电力电子装置课程设计

1、武汉理工大学电力电子装置及控制课程设计说明书课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 题 目: 双变换在线式UPS（3500VA）设计 初始条件：设计一个双变换在线式UPS，具体参数如下：三相交流输入380V/50Hz，三相输出交流电压130V/50Hz,THD<5%,负载为一般的阻感负载，容量3500VA。要求完成的主要任务: （1） 主电路设计；（2） 控制方案设计；（3） 给出具体参数的设计步骤；（4） 在MATLAB/Simulink搭建闭环系统仿真模型，进行系统仿真；（5） 分析仿真结果，验证设计方案的可行性。时间安排：2014年6月11日至2014年6月2

2、0日，历时一周半，具体进度安排见下表具体时间设计内容6.11指导老师就课程设计内容、设计要求、进度安排、评分标准等做具体介绍；学生确定选题，明确设计要求6.126.16开始查阅资料，完成方案的初步设计6.176.18由指导老师审核模型，学生修改、完善并对数学模型进行分析6.186.19撰写课程设计说明书6.20上交课程设计说明书，并进行答辩指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日摘要UPS即不间断电源，主要用于给重要设备提供不间断电能供应。当市电输入正常时，UPS将市电整流通过逆变器或直接稳压后提供给负载供电，此时的UPS是一台交流稳压器，同时向机内蓄电池充电；当市电发

3、生中断时UPS立即将电池的电能通过逆变转换箱负载供电，使负载维持正常工作。随着科技的发展和社会的进步，人们对用电质量的要求越来越高，UPS的功能已经不仅仅是不中断供电，还要求高品质供电。随着电力电子技术的不断发展，UPS的性能也在不断提高，正向小体积、高效率、高可靠性、动态性能好、控制灵活的特性发展。如今，UPS产品种类越来越齐全，包括从几百乏小型单相UPS到数兆大型三相UPS供电系统，以满足生产、生活中不同的需求。关键词： UPS 整流 逆变 稳压目 录摘要I1 双变换在线式UPS的工作原理12双变换在线式UPS的组成与设计22.1蓄电池组22.2整流器和PFC电路32.2.1整流器在UPS

4、中的作用32.2.2整流器和充电器32.3逆变器42.3.1逆变器在UPS中的作用42.3.2 UPS逆变器的类型42.3.3 UPS逆变器主电路结果选择52.4逆变、市电的切换电路52.5 滤波电路62.6旁路控制电源和系统辅助电源72.7 接地装置、保护和报警系统72.7.1接地装置72.7.2 保护和报警系统83 电路设计93.1整流电路设计93.1.1整流电路选择93.2.2整流主电路93.2逆变电路设计103.2.1逆变器电路选择 103.2.2 SPWM采样方法选择 103.2.3 逆变主电路113.3 驱动电路123.4转换开关124仿真与结果分析144.1整

5、流电路144.2逆变电路16小结体会19参考文献 20附录21 1 双变换在线式UPS的工作原理双变换在线式(online)UPS工作原理如图-所示，当市电正常时，由市电经AC/DC、DC/AC两次变换后供给负载，故称它为双变换在线式UPS。当市电异常时，它由蓄电池经过DC/AC变换供电，只有逆变器发生故障，才通过转换开关切换，市电直接旁路给负载供电。是一种以逆变器供电为主的工作方式，以图1说明它的工作过程。图1双变换在线式UPS系统框图当市电正常时，经滤波，分3路去控制后级电路：第一路是交流电整流变换为直流电，经充电器对蓄电池组进行浮充电；第二路是经过整流器和大电容滤波变为较为平稳

6、的直流电，再由逆变器变换为稳压稳频的交流电，通过转换开关输送给负载；第三路是转换开关的控制，如果逆变器出现故障，在逻辑控制电路调控下，UPS转为市电直接给负载供电。当市电出现故障（供电中断、电压过高或过低），UPS工作程序如下：关闭充电器，停止对蓄电池充电；逆变器改为蓄电池供电，维持负载电能的连续性。双变换在线式UPS优点是：不论市电正常与否都由UPS的逆变器供电，系统供电质量好，市电转换到电池供电可实现零切换时间；然而，它的功率传输要经过两次转换，系统频率低、成本高，整机以不可控或晶闸管相控整流为主，输入功率因数较低，输入电流高次谐波可达30%，无功功率和谐波电流对电网的公害较大，不满足电源

7、绿色化的要求。2双变换在线式UPS的组成与设计不间断电源组成框图。它由整流器（或PFC电路）、逆变器、蓄电池组、交流滤波器、静态开关、旁路电源、备用电网（如油机）、整流器（或PF C电路）触发控制电路、逆变器触发控制电路、静态开关控制电路和辅助电路等组成。其中辅助电路又包括电压、电流、频率、温度等的检测电路，辅助电源，启动和停止电路、显示电路，逆变和缺相检测电路、保护和报警电路等。图2 不间断电源装置组成框图2.1蓄电池组UPS电源要求蓄电池必须具有在短时间内输出大电流的特性，供电时间能维持10分钟左右。常用的蓄电池有3种，它们都属于铅酸电池：经济型的HS型电池和适合于低温工作的AHH型电池；

8、适用于长放电要求的CS型电池；小型密封式M型电池。目前在中小型UPS电源中被广泛使用的是无需维护的密封式铅酸M型蓄电池，它的价格比较贵，大约占UPS电源总生产成本的1/42/5。2.2整流器和PFC电路2.2.1整流器在UPS中的作用整流器是UPS的重要组成部分，他具有两个功能：第一，将市电交流电转换为直流电，经滤波后供给逆变器；第二，给蓄电池提供充电电压，因此可起到充电器的作用。通常，UPS中的整流器有如下几个方面的要求：（1）整流器的输出电压的大小要能调节。以满足对蓄电池进行浮充电和均衡充电的要求。（2）整流器的输出要稳定，一般稳定精度要达到1%。（3）具有一定的过载能力。（4）整流器的输

9、出电压的纹波要小，一般要求在额定负载时小于额定输出电压的1%。（5）具有过载、短路、过热、过电压、欠电压等保护和报警功能。（6）启动要平稳，运行要稳定可靠。整流器一般采用可控整流电路，其主要原因是逆变器希望能得到一个电压稳定的电源，同时蓄电池充电电压需要进行调节。在采用可控整流电路的形式方面，通常用三相桥式半控整流电路、三相桥式全控整流电路和带平衡电抗器的12脉冲整流电路等。2.2.2整流器和充电器整流器和充电器是两个既不相同又有密切联系的概念。整流器是指将经过工频隔离变压后的交流市电转换为直流电的装置，一般采用二极管全控整流或晶闸管相控整流。充电器则是指给蓄电池充电的装置。在小容量UPS中，

10、大都将整流器和充电器分开，因为：（1）整流器的输出电压一般是不稳定的，然而蓄电池的最高充电电压是已经限定的，必须用一个稳压电源作为充电器。（2）蓄电池的充电电流不能过大，这就要求充电器具有稳流和限流功能。然而，大容量UPS中，大都将整流器和充电器和二为一。因为，在大容量UPS中，控制电路成本仅占造价的很小一部分，因此控制电路设计的稍微复杂一些也不会显著增加成本。反之，如果将整流器和充电器分开，电路中所用电力电子器件数量就会增加，成本则会大幅度提高。当然，这种情况下，整流充电器必须采用可控整流的形式，从而使整流充电电路具有稳压功能，并能对蓄电池充电电流进行控制。小容量UPS因为其充电电压低、充电

11、电流小。所以广泛采用开关电源作为充电器。为了节省成本，一般采用无变压器隔离的形式。如降压斩波电路、升压斩波电路等。相反，大容量UPS由于充电电压一般高达几百伏，充电电流为几十安，采用大容量开关电源不仅制造困难，成本高，而且系统的可靠性能差。同时，大容量UPS一般将整流器和充电器和二为一，为了避免造成电网供电三相不平衡，一般采用三相可控全桥电路作为它的整流充电器。2.3逆变器2.3.1逆变器在UPS中的作用逆变器是UPS的核心部分，负责把整流滤波后得到的直流电或蓄电池存储的直流电转化为用户所需的稳压稳频的交流电能。对于大多数UPS来说。逆变器输出电压质量的高低，在很大程度上决定了整个UPS的性能

12、。常规的UPS对逆变器的要求如下：（1）能输出一个电压稳定的交流电，无论是输入电压出现波动还是负载发生变化，它都要达到一定的电压稳定精度，稳态时一般小于。（2）能输出频率稳定的交流电，要求该交流电能达到一定的频率稳定精度，静态时一般为。（3）输出的电压及其频率，要在一定的范围内可以调节。一般输出电压可调范围不小于。（4）具有一定的过载能力，一般能过载，当过载时要求能持续30s，过载时要能维持1min或更长时间。（5）输出电压的波形，含谐波成分应尽量小，一般输出波形的失真率控制在以内，这样有利于缩小滤波器的体积。（6）具有短路、过载、过热、过电压、欠电压等保护和报警功能。（7）启动要平稳，起动电

13、流要小，运行要稳定可靠。（8）应具有快速的暂态响应。2.3.2 UPS逆变器的类型根据UPS的类型以及用户的不同要求，应选择合适的逆变器类型，逆变器类型主要有方波逆变型、稳压变压型、准方波型、阶梯波型、脉宽调制型、脉宽阶梯混合波型。小容量UPS多用于给计算机供电，其逆变器的输出多为方波或梯形波，因此这种形式的逆变器结果简单。控制方便。而大容量UPS的输出必然为正弦波，因为其负载除计算机外，还包括各种各样的照明设备、通信设备及精密仪器，对电源的输出质量要求高。2.3.3 UPS逆变器主电路结果选择逆变器的主电路选择结果有全桥型、半桥型及推挽型等。小容量方波输出UPS多采用推挽式逆变器结构，中大容

14、量UPS一般采用全桥式逆变器结构，极少数也采用半桥式逆变器结构。UPS逆变器根据其容量和用途的不同，有输入输出隔离型和非隔离型两种结构。对于小容量UPS来说，来说，一般输入输出无需电气隔离，即使需要隔离，可以采用前级DC/DC高频隔离或直接采用高频链逆变器的结构形式来实现。中大容量UPS多用于为机场、医院以及电厂等重要部门提供后备能源，电能的使用包括计算机、照明以及重要的仪器设备等，为了安全起见，要求UPS的输入输出必须电气隔离。采用高频隔离或高频链的形式不适用于中大容量UPS，基于以上原因，绝大多数中大容量UPS均采用输出工频变压器来实现系统输入输出的电气隔离。2.4逆变、市电的切换电路转换

15、电路是保证UPS供电不间断的关键部分，同时起到保护UPS和负载的作用。当UPS输出过载时，为了保护逆变器，转换电路将电源输出由逆变器切换到市电；当市电故障时，为了保证负载供电的连续运行，转换电路又可以将电源所生产的由市电换到逆变器上。转换开关的功能是实现市电供电与逆变器供电之间以及市电整流供电和蓄电池供电之间的转换。UPS中目前常用的开关有3种：机械继电器（或接触器）、静态开关以及混合式开关。三种开关如图3所示。 (a) 机械接触器 （b）静态开关 （c）混合式开关 图 3 UPS中常用的转换开关 （1）机械继电器在控制线圈的作用下，通过机械触电的闭合或断开来达到控制电路通断的目的，一般用于小

16、容量UPS中。（2）静态开关中由于快速晶闸管的导通时间只是微妙数量级，所以在技术上能实现向负载提供切换时间为零的连续供电要求。不足之处是，静态开关导通时具有一定的管压降，增加了系统损耗，降低了系统效率。（3）混合式开关因它的关断速度取决于机械电路的关断速度，如果电路需要快速关断时，采用混合式开关就不能做到。2.5 滤波电路UPS的滤波电路包括交流输入滤波，直流电压滤波以及交流输出滤波3大类。滤波电路的设计主要考虑差模滤波和共模滤波对系统的影响，其功能是要改善变换器从电网来的供电质量以及对负载供电的电压质量。输出电压滤波器的功能就是要将开关电路输出的直流电压中的交流分量滤波，只是将平均值电压输出

17、负载；或者将开关电路输出的交流电压中的交流分量滤除，只将正弦基波电压输出给负载。同时，电力电子开关电路的输入电流，在直流电源供电时不可能只是平直的直流电流而含有滤波电流；在交流电源供电时，开关电路的输入电流也不可能只是基波正弦电流而含有高次谐波电流。输入滤波器的功能就是要抑制电力电子变换电路电源输入电流中的谐波电流，改善供电电流的供电特性。在UPS中，输出交流滤波器的作用是滤波逆变器输出SPWM波中的谐波分量，表面看来好像LC滤波参数越大系统输出波形越好。实际上，滤波时间常数越大，不仅滤波电路的体积和重量过大，而且滤波电路引起的相位滞后也变大，采用闭环波形反馈控制时整个系统的稳定性也就越差。相

18、反，滤波参数选的过小，系统中的高频分量得不到很好的抑制，输出电压就不能满足波形失真的要求。因此，选择滤波器参数时，要综合考虑上述两方面的因素。由于逆变桥输出脉宽调制波中的谐波主要分布在开关频率附近，因此一般选取LC滤波器的谐振频率满足 （2-1）式中为开关频率。LC的乘积确定后，还要分别确定滤波电感和滤波电容的值。一般说来，加大滤波电感，可以减少流过滤波电感的电流纹波，从而相应减少了流过开关管的峰值电流，减少了器件损耗。而且，滤波电感加大，一定负载下的系统阻尼加大，系统的控制稳定性增加。但是，滤波电感增加，滤波电路的体积和重量明显增加，而且滤波电感上的基波压降增加，影响了基波电压的输出。因此，

19、滤波电感既不能选的太大，有不能选得太小，要综合考虑各方面的因素。滤波器特性阻抗为： （2-2）假设额定负载电阻为，可取系统特性阻抗为 （2-3）2.6旁路控制电源和系统辅助电源旁路控制电源在UPS中是必不可少的组成部分，主要给静态开关（或电磁开关）供电，以完成市电和逆变供电的切换。如果缺少它，不间断装置就变得不完整。一般都取市电为 旁路控制电源，其系统组成比较简单，通常由隔离变压器降压、不控整流器、滤波器、稳压控制器（三端稳压器DC/DC变换器）等部分组成。旁路电源通常作为备用电源，与系统辅助电源并联运行。UPS系统中需要一组低压直流电源，如、等，给信号检测单元、显示和通信环节、开关器件的驱动

20、、保护电路以及控制系统电路供电。通常UPS系统中采用单端反激开关电源的DC/DC变换器作辅助电源。辅助电源作为整个UPS的控制系统的供电电源，在很大程度上决定了系统运行的可靠性。2.7 接地装置、保护和报警系统2.7.1接地装置无论总安全的角度，还是从抗干扰的角度，UPS的接地无疑是重要的。从本质上讲，接地的目的是为了在正常的事故以及雷击的情况下，利用大地作为接地电流回路的一个元件，从而将设备接地处固定位所允许的接地电位。接地电阻的大小，除与电流的幅值和波形有关外，还和接地体的几何尺寸以及地的电参数有关。UPS对接地的要求为：减少接地电阻，注意接地处地面上的人和设备的安全，接地要可靠，避免假接

21、地。通常UPS有3种接地装置，分别如下：（1） UPS装置外壳接地，称保护接地，或称外壳接地。（2） 电源装置触发控制电路及其控制回路中的逻辑“地”接地，称为逻辑接地。（3） 避雷器接地，或称防雷接地。2.7.2 保护和报警系统UPS装置应具有过载保护、过电压保护、欠电压保护、短路保护、过热保护、输入缺相或相序错误（对三相输入型UPS）的保护、通信异常保护等措施。而对静止型不间断电源装置来说，除具有上述几种保护措施之外，至少还应具有对蓄电池温度异常和防止电解液液面过低等问题的保护措施。对于使用在重要场合的静止型不间断电源装置，必须具备以上这些保护措施。对于使用在一般性场合下的静止型不间断电源装

22、置，可采用其中的几种保护措施。有了这些保护措施，就能够避免或者减轻设备受到意外的损坏，延长它的使用寿命。但仅仅有了这些保护措施还是不够的，还应该建立报警显示系统。当店员装置发生故障时，应由报警显示系统及时准确地发出报警信号，以便帮助操作维护人员及时发现情况，分析原因，排除故障。否则，必将影响设备运转，也会影响到生产的正常进行。主要的几种保护措施有：过载保护、过电流保护、欠电压保护、短路保护、过热保护蓄电池的液面和温度保护以及三相输入型UPS的输入电压异常（缺相或相序错误等）的保护。3 电路设计3.1整流电路设计3.1.1整流电路选择方案一：二极管不控整流   二极

23、管不控制流是用四个二极管组成整流桥，将交流电合理输入，继而得到直流。 方案二：全控整流    由四个全控器件构成整流桥，通过控制全控器件的开关进而将交流变为直流。它的优点是可以控制直流电压输出的大小。 方案选择：全控整流需要全控器件的驱动控制电路，虽然增加了电路的复杂性，而且在逆变的时候我们会有驱动控制电路控制其电压，但选用二极管不控整流时，电压为定值不可调。故选用全控器件进行整流。3.2.2整流主电路三相高频整流器使用晶闸管做开关，在UPS中采用这种整流器有三个优点：一是可以使市电输入电流实现正弦化，减少了市电电源的污染，提高了市电

24、的输入功率因数；二是可以使直流输入电压（电流）中的纹波频率提高、纹波幅值减小，从而有利于直流滤波电容的减少；三是不用市电输入整流变压器，使整流器的体积和质量大大减小。图4 整流主电路晶闸管按从1至6的顺序导通，为此将晶闸管按图示的顺序编号，即共阴极组中与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT1、VT3、VT5， 共阳极组中与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT4、VT6、VT2。如图4示，晶闸管的导通顺序为 VT1VT2VT3VT4VT5VT6。整流电路的负载为带反电动势的阻感负载。假设将电路中的晶闸管换作二极管，这种情况也就相当于晶闸管触发角=0o时的情况。

25、此时，对于共阴极组的3个晶闸管，阳极所接交流电压值最高的一个导通。而对于共阳极组的3个晶闸管，则是阴极所接交流电压值最低（或者说负得最多）的一个导通。这样，任意时刻共阳极组和共阴极组中各有1个晶闸管处于导通状态，施加于负载上的电压为某一线电压。3.2逆变电路设计3.2.1逆变器电路选择 方案一：电流型逆变  电流型逆变具有直流侧电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗；交流侧输出电流为矩形波；当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电感起缓冲无功能量的作用，反馈无功能量时直流电流并不反向等特点。 方案二：电压型逆变   逆变直

26、流具有直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗；交流侧输出电压为矩形波；当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用等特点。 方案选择：电流型逆变直流侧需加电感，价格比较昂贵，而电压型逆变器整流变频装置具有结构简单、谐波含量少、定转子功率因数可调等优异特点。故选择电压型逆变电路。3.2 .2 SPWM采样方法选择 方案一：自然采样法  自然采样法以正弦波为调制波，等腰三角波为载波进行比较，在两个波形的自然交点时刻控制开关器件的通断，这就是自然采样法。其优点是所得SPWM波形最接近正弦波，但由于三角波与正弦波交点有任意性，

27、脉冲中心在一个周期内不等距，从而脉宽表达式是一个超越方程，计算繁琐，难以实时控制。 方案二：规则采样法   规则采样法规则采样法一般采用三角波作为载波，其原理就是用三角波对正弦波进行采样得到阶梯波，再以阶梯波与三角波的交点时刻控制开关器件的通断，从而实现SPWM法。当三角波只在其顶点(或底点)位置对正弦波进行采样时，由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽，在一个载波周期(即采样周期)内的位置是对称的。 方案选择：规则采样法是对自然采样法的改进,其主要优点就是是计算简单，便于在线实时运算，其中非对称规则采样法因阶数多而更接近正弦。故选择规则采样法。3

28、.2.3逆变主电路逆变电路的原理框图如图5所示图5 三相逆变系统组成原理框图图中给出了系统组成原理。图中晶闸管Q同构成充电网络，滤波电容通过充电，充电完成以后，触发晶闸管使其导通，短接电阻。该系统由逆变器输出接一个变压器，经过触发板提供脉冲，即逆变器开始工作以后短接电阻。霍耳原件HL提供直流电流采样信号，三相电压检测环节一般用反馈变压器和整流电路组成，二极管D、电阻R及电容C组成逆变电路的母线缓冲电路。逆变桥输出端的、是交流滤波网络。3.3 驱动电路图6 TLP250组成的驱动电路驱动电路可选用东芝公司生产的光电耦合器TLP250，它具有驱动能力的快速光耦。TLP250最大输入电流为20mA，

29、最大输出电流为1.5A，可以用它驱动50A的IGBT或者功利MOSFET。芯片工作电压10V35V，一般取20V。TLP250的8、5脚接隔离控制电源，1、4脚为空脚，6、7脚并用输出。2、3脚为控制信号输入端，内部发光二极管导通时，经过光耦合，推挽输出+15V驱动信号。当发光二极管阻断时，芯片通过5V稳压管DZ的稳压作用，为开关器件门极提供-5V反向偏置电压。3.4转换开关转换开关分为手动开关和自动开关两种。正常情况下，负载通过自动转换开关由一种电源供电切换为另种电源供电。当自动转换开关损坏或在紧急情况下，便采用手动转换开关。自动转换开关由两个交流电子开关、组成，每一个交流电子开关均由两只晶

30、间管(和、和)反向并联而成，其电路如图41所示。在正常情况下，交流电子开关工作、电子开关不工作，逆变器输出电压通过加在负载上。其工作过程如下。为止半周时，两端加的是正向电压，两端加的是反向电压，、的控制极虽然均加上正向电压，但是只有导通。故0.7V，-0.7V，。为负半用时，两端加的是正向电压，两端加的是反向电压，的控制极又加上正向电压，故导通、截止。因此有0.7V，-0.7V，。以后便以为周期重复上述过程。逆变器出现故障时，交流电子开关上作，交流电子开关不工作，市电电压通过旁路闸刀开关，电子开关加到负载。其工作过程如下。设市电电压为： sin 为正半用时，两端加的是正向电压，两端加的是反问电

31、压，、的控制极虽然均加上正向电压，但是只有导通。故扩0.7V，-0.7V，。为负半周时，两端加的是正向电压，两端加的是反向电压，的控制极又加上正向电压，故导通、截止。故0.7V，-0.7V，。以后便以为周期重复上述过程。若逆变器与自动转换开关出现故障，则采用于动转换开关。闭合时，市电通过旁路闸刀开关及加在负载上。若旁路闸刀损坏，则采用手动转换开关。闭合时，可以直接将市电加到负载。图7 转换开关4仿真与结果分析4.1整流电路图8 整流仿真电路在整流电路中，三相电压源的幅值为311V，经降压变压器T降压后作为整流桥的输入，且变压器的副边侧输出电压为200V，再将输出的电压经Thyristors的驱动控制信号由Synchronized 6-Pulse Generator产生，此时取负载为电阻性负载，整流后的电压既可以用作给蓄电池充电；也可用于逆变电路后，用于负载供电。为了与负载电压和充电器的电压相匹配，可以通过控制脉冲的相角和变压器的变比控制直流电压的有效值，从而完成所需要的