆、电力电缆及漆包线等产品的制造与分销，营运范围主要分布于新加坡、 泰国、澳大利亚和中国大陆。其客户群包括：政府机关、国家电网、系统集成商、通信运营商和跨国企业，服务亚太地区电力基础设施，光电通信设施等为用户提供完善的产品和服务。 凭借着“科技至上、品质至上，团队至上， 服务至上”的理念，成为全球电缆通讯行业的领先品牌，并拥有实力雄厚的产品设计研发团队，系统方案解决团队，供应链管理团队以及市场营销团队。 亚太线缆为用户搭建稳定可靠的基础构架，帮助企业对未来市场的掌控，协助他们成功。为促进世界经济互补性，改善世界经济贸易逆差的壁垒，鼓励货物流通、服务、资本、技术的融合。致力于为全球经济信息化搭建平等互利的平台，为现代智慧城市，互联网带宽的提升与推进提供助力。公司的目标追求品质可靠追求技术领先追求管理高效追求服务更好亚太线缆UPS不间断电源解决方案 UPS不间断电源，是将蓄电池（多为铅酸免维护蓄电池）与主机相连接，通过主机逆变器等模块电路将直流电转换成市电的系统设备。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如电磁阀、压力变送器等提供稳定、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就是一台交流式电稳压器，同时它还向机内电池充电；当市电中断（事故停电）时， UPS 立即将电池的直流电能，通过逆变器切换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 设备通常对电压过高或电压过低都能提供保护。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。目录摘 要IAbstractII第1章 绪 论1 1.1 课题背景1 1.1.1国内外研究动态1 1.1.2 UPS的发展前景2 1.1.3本课题研究的目的和意义3 1.2设计要求4 1.3方案比较与选择5第2章 在线式UPS的整体结构与工作原理9 2.1 UPS的系统和工作原理9 2.2 系统整体设计原理框图10 2.3 本章小结11第3章 硬件设计12 3.1带功率因数校正的整流滤波电路设计12 3.1.1概述12 3.1.2有源功率因数校正的种类14 3.1.3基于UC3854校正功率因数的电路的实现15 3.2逆变器的设计18 3.2.1 逆变器主回路设计18 3.2.2 逆变器控制电路设计19 3.2.3 蓄电池/市电转换电路24 3.2.4 辅助电源电路及充放电电路设计26第4章 软件设计28 4.1 PWM逆变器的基本原理与产生PWM波的方法28 4.2 逆变器软件设计29结 论32致 谢33参考文献34附录A 硬件总体电路图附录B 程序清单摘 要随着电子技术的飞速发展，各种各样的用电器越来越多，而这其中的绝大部分都是非线性负载，无疑给电网带来了大量的谐波以及其他危害，使供电质量越来越差。不间断电源是一种能够提供优质电能并保证电力供应连续的电力电子装置。UPS不仅仅是一个备用电源，它还具备电力净化的功能，已被广泛应用于众多领域。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主电源装置由功率因数调整电路，整流充电电路，逆变器，辅助电路和驱动电路等部分组成。功率因数调整电路消除整流产生的脉冲电路，提高供电质量；整流充电电路为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。基于电源技术的高频化、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，研究在线式UPS不间断电源。AbstractWith the rapid development of the electronics technology, more and more various kinds of electronic appliances are used, most of which are nonlinear load, No doubt that has brought lots of harmonic and other hazards to the power grid, make the power supply quality worse and worse. Uninterruptible Power Supply (UPS) is an electronic device which provides high quality and uninterruptible electronic power. UPS is not a standby power supply, it also has the function of the power to purify, has been widely used in many fields.Buy the principle of UPS, this paper considers the design scheme from its structure and format for increasing its reliability. The UPS power supply device by the power factor adjustment circuit, rectifier charging circuit, inverter, auxiliary circuit and driver circuit and other parts. Eliminate the rectifier power factor adjustment circuit of pulse circuit improve the quality of power supply ;The rectifier charging circuit offer the energy for UPS online work input; Inverter for UPS to provide the high quality of work online voltage stability and frequency of alternating current output.Based on the development trend of higher frequency, 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 online UPS, using microprocessor as core control.III第1章 绪 论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UPS(Uninterruptible Power System)的出现，为解决这个问题提供了广阔的前景。221.1 课题背景UPS (Uninterruptible Power Supply)，即不间断电源。15主要用于给个人计算机、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将市电稳压后输出给负载，此时的UPS相当于一台交流市电稳压器，同时它还向机内蓄电池充电:当市电异常时，如欠压、断电等，UPS立即将机内蓄电池的电能，通过逆变器向负载继续供应恒压恒频的交流电，使负载维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏。初期的不间断电源装置，不是采用功率开关器件组成的变换电路来转换电能，而是采用柴油发电机来实现电能的变换，也把这种不间断电源装置称为动态式UPS。这种UPS的缺点也是显而易见，就是整机笨重、效率低、噪声大、操作控制不灵活、输出的电压波形不平滑，同时由于存在着转换时间，不能及时响应，会中断负载的供电。由功率开关器件组成的电力变换电路来实现电能的转换，实现连续向负载供电，这种不间断电源装置称为静止式UPS.传统的静止式UPS多采用模拟电路来实现其复杂的控制功能，这种控制方式虽然可以实现UPS的基本功能，但存在着集成度不高，控制参数一旦确定就很难调整以及智能故障诊断困难等问题。11.1.1国内外研究动态最初的UPS电源出现于20世纪60年代，当时UPS运用飞轮等惯性系统使输出电压稳定，当市网断电时输出电压仅能维持不超过5秒的时间并伴有很大的噪声。111982年日本三菱公司成功地研制出绝缘栅双极性晶体管，此后山特公司首次将IGBT成功应用于UPS中，降低了噪声，减小了UPS的体积。22随着微处理器的迅速发展，现在微处理器己被成功的应用于UPS的控制和实现上。从应用的角度讲，UPS功能的变化经历了三个阶段:一、掉电时保护负载设备的安全；二、掉电时保证负载设备运行数据的安全；三、掉电时保证整个负载系统正常运行。作为一项实用的技术，国内外许多电源设计的相关公司及研究所都对UPS技术进行研究。在国外，一些公司己将许多先进理论技术应用到UPS生产中，设计出很多知名品牌的UPS；而国内很少有将先进技术应用到UPS生产实际中的，而且只有少部分知名院校对其研究，其中大多数也仅处于试验研究阶段。目前国内UPS市场大多被国外公司占领，国内生产厂家只是依靠价格和售后服务上的优势在中小型UPS市场上占有一点份额，因为其性能可靠性还远不如国外的同类产品。当前UPS的发展迅速，但也存在着许多问题,以下总结了几个主要现状与问题:(1)UPS在我国己经发展到了第三个阶段，这个阶段的特点是在关注业务可用性的同时对业务的适应性也提出了相应的要求，这个阶段意味着我们国家UPS市场是成熟的。据调查，全国百分之九十五以上IT系统都配备UPS系统但其使用大多还处于初级阶段，应用水平还不高。 (2)UPS己经具备的通讯功能和智能管理系统没有得到充分的利用，当今UPS己从原来独立电源设备发展起来，成为多种通讯方式管理和与IT系统无缝集成的网络设备，但在实际的运行维护中，对UPS的通讯功能和智能管理的使用率却只有百分之二十左右。13(3)在UPS性能认识水平上，用户并没有停留在能否正常供电和输出电压性能如何上，而是对智能管理、通讯功能及重量体积提出更高要求。但是当前的UPS所能达到的指标并不是很先进的，比如污染环境等指标还不能达到理想要求。 (4)对供电系统的使用维护技术水平还不够高。在UPS供电系统各类故障的起因中，人为原因占很大比例，因此提高使用维护水平与提高UPS技术水平同等重要。131.1.2 UPS的发展前景目前UPS产品技术己经基本成熟，但由于仍然存在着以上问题，因此研究方向也就随着这些问题而改变，可以说存在的问题决定着技术发展的趋势。下面介绍UPS的发展趋势:(1)向高频化发展。在内部器件频率较高时，UPS的输出动态响应特性很好，电流峰值系数也较高。另外高频化使得UPS内部储能器件体积和重量大大减小，这就使UPS的体积和重量进一步减小，生产成本也因此降低。(2)向小型化、数字化发展。以前UPS内部设计有庞大的变压器，这使得UPS体积和重量很大，造价也就很高，功耗也很大。现在市场上的UPS许多采用的还是模拟控制技术，而模拟控制的设计成本高并且输出性能也不稳定，相比之下数字控制简单、灵活，输出性能稳定，且可以实现模拟控制所不可实现的功能。随着信息技术的发展，DSP, FPGA等微处理器的性能不断提高，这使得数字化控制在更为广阔的电力电子电气控制领域中得到了广泛应用，并成为了控制技术的发展趋势之一。(3)向智能化发展。大多数UPS，特别是大容量UPS，都是长时间连续工作的，一般的电子线路器件很难达到这种要求，只有采用计算机技术中的硬件和软件才能完成，才能使UPS智能化。(4)冗余并联等技术的广泛使用。在UPS运行中，部分器件和单元可能会出现故障，因此许多生产厂家UPS产品中设计有冗余部件，一旦故障就可立即投入工作平时则处于待机状态，这使得装置的可靠性大大提高。测试统计表明，采用冗余技术的单台UPS，其平均无故障时间达到20000小时以上。21.1.3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。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。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。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。23-30我国能源紧缺、供电质量又不高，UPS在国内市场上有相当大的潜力，因此对UPS的实际需要，将比西方国家更为迫切。作为UPS消费大国，国内UPS用户大多选用国外产品，但由于技术等因素，UPS用户在使用和维护等方面有诸多不便，且进口产品价格昂贵，因此国产化UPS的数字研究非常必要，UPS电源的研究具有广泛的应用前景和普遍的现实意义。41.2设计要求设计一个UPS不间断电源系统，5要求达到以下几点：1. UPS输入设计要求:(1)输入电压:220V10%，频率50HZ15%；(2)输入容量能同时满足蓄电池均充和逆变器满载运行要求；(3)功率因数0.8.2. UPS输出设计要求(1)输出功率大于额定功率；(2)谐波失真度10%。3. 其他设计要求(1)逆变器与后备静态旁路锁相同步，两者切换时间100us；(2)具有功能指示和故障报警功能；(3)具有自保护功能；1.3方案比较与选择1.方案一基于单片机控制的在线式UPS系统结构框图如图1.1所示.该在线式UPS系统有两种工作模式。在通常情况下，市电是正常的，这时输入功率因数校正部分和输出逆变部分同时工作。但是当市电故障时，蓄电池为负载提供电源。这时蓄电池电压经过DC/DC隔离后产生的电压在提升得到逆变部分要求的直流电压，该电压再由逆变部分逆变成交流电给负载供电。 由图可见基于单片机的在线UPS系统的电路由带输入功率因数校正的整流滤波部分、逆变部分和DC/DC部分组成。在工作过程中，单片机通过MAX232实现电平转换，从而可以与PC机进行通讯。2.方案二UPS系统的控制器采用TI公司推出的业界首款浮点TMS320F28335 DSP，它具有150MHz高速处理能力，具备32位浮点处理单元，单指令周期32位累加运算，可满足应用于更快代码开发与集成高级控制器的浮点处理器性能的要求。15与前代领先的DSP相比，最新的F2833x浮点控制器不仅可将性能平均提升50%，还具有精度更高、简化软件开发、兼容定点C28xTM控制器软件的特点。该系统总体框图如图1.2所示。当市电正常时，在线式UPS输入220V交流电压，经过EMI/RFI滤波后，被送到继电器RY2。当市电电源的电压正常时，RY1继电器处于闭合状态。在此条件下，市电电源将分以下几路去控制后级电路的运行：(I)市电直接经交流旁路被送到常闭触点继电器 图1.1 单片机控制的单相在线式UPS系统原理框图RY2，然后向负载供电。这种情况一直维持到UPS执行开机“自诊断”检测操作后，通过微处理器的调控将UPS从市电供电状态切换到逆变器供电状态为止。(II)经充电器对UPS的内置蓄电池组进行充电。(III)市电电源经由保险丝后，再经带输入功率因数调节功能的整流滤波器，变成两路直流电源。该直流高压电源在逆变器内经正弦脉宽调制功率放大和高频滤波后，变成一路幅值稳定，频率和相位同步跟踪市电电网频率和相位的高质量的纯正正弦电源，最后通过输出滤波器送到负载。(IV)当市电供电异常时，电池的电压通过DC/DC变换器变成幅值高达390V的直流高压电源，然后再经过逆变器，变换成交流正弦波供给负载。通过具体电路的设计即可完成系统目标。3.方案三如图1.3所示，是用单片机控制的单相后备式方波输出UPS的控制技术的系统控制原理框图。市电采样信号经适当转换由ADC(模数转换器)读入CPU;另一路市电通过限幅、比较，产生周期过零负窄脉冲作为相位零点和采样起点。CPU把采样信号与预设的标准值相比较，从而判断市电的有无和高低，以此来确定是否切入逆变及转换时逆变输出的相位。同时在市电正常时，CPU启动充电控制电路，对电池进行充电。逆变时，CPU通过I/ O输出两路相位相差180的PWM信号给逆变器，同时停止向电池充电，启动工作指示告警电路使红灯、蜂鸣器分别以2s为周期闪烁和鸣叫，并不断检测电池电压，图1.2 基于DSP控制的单相在线式UPS系统总体框图根据电池电压的高低调整输出准方波的脉宽，使输出电压的幅值较为稳定。当电池电压低于10.8 V时，红灯变成常亮，蜂鸣器变成常鸣；当电池电压低于10.5V时，停止逆变。逆变过程中同时检测逆变输出电流，如果发生逆变过载立即停止逆变。在正常逆变过程中，还采样市电平均值，当市电正常时，在逆变和市电同时过零点停止逆变，转向市电供电。6在工作过程中，单片机通过MAX232实现电平转换，从而可以与PC机进行通讯。图1.3单片机控制的后备式方波输出UPS原理框图4.论证分析（1）三种方案都给出了具体的实现方法，都能够达到稳定、高效的目标。相比之下，方案一的总体设计设计较方案二，方案三都更加的简单，可靠，控制方式更加优越。（2）方案一中，利用单片机内部模块产生PWM波，从而合成SPWM波。辅以程序简单高效可靠。而在方案二中，所有的控制包括信号的检测都是由TMS320LF2407 DSP来完成，相比之下方案一在可靠性上比方案二要高且方案一要比方案二更加方便简单,造价也更经济。（3）方案三也是基于单片机控制的UPS电源系统，相比于方案一，其不是主流的在线式UPS电源控制系统，而且方案三输出的是方波，相比于正弦波，其应用和控制都不是很好。由上，我选择方案一做为本次论文的设计方案。第2章 在线式UPS的整体结构与工作原理2.1 UPS的系统和工作原理UPS在60年代主要是旋转发电机式的工作方式，发展至今天己成为具有智能化程度较高的静止式全电子电路的工作方式。目前，UPS一般均指静止式UPS按其工作方式分类可分为后备式、在线互动式及在线式三大类。3在线式UPS在市电正常时，对市电进行整流提供直流电压给逆变器工作，由逆变器向负载提供恒压恒频的交流电；在市电异常时，逆变器由蓄电池提供能量，由于逆变器始终处于工作状态，从而保证无间断的输出。其特点是，有较宽的输入电压范围，无切换时间，且输出电压稳定精度高，特别适合对电源要求较高的场合，但是成本较高，目前，功率大于3KVA的UPS几乎都是在线式UPS，本文所研究的UPS便属于在线式UPS。在线式UPS比其他种类的UPS性能更优越，应用更广泛，在线式UPS以单片机为控制芯片，系统框图如图2.1所示。系统按功能可主要分为带功率因数校正的整流滤波环节、直流升降压环节、PWM逆变环节，控制电路等部分。图2.1 UPS的系统结构当市电正常时，输入电压带功率因数校正的整流滤波电路，一路给逆变器供电，逆变器输出电流经变压和滤波后变换成正弦电流，另一路送入充电器给蓄电池补充能量。当系统工作在此状态时，静态开关切换到逆变工作状态。UPS由市电经整流滤波器、逆变器及静态开关给负载供电，并由控制器完成稳压和频率跟踪功能。当市电出现故障(无市电，市电电压过低或过高)时，UPS工作在后备状态，静态开关仍然切换在逆变工作状态，此时UPS蓄电池电流经升压降压电路升压后，再经逆变器逆变后转换成交流电，最后通过静态开关输送到负载。在市电正常时，逆变器出现故障或输出过载时，UPS工作在旁路状态，静态开关切换到市电端，由市电直接给负载供电。若逆变器故障引起静态开关的转换，UPS就会发出报警信号；如果是由过载引起，当过载情况消失后，静态开关又会重新切换到回逆变器端。由此可见，对于在线式UPS，无论市电是否正常，其输出总是由逆变器提供，所以在市电故障的瞬间，UPS的输出不会有任何间断。另外，由于在线式UPS有输入和输出滤波器，再加上市电的交流输入经整流后变为直流，再由逆变器逆变为交流，所以几乎所有来自电网的干扰经过UPS以后都能得到很大程度的衰减;同时逆变器的稳压功能很强，所以在线式UPS能为负载提供干扰小、稳压精度高的电源。16-192.2 系统整体设计原理框图基于单片机控制的在线式UPS系统结构框图如图2.2所示。该在线式UPS系统有两种工作模式。在通常情况下，市电是正常的，这时输入功率因数校正部分和输出逆变部分同时工作。但是当市电故障时，蓄电池为负载提供电源。这时蓄电池电压经过DC/DC隔离后产生的电压在提升得到逆变部分要求的直流电压，该电压再由逆变部分逆变成交流电给负载供电。 图2.2 基于单片机控制的在线式UPS系统结构框图由图可见基于单片机的在线UPS系统的电路由带输入功率因数校正的整流滤波部分、逆变部分和DC/DC部分组成，其中逆变和DC/DC部分由单片机进行控制的双环控制系统，即一个电流环和一个电压环结合控制。并配有由单片机控制的报警及显示电路，使得UPS的检测和使用更加可靠方便。在工作过程中，单片机通过MAX232实现电平转换，从而可以与PC机进行通讯。图2.3 UPS主电路结构框图图2.3输入端的功率因数校正电路是一个AC/DC变换器，它完成输入的整流，同时控制输入电流为正弦波，从而达到很高的输入功率因数。功率因数校正部分还控制直流电压恒定，不随输入的变化而改变。直流电压又在逆变部分变换成幅值，频率合适的交流电源。当UPS工作在蓄电池方式时，该直流电源经过DC/DC变换隔离后得到逆变部分所需的直流电压。2.3 本章小结本章首先详细的介绍了在线式UPS的工作原理，然后给出了基于单片机控制的在线式UPS的硬件整体工作框图和UPS内部的主电路结构图。第3章 硬件设计UPS不间断电源系统主要由，输入滤波整流环节，逆变环节，蓄电池组，输出滤波等部分组成。本章硬件设计从输入到输出依次设计了整流环节，其中整流部分加入了功率因数校正电路，提高了功率因数，其次详细设计了逆变器部分，包括主电路和控制电路，以及市电/蓄电池转换电路。最好设计了辅助电源电路以及保护电路。3.1带功率因数校正的整流滤波电路设计220V的交流电网经过整流桥整流，后面再接一个比较大的滤波电容是目前各种电子仪器中应用非常广泛的一种变流方案。整流器加电容滤波是一种非线性元件和储能元件的组合。这种电路简单，容易实现平滑的直流电压，但它会给电网产生非常严重的谐波污染。使用这种电路的电子仪器的功率因数一般小于0.7为了减少电子仪器输入端谐波电流造成的噪声和对电网产生的谐波“污染”，保证电网的可靠供电质量，提高电网的可靠性洞时为了提高输入端的功率因数，以达到有效的利用电能，必须把电子仪器的谐波限制在一定范围内。本节主要介绍功率因数校正(APFC)的原理、意义以及最终设计出基于UC3854A控制的功率因数校正电路。3.1.1概述如下图3.1所示是一种整流滤波电路，此种电路主要是由整流电路和有源滤波电路组成，先交流电经过全桥整流整流，变为脉动的直流，然后经有源滤波输出稳定给负载。图3.1 整流滤波电路整流电路的工作原理，在交流电的正半周期D1和D4管导通，形成回路，经过滤波向负载供电;在交流电的负半周期D2和D3导通，经过滤波向负载供电。其中有源滤波环节的主要作用是使输入的电流是正弦的，并且与输入的电压同相位，这样就可以使输入的功率因数达到一个高的值，其值在0.99左右，电路的输出电压稳定，简化了下一级变换器的设计。从理论上分析，有源功率因数校正不但可以抑制电流谐波，减少对电网的干扰，还能提高了功率因数。下面深入研究功率因数问题:1.谐波的产生与危害目前广泛把电网交流电压经过全桥整流变换成直流电压后，再接入大电容器，得到较为平滑的直流电压。使用这种电路产生的结果是:输入电压是正弦波，但输入电流波形却严重畸变，呈脉冲状。含有基波和大量谐波的脉冲电流，降低了用电效率。大量的谐波电流分量倒流入电网，流过线路阻抗，又会产生谐波电压降，从而使电网电压发生畸变；同时还会造成电路故障，使变电设备损坏。例如，谐波电流会引起电网LC谐振，或高次谐波电流流过电网的高压电容，使之过流、过热而爆炸;线路和配电变压器过热；在三相电路中，中线流过三相三次谐波电流经叠加后使中线过流而损坏等。2.功率因素的定义功率因数PF(Power Factor)是表示电能利用率高低的一个重要指标。在电工理论中定义是有功功率与视在功率之比值，其数学表达式为: (3.1)在式中，VR是电网中电压有效值，IR是电网中电流有效值，I1是基波电流有效值，而式=I1/IR指的是电网中交流的失真因数(又称基波因数)，角是电网中基波电压和基波电流的相位差，COS为相移角度。因此，功率因数PF的另一个定义可描述为失真因数和相移因数之乘积。如果从电网中输入电流没有谐波，即是:=1或I1=IR。则功率因数的表达式可变为PF=COS。如何提高功率因数，就是功率因数校正要做的工作，上段分析了功率因数的定义，由此可知，要在输入电流实现正弦波并且与电压同相位上做文章。首先我们分析下功率因数与电流总谐波失真度的关系。 (3.2)式中:THD指的是电流的总谐波分量与总基波有效值之比。输入电流实现正弦化就是输入的谐波为零，即失真因数=I1/IR =1，I1=IR；电流和电压的同相位是使=0,即COS0=1。在供电系统的输入端插入功率因数校正模块，通过调节控制使得输入的电流实现正弦化，并且和输入的电压同相位，从而起到提高功率因数的目的，改善电能的利用效率。 3. 提高功率因数的方法功率因数校正技术的主要方法有如下两种:第一种是无源功率因数校正电路:它的基本特点是电路简单、可靠，不需要用什么控制器，通过整流管的前端电容和后端电感的滤波作用来提高功率因数。但是器件体积比较大，而且产热严重，其输出的功率因数也只能达到0.7到0.8，会造成能源的损耗。同时价格方面也限制了它的应用的普及。第二种是一种新型的主动性有源校正网络，即有源功率因数校正技术:此种电路主要是在整流电路和滤波电路之间加入一个功率控制模块，使得输入的电流是正弦的，并且与输入的电压同相位，这样就可以使输入的功率因数达到一个高的值，理论上在0.99左右。电路的输出电压稳定，简化了下一级变换器的设计。整体电路的结构简单、体积小、重量轻、适应性强，已经在国内外得到了普遍的应用。由上述得知，有源功率因数校正不但可以抑制电流谐波，还提高了功率因数。163.1.2有源功率因数校正的种类1 .主电路的拓扑结构从理论上来说，功率因数主电路主要是DC / DC变换器拓扑的结构，例如降压斩波式(Buck)电路、反激式变换电路、升压斩波式(Boost)电路、升一降压斩波式(Boost-buck)变化电路等，都能当做功率因数的主电路。下面我们介绍下这几种功率因数电路的主要特点:反激式功率因数电路:电路的输入与输出之间相互隔离，且不加电感不加续流器工作在断流模式。是一种简单的电压型控制器，一般用在1OOW以下的功率场合。 降压斩波功率因数主电路:电路的功能比较的单一，只能实现电压的降低，而且电路输出的电流也并不连续，总体上转换的效率不高。另外输入的电流纹波比较厉害，需要的开关应力较大，损耗很大。所以此种电路很少用做功率因数主电路。升降压式功率因数电路:需要用到两个电子开关，电路相对比较复杂，所以用来当功率因数转换电路也比较少。升压斩波功率因数电路:升压式功率因数电路工作比较稳定，回路中的电流一直连续，且其大小值基本恒定与电路中流过大电感的电流一样。这样电路的电流纹波相对小，降低了对滤波器的设计要求。而且电路有升压作用，工作状态稳定，整流后的电压也稳定，有利于整个系统的工作稳定。同时升压式电路控制简单，控制精度和效率高，非常适用于100W到500W之间的功率电源。升压式功率因数电路应用极为普遍，所以本课题采用的是升压式PFC电路。2. 有源功率因数控制方式峰值电流控制:开关管导通时，电感电流上升，当达到编程电流值时，开关管关断，电流下降。下一个周期同样控制电流的峰值。因而这种控制方式的峰值电流的包络图是正弦的。峰值电流型控制的(CCM)优点:频率恒定。仅检测开关电流，用一个电流互感器完成，比用电阻损耗小。不需要电流误差放大器及补偿网络。有效地限制最大开关电流。缺点:在占空比大于50%时，存在次谐波振荡，因此需谐波补偿。在高线输入电压及轻载时的输入电流畸变会因谐波补偿的存在而更糟糕。控制系统对传导噪声很敏感。 平均电流控制:平均电流控制法是建立在峰值电流控制的基础上的研究的，其增加了电流调节器通过控制输入电流的平均值，使其输出电流为正弦波。平均电流型控制的(CCM)优点:频率稳定，不需要谐波补偿。控制回路因为有电流滤波而对传导噪声不敏感。比峰值电流控制有更好的输入电流波形，接近线路电压的零跨越，占空比接近1。因而减少了输入电流的死角。一般的用在平均电流控制法来提高功率因数的IC有如下几种:TK83854,UC3854，ML4821等。3.1.3基于UC3854校正功率因数的电路的实现如下图3.2以常见的美国TI公司生产的APFC用集成电路UC3854介绍其性能特点、工作原理与典型应用电路。UC3854是一种工作于平均电流的的升压型(Boost) APFC电路，它的峰值开关电流近似等于输入电流，是目前使用最广泛的APFC电路。图3.2 UC3854A控制的Boost型APFC电路原理图UC3854引脚功能说明。GND (1脚):接地端，器件内部电压均以此端电压为基准。PKLMT(2脚):峰值限定端，其阀值电压为零伏与芯片外检测电阻负端相连，可与芯片内接基准电压的电阻相连，使峰值电流比较器反向端电位补偿至零。CA out (3脚):电流误差放大器输出端，对输入总线电流进行检测，并向脉冲宽度调制器发出电流校正信号的宽带运放输出。Isense (4脚):电流检测信号接至电流放大器反向输入端，（4)引脚电压应高于一O.5V(因采用二极管对地保护)。Mult out(5脚):乘法放大器的输出和电流误差放大器的同相输入端。IAC(6脚):乘法器的前馈交流输入端，与B端相连，（6)引脚的设定电压为6V,通过外接电阻与整。VA out (7脚):误差电压放大器的输出电压，这个信号又与乘法器A端相连，但若低于1V乘法器便无输出。VRMS（8脚):前馈总线有效值电压端，与跟输入线电压有效值成正比的电阻相连时，可对线电压的变化进行补偿。VREF (9脚):基准电压输出端，可对外围电路提供lOmA的驱动电流。ENA (10脚):允许比较器输入端，不用时与+5V电压相连。VSENSE (11脚):电压误差放大器反相输入端，在芯片外与反馈网络相连，或通过分压网络与功率因数校正器输出端相连。Rset (12脚):(12)端信号与地接入不同电阻，用来调节振荡器的输出和乘法器的最大输出。SS (13脚):软启动端，与误差放大器同相端相连。CT(14脚):接对地电容器Cr，作为振荡器的定时电容。Vcc (15脚):正电源阀值为10V-16V。GTDRV(16脚):PWM信号的图腾输出端，外接MOSFET管的栅极，该电压被钳位在15V。从UC3854内部电路和功率因数校正电路中看出，电网电压首先经过整流桥整流为直流电信号，信号被送到控制回路中芯片UC3854的第8脚，经放大后又被输送到乘法器(MUL)的C引脚。于此同时，经过整流的与交流电压成正比的交流电流电流IAC输入到MUL的B引脚。MUL的A端接的是电压误差放大器(VEA)输出端。APFC主电路的整流输出电压经过分压电阻分压后，将此信号作为系统的反馈信号，加到芯片内放大器的反相输入端，与基准电压进行比较，差值被放大后加到MUL的输入端即A引脚。电流误差放大器(CEA)的输入端接的是MUL的输出，与振荡器产生的锯齿波电压进行比较，进而可以来控制输出脉冲的脉宽。由上述可见，MUL是整个系统的控制核心。芯片UC3854的工作过程如下:当基准电压建立后，14A电流源会对软启动器SS脚外接的电容C7进行充电，刚开始时，SS脚与地之间的电压为零，接在SS脚内的隔离二极管处在导通状态，此时电压误差放大器的基准输入电压也为零。UC3854没有输出脉冲。C7被充足电后，隔离二极管自动关断，隔离了软起动电容与电压误差放大器，软起动过程完成，芯片UC3854输出正常的脉冲，当发生欠压封锁情况或使能被迫关断时，与门输出信号除了关断芯片脉冲输出外，还能使并联在C7两端的内部晶体管再次导通，从而使C7向地放电，这样就可以保证下次起动时，C7的电位是从零开始充电的。芯片UC3854开启后，反馈信号被MUL采集并一级级逐级的向下输送。振荡器输出的信号和PWM输出的信号分别加到到触发器(FLIP FLOP)的R与S引脚，来控制触发器的输出的脉冲，该脉冲经过与门电路和推拉输出级后，完成对外接的功率MOSFET的驱动，这样主电路就能正常的工作于升压的状态。整流后的线电压经过模拟乘法器和电压误差放大器最后输出，产生了一个电流控制信号，由此使被控的电流信号和输入的电压在相位相同。3.2逆变器的设计在带功率因数校正的整流滤波电路设计的基础上，本节进行逆变器的设计，以完成从直流向交流的转变。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。3.2.1 逆变器主回路设计逆变器的主回路即功率电路的结构形式很多。从相数来说，有单相逆变器和三相逆变器两种；从容量来看，有大容量逆变器、中容量逆变器和小容量逆变器。根据主回路采用的不同种类的功率器件和采用不同的电路结构形式，逆变器又可分为晶闸管单相桥式逆变器、晶体管逆变器、三相桥式逆变器、多重逆变器；根据控制方式的不同可分为相控逆变器、PWM型逆变器7以及最新提出的移相式SPWM控制逆变器9。在实际应用中，电路结构较多采用单相或三相桥式逆变电路。本UPS逆变器的设计中，主回路采用单相桥式逆变电路，控制方式采用SPWM调制方式，逆变功率器件选用IGBT。1.电路结构PWM控制型逆变电路多采用桥式电路,本次设计采用单相相桥式逆变电路结构。2.控制方式根据UPS输出波形的需要，可采用多种控制方式。比如输出波形为方波时可采用相控方式，SPWM型调制输出正弦PWM波。本设计中为得到正弦波采用SPWM控制14。3.逆变器件的选择逆变器件种类很多，从最早的晶闸管到功率晶体管，从单极型器件到双极型器件以及复合型器件，从单个器件到n (n为2, 4, 6, 12)单元模块。本逆变电路中逆变器件采用了复合型器件绝缘栅双极晶体管IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)，这是基于以下原因考虑的:(1)器件本身的特点；(2)逆变电路功率和控制的需要。综上所述，可得到本UPS中逆变器的主回路电路，如图3.3所示。图3.3 逆变器主电路图IGBT的大小选择主要考虑耐压、耐流。根据逆变器的容量和输出电压，额定电流计算如下：Ie=S/3Uc 。3.2.2逆变器控制电路设计逆变器的控制电路是逆变器的核心。它的功能是实现对逆变器主回路的控制和调节，保持输出电压和频率的稳定。对逆变器控制电路的基本要求和功能是:(1)输出SPWM正弦脉宽调制脉冲；(2)能控制和调节逆变器输出电压和频率的大小；(3)保持输出电压和频率的稳定；(4)对逆变器进行软启动，以控制逆变器启动时间，限制启动电流；(5)输出电压与市电电网电压锁相同步。根据以上要求，结合PWM逆变器的控制原理，设计了以下以PIC18F25K80单片机为控制核心的微机控制系统。它包括主控电路、测量与信号采集电路、PWM脉冲输出电需路、信号输出电路、同步锁相电路、工作电源等部分组成。要注意的是，在PWM脉冲输出电路设计中，虽然利用PIC18F25K80单片机可编程产生PWM脉宽调制波，但是从单片机发出的PWM信号不能直接和逆变器主电路的IGBT单元模块相连接这是因为信号驱动功率不够。一般单片机的I/O口驱动能力很弱。因此从单片机输出的PWM信号必须经过功率驱动才能有效驱动IGBT；同时信号与主电路必须进行严格的电位隔离。逆变器的主电路处在高电压、大电流的强磁场的环境中，如果从单片机发出的PWM信号直接接入主电路，主电路的强磁场