電子信息工程系畢業(yè)論文.doc

摘要 不間斷電源UPS（Uninterruptible Power Supply）被廣泛應(yīng)用在敏感負(fù)載的保護(hù)上，如電腦，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，醫(yī)療設(shè)備，通訊系統(tǒng)等，其為這些負(fù)載提供了高質(zhì)量、高可靠性的存凈電源，功率變換是UPS的核心，變換器是實(shí)現(xiàn)功率變換的途徑，它的性能決定了UPS整體的性能。 本文在對UPS的發(fā)展結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)組成和工作原理進(jìn)行了介紹和分析的基礎(chǔ)上，深入分析了在線式UPS中DC/DC和DC/AC變換器電路，本文所介紹的全數(shù)字化在線式UPS采用MOTOROLA單片機(jī)MC68HC908MR16作為主控芯片，能夠做到快速鎖相和快速切換，基本對負(fù)載無影響。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高，而且成本低，調(diào)試方便，充分體現(xiàn)了數(shù)字控制的優(yōu)勢。其電路輸出功率大、控制簡單、性能優(yōu)良，有效的提高了輸出電壓的穩(wěn)定性。 本設(shè)計(jì)按照模塊化的設(shè)計(jì)思想，給出了各個部分電路的設(shè)計(jì)思路和硬件原理圖，并進(jìn)行了詳細(xì)的理論設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)測試，本文闡述的設(shè)計(jì)思想具有一般性，可以推廣到實(shí)際工程應(yīng)用中。關(guān)鍵詞：在線式UPS電源；UPS逆變器；DC/AC變換器。目錄摘要11緒論12在線式UPS不間斷電源現(xiàn)狀及發(fā)展23UPS不間斷電源現(xiàn)狀及發(fā)展2 3.1不間斷電源的基本組成及工作原理3 3.2UPS的基本分類及特點(diǎn)3 3.2.1在線式UPS電源3 3.2.2后備式UPS電源4 3.3.3雙變換在線式UPS電源44在線式UPS不間斷電源系統(tǒng)6 4.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理6 4.2UPS系統(tǒng)控制策略7 4.2.1UPS逆變器輸出電壓與電網(wǎng)電壓鎖相同步的實(shí)現(xiàn)7 4.2.2UPS逆變器與電網(wǎng)電壓切換控制9 4.2.3UPS逆變器輸出電壓的平均值反饋控制10 4.2.4UPS逆變器輸出電壓波形的補(bǔ)償13 4.2.5UPS逆變器的驅(qū)動模式13 4.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果14結(jié)論16參考文獻(xiàn)17致謝181緒論 隨著信息處理技術(shù)和微電子等精密技術(shù)的蓬勃發(fā)展，對供電系統(tǒng)質(zhì)量和可靠性的要求也越來越高，在一些用電要求較高的場合，急需一種電壓穩(wěn)定、能同步跟蹤電網(wǎng)頻率、高可靠性的交流不間斷電源。 UPS的中文意思為“不間斷電源”，是英語“Uninterruptible Power Supply”的縮寫，他可以保障計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在停電之后繼續(xù)工作一段時間以使用戶能夠緊急存盤，使您不致因停電而影響工作或丟失數(shù)據(jù)。它在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，主要起到兩個作用：一是應(yīng)及時用，防止突然斷電而影響正常工作，給計(jì)算機(jī)造成損害；二是消除市電上的電涌、瞬間高電壓、電線噪聲和頻率偏移等“電源污染”改善電源質(zhì)量，為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供高質(zhì)量的電源。在銀行、證券、通信、航空管理、生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)等行業(yè)UPS起著不可替代的作用。 UPS是一種含有儲能裝置，以逆變器為主要原件，穩(wěn)壓、穩(wěn)頻輸出的電源保護(hù)設(shè)備。當(dāng)市電正常輸入時，UPS就將市電穩(wěn)壓后供給負(fù)載使用。同時對機(jī)內(nèi)電池充電，把能量存儲在電池中，當(dāng)市電中斷（各種原因停電）或輸入故障時，UPS即將機(jī)內(nèi)電池的能量轉(zhuǎn)換為220V交流電繼續(xù)供負(fù)載使用，使負(fù)載維持正常工作并保護(hù)負(fù)載軟、硬件不受損換。 UPS主要從九十年代開始成規(guī)模，90年代初，對UPS要求能提供無時間中斷的電源來確保用戶的數(shù)據(jù)不致丟失為保護(hù)重點(diǎn)；90年代中期，在UPS配置了RS232接口和在計(jì)算機(jī)監(jiān)控平臺上配置各種電源監(jiān)控軟件的智能化UPS，保護(hù)的重點(diǎn)為用戶的數(shù)據(jù)的完整性；到了90年代末期，UPS以確保系統(tǒng)具有“高穩(wěn)定性”及“高實(shí)用性”為其保護(hù)重點(diǎn)。不同年代的需要對UPS不同分類及發(fā)展，UPS的分類及發(fā)展是當(dāng)今社會高速發(fā)展的需要。2在線式UPS不間斷電源現(xiàn)狀及發(fā)展 當(dāng)今，數(shù)字革命和網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)正席卷全球。隨著各種信息系統(tǒng)在各個行業(yè)的引用，更帶動了不間斷電源（UPS）迅猛發(fā)展。作為直接關(guān)系到計(jì)算機(jī)軟硬件能否安全運(yùn)行的一個重要因素，電源質(zhì)量的可靠性應(yīng)當(dāng)成為中小企業(yè)、學(xué)校等首要考慮的問題。UPS作為信息社會的基石，以開始了她新的歷史使命。隨著國際互聯(lián)網(wǎng)時代的到來，對電力供電質(zhì)量提出了越來越高的要求，無論是整個網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備還是數(shù)據(jù)傳輸途徑給以端到端的全面保護(hù)，都要配置高質(zhì)量的不間斷電源。 目前模塊化UPS還存在價格和認(rèn)知度的問題，但隨著UPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念的不斷深化，模塊化UPS將引發(fā)不間斷電源的革命，進(jìn)而成為未來UPS系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。 在專業(yè)供電系統(tǒng)中，UPS正面臨兩大挑戰(zhàn)：一方面，UPS“負(fù)載”的不斷升級擴(kuò)容，要求UPS必須能夠承載用戶階段性的信息發(fā)展戰(zhàn)略；另一方面，UPS產(chǎn)品的同質(zhì)化使廠商陷入價格戰(zhàn)的泥坑，廠商的收益和研發(fā)投入在逐漸減少。正義為如此，UPS技術(shù)需要變革，而模塊化被認(rèn)為是UPS技術(shù)發(fā)展的趨勢，相對于傳統(tǒng)意義上的UPS，模塊化UPS具有三大優(yōu)勢。 第一，“模塊化冗余并聯(lián)”技術(shù)避免資源浪費(fèi)。在行業(yè)用戶的信息網(wǎng)絡(luò)供電系統(tǒng)建設(shè)中，經(jīng)常會對高端UPS的容量產(chǎn)生錯誤的、或是過低或是過高的預(yù)計(jì)，其結(jié)果可能會導(dǎo)致采購成本過高、無法滿足負(fù)載需要或造成資源、空間及能源浪費(fèi)等情況。模塊化UPS通過可擴(kuò)充的模塊化結(jié)構(gòu)有效解決了這一問題，它可以幫助用戶在未來發(fā)展不明確的情況下分階段進(jìn)行建設(shè)和投資。 第二，高安全、易維護(hù)的熱插拔技術(shù)突破了應(yīng)用瓶頸。傳統(tǒng)高端UPS在日常維護(hù)、設(shè)備維護(hù)期間均需要采取轉(zhuǎn)旁路的方式，而負(fù)載在這種情況下是不受UPS保護(hù)的。因此，如果此時發(fā)生電源中斷、過載等故障，將會造成嚴(yán)重的損失，并且其維護(hù)過程相對繁瑣，不利時效。模塊化UPS系統(tǒng)中采用的熱插拔技術(shù)可以允許單體模塊在不需停電的前提下任意進(jìn)入或退出并聯(lián)單元，從而實(shí)現(xiàn)了并聯(lián)系統(tǒng)的在線維護(hù)，同時無需專門的儀器或技術(shù)即可進(jìn)行。 第三，電源相位多制技術(shù)降低了采購和管理成本。傳統(tǒng)高端UPS的電源輸入與輸出相位是固定的，因此用戶在進(jìn)行供電系統(tǒng)建設(shè)時，經(jīng)常會為了顧全不同的相位及容量而增加UPS的數(shù)量。在模塊UPS系統(tǒng)下，則可以采用電源相位多制技術(shù)來改變過往單一性造成的制約，用戶無需在考慮如何采購不同相位和容量的UPS產(chǎn)品來適應(yīng)系統(tǒng)的需要。 3UPS不間斷電源基本介紹3.1不間斷電源的基本組成及工作原理： 從基本應(yīng)用原理上講，UPS是一種含有儲能裝置，以逆變器為主要原件，穩(wěn)壓穩(wěn)頻輸出的電源保護(hù)設(shè)備。主要由整流器、蓄電池、逆變器和靜態(tài)開關(guān)等幾部分組成。1） 整流器：整流器是一個整流裝置，簡單地說就是將交流（AC）變成直流電（DC）的裝置。它有兩個主要功能：第一，將交流電（AC）變成直流電（DC），經(jīng)濾波后供給負(fù)載，或者供給逆變器；第二，給蓄電池提供充電電壓。因此，它同時又起到一個充電器的作用；2） 蓄電池：蓄電池是UPS用來作為儲存電能的裝置，它由若干個電池串聯(lián)而成，其容量大小決定了其持續(xù)放電（供電）的時間。其主要功能是：1當(dāng)市電正常時，將電能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能儲存在電池內(nèi)部。2當(dāng)市電故障時，將化學(xué)能能轉(zhuǎn)換成電能提供給逆變器或負(fù)載；3） 逆變器：通俗地講，逆變器是一種將直流電（DC）轉(zhuǎn)化為交流電（AC）的裝置。它由逆變橋、控制邏輯和濾波電路組成；4） 靜態(tài)開關(guān)：靜態(tài)開關(guān)又稱為靜止開關(guān)，它是一種無觸點(diǎn)開關(guān)，是用兩個可控硅（SCR）反向并聯(lián)組成的一種交流開關(guān)，其閉合和斷開由邏輯控制器控制。分為轉(zhuǎn)換型和并聯(lián)型兩種。轉(zhuǎn)換型開關(guān)主要用于兩路電源供電的系統(tǒng)，其作用是實(shí)現(xiàn)從一路到另一路的自動切換；并機(jī)型開關(guān)主要用于并聯(lián)逆變器與市電或多臺逆變器。3.2UPS的基本分類及特點(diǎn) 不間斷電源的種類很多，按不同的結(jié)構(gòu)和功能可以分為在線式UPS、在線互動式UPS、后備式正弦波UPS、后備式方波輸出UPS和Delta變換型UPS。從性能指標(biāo)上看，在線式UPSDelta變換型UPS在線互動式UPS后備式正弦波輸出UPS后備式方波輸出UPS。從價格上看，在線式UPS、Delta變換型UPS和在線互動式UPS價格較高，后備式UPS價格便宜。按UPS的工作方式可分為后備式、雙變換在線式、在線互動式三大類。 3.2.1在線式UPS電源 它是靜止式UPS的最初形式，應(yīng)用廣泛，技術(shù)成熟，一般只用小功率范圍，電路簡單，價格低廉。這種UPS對電壓的頻率不穩(wěn)、波形畸變以及從電網(wǎng)侵入的干擾等不良影響基本上沒有任何改善。其工作性能特點(diǎn)：（1） 市電利用率高，可達(dá)96%。（2） 輸出能力強(qiáng)，對負(fù)載電流波峰因素、浪涌系數(shù)、輸出功率因數(shù)、過載等沒有嚴(yán)格的限制。（3） 輸出轉(zhuǎn)換開關(guān)受切換電流能力和動作時間限制。（4） 輸出功率因數(shù)和輸入電流諧波取決于負(fù)載性質(zhì)。3.2.2后互動式UPS電源也稱為3端口式UPS電源，使用的是工頻變壓器。從能量傳遞的角度來考慮，其變壓器在3個能量流動的端口；端口1連接市電輸入，端口2通過雙向變換器與蓄電池相連，端口3輸出，市電供電時，交流電經(jīng)端口1流入變壓器，在穩(wěn)定電路的控制下選擇合適的變壓器抽頭拉入，同時在端口2的雙向變換器的作用下借助蓄電池的能量轉(zhuǎn)換共同調(diào)節(jié)端口3上的輸出電壓，以此來達(dá)到比較好的穩(wěn)壓效果。當(dāng)市電掉電時，蓄電池通過雙向變換器經(jīng)端口2給變壓器供電，維持端口3上的交流輸出。在線互動式UPS電源在變壓器抽頭切換過程中，雙向變換器作為逆變器方式工作，蓄電池供電，因此能實(shí)現(xiàn)輸出電壓的不間斷。其工作性能特點(diǎn)：（1） 市電利用率高，可達(dá)98%。（2） 輸出能力強(qiáng)，對負(fù)載電流波峰因數(shù)、浪涌系數(shù)、輸出功率因數(shù)、過載等沒有嚴(yán)格限制。（3） 輸入功率因數(shù)和輸入電流諧波取決于負(fù)載性質(zhì)。（4） 變換器直接接在輸出端，并處于熱備份狀態(tài)。對輸出電壓尖峰干擾有抑制作用。（5） 輸入開關(guān)存在斷開時間，致使UPS輸出仍有轉(zhuǎn)換時間，但比后備式小得多。（6） 變換器同時具有充電功能，且其充電能力很強(qiáng)。（7） 如在輸入開關(guān)與自動穩(wěn)壓器之間串接一電感，當(dāng)市電掉電時，逆變器可立即向負(fù)載供電，可避免輸入開關(guān)未斷開時，逆變器反饋到電網(wǎng)而出現(xiàn)短路的危險。3.2.3雙變換在線式UPS電源 它是屬于串聯(lián)功率傳輸方式。當(dāng)市電存在時，實(shí)現(xiàn)AC-DC轉(zhuǎn)換功能，一方面向DC-AC逆變器提供能量，同時還向蓄電池充電。該整流器為多可控硅整流器，但也有IGBT-PWM-DSP高頻變換新一代整流器。當(dāng)逆變時，完成DC-AC轉(zhuǎn)換功能，向輸出端提供高質(zhì)量電能，無論由市電供電或轉(zhuǎn)向電池供電，其轉(zhuǎn)換時間為零。當(dāng)逆變器過載或發(fā)生故障時，逆變器停止輸出，靜態(tài)開關(guān)自動轉(zhuǎn)換，由市電直接向負(fù)載供電。4在線式UPS不間斷電源系統(tǒng)4.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理 本系統(tǒng)采用的是正弦波UPS，它適用于用電質(zhì)量要求不高又要求不能斷電的負(fù)載。它由充電器、逆變器、蓄電池組、靜態(tài)開關(guān)等組成。系統(tǒng)工作原理如上圖1和圖2所示。 當(dāng)市電正常時如圖1所示，連接逆變器的轉(zhuǎn)換開關(guān)關(guān)斷，連接電網(wǎng)的轉(zhuǎn)換開關(guān)開通，UPS將原來電壓起伏很大的市電經(jīng)過一種簡易的交流穩(wěn)壓器稍加穩(wěn)壓處理后，向用戶負(fù)載供電。同時經(jīng)充電器對蓄電池組充電。 當(dāng)市電供電不正常時如圖2所示，連接電網(wǎng)的轉(zhuǎn)換開關(guān)關(guān)斷沒連接逆變器的轉(zhuǎn)換開關(guān)開通，逆變器在蓄電池組所提供的直流能源支持下，向用戶提供50Hz、220V正弦波交流穩(wěn)壓電源，同時充電器停止工作。4.2UPS系統(tǒng)控制策略4.2.1UPS逆變器輸出電壓與電網(wǎng)電壓鎖相同步實(shí)現(xiàn) 在市電故障時，為避免UPS的逆變器和市電電源切換瞬間對負(fù)載造成大的電流沖擊，必須保證電網(wǎng)電壓與UPS逆變器輸出電壓同頻、同相和同幅值，本系統(tǒng)通過MR16單片機(jī)對電網(wǎng)電壓采樣及相位捕捉，并與建立的電網(wǎng)電壓正弦表格相比較，經(jīng)邏輯判斷后控制逆變器輸出電壓的幅值和相位，從而實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)電壓的同步。如圖3所示，電網(wǎng)電壓的正弦波信號經(jīng)變壓器降壓再經(jīng)一2.5基準(zhǔn)電壓的提升，與+2.5基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，在LM339的輸出端經(jīng)反相器后在PTE6口就可以得到與正弦波同頻、同相位的方波信號，方波的上升沿為正弦波的零相位處，下降沿為正弦波的180相位處，方波信號送到單片機(jī)的I/O口，單片機(jī)通過隊(duì)I/O的檢測就可以判斷電網(wǎng)電壓的相位。通過計(jì)算兩次上升沿的時間間隔就可算出電網(wǎng)周期。UPS逆變器正弦波的產(chǎn)生，是通過MR16單片機(jī)的ROM中建立一個正弦表，在中斷程序中，由正弦指針讀取正弦值進(jìn)行脈寬計(jì)算，從而產(chǎn)生SPWM波形輸出，正弦指針為零時對應(yīng)的正弦波輸出電壓也為零，所以當(dāng)檢測到電網(wǎng)零相位點(diǎn)時，可以考慮通過比較正弦指針的值來判斷是否鎖相，指針為零則表明逆變器正弦波輸出與電網(wǎng)電壓波形鎖相同步，否則就要通過移相跟蹤電網(wǎng)電壓相位實(shí)現(xiàn)鎖相。圖4和圖5為電網(wǎng)電壓的采樣及相位圖分解。 電網(wǎng)電壓的采樣及相位如下圖所示：4.2.2UPS逆變器與電網(wǎng)切換控制 UPS逆變器與電網(wǎng)切換控制的實(shí)現(xiàn)，切換控制是通過切換電路中的靜態(tài)電子開關(guān)來實(shí)現(xiàn)的。 本系統(tǒng)選用MTC70（70A/1200V）的晶閘管，如圖6所示， 圖6中L1為電網(wǎng)進(jìn)線，L2為逆變器進(jìn)線，N為兩者的公共地線，R為負(fù)載。圖中采用晶閘管反向并聯(lián)連接，由于母線上流過的是正弦全波，以SCR1及SCR2為例，就必然形成在正弦波的正半周SCR2導(dǎo)通、SCR1關(guān)斷，在負(fù)半周則SCR1導(dǎo)通、SCR2關(guān)斷，這樣就保證了流過負(fù)載的電流是完整的正弦波。晶閘管的通斷是由MR16單片機(jī)輔以切換控制電路實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)電網(wǎng)故障時，先發(fā)出切斷電網(wǎng)信號，再發(fā)出切入逆變器的信號；當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)時，先發(fā)出切斷逆變器信號，再發(fā)出切入電網(wǎng)的信號，這就需要信號發(fā)送電路，同時控制晶閘管開、關(guān)也需要門級觸發(fā)驅(qū)動電路。切換控制電路如圖7所示，圖7中左邊PTC0、PTC6兩路端口就是MR16單片機(jī)發(fā)送的開關(guān)控制信號，經(jīng)光耦隔離送到由或非門組成的基本RS觸發(fā)器電路中，RS觸發(fā)器輸出的兩路信號時互鎖的，兩者只能同時為低電平（關(guān)斷信號），不能同時為高電平（開通信號），從而增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性。由555定時器組成的自激振蕩器的作用是定時的發(fā)送觸發(fā)脈沖，脈沖的有效寬度應(yīng)不小于晶閘管的開通時間，其輸出信號與RS觸發(fā)器的輸出相與送到門極驅(qū)動電路中。圖7中后級則是晶閘管的門極脈沖驅(qū)動電路，可以看出也是隔離輸出地。另外采用兩個LED管用于顯示負(fù)載采用的供電方式。 MR16單片機(jī)通過對市電故障及故障是否恢復(fù)的判斷來切斷市電或UPS的逆變器。切斷市電或逆變器后，負(fù)載電流衰減到零需要有一過程，然后再切入逆變器或市電，為保證切換操作的可靠性，本系統(tǒng)在零電流切入方式的基礎(chǔ)上，在主控程序中加入了如果在切斷市電（或逆變器）后延時3ms沒有進(jìn)行切入操作，就不管是否檢測到零電流直接進(jìn)行相應(yīng)的切入操作，從而保證了UPS供電的可靠性。4.2.3UPS逆變器輸出電壓的平均值反饋控制 UPS逆變系統(tǒng)實(shí)際上也是一種控制系統(tǒng)，對于本系統(tǒng)輸出電壓來說，其擾動量主要是負(fù)載變化和蓄電池的電壓變化，蓄電池電壓在短時間內(nèi)可以視為定值，負(fù)載的變化為本系統(tǒng)的主擾動。根據(jù)反饋控制原理，要維持哪一個物理量基本不變就應(yīng)該引入那個物理量的負(fù)反饋，所以，閉環(huán)逆變系統(tǒng)采用的是電壓閉環(huán)控制。通過測量輸出反饋的電壓量與給定量進(jìn)行比較，經(jīng)過調(diào)解器控制計(jì)算輸出，最終改變SPWM輸出脈寬，從而使輸出跟隨給定變化，負(fù)載擾動是被負(fù)載包圍在前向通道上的，所以，該控制結(jié)構(gòu)能夠抵抗負(fù)載擾動變化。對于調(diào)節(jié)器來說，數(shù)字化PI調(diào)節(jié)器是目前應(yīng)用最廣泛、最為成熟的一項(xiàng)技術(shù)，已經(jīng)在逆變系統(tǒng)中得到了很好的應(yīng)用。由于逆變系統(tǒng)中的負(fù)載均為電參量，動態(tài)響應(yīng)要快，因此PI控制算法中的參數(shù)選擇至關(guān)重要，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)合理選擇調(diào)節(jié)器參數(shù)，使系統(tǒng)的控制適應(yīng)性、快速性好。圖8圖9是切換控制電路的分解圖。 切換控制電路如圖所示：逆變系統(tǒng)的一般組成結(jié)構(gòu)如圖10所示4.2.4UPS逆變器輸出電壓波形的補(bǔ)償 在逆變主電路（如圖11所示）中，為防止同一橋臂的兩個功率開關(guān)管出現(xiàn)直通現(xiàn)象，往往采取關(guān)斷一功率管后延時一段時間在開通另一功率管的方法，這中間延時的時間（通常為幾u(yù)s）就形成了死區(qū)，死區(qū)的存在（盡管很?。﹦荼貢斐奢敵鲭妷翰ㄐ蔚幕?，尤其對零點(diǎn)附近波形的影響，本系統(tǒng)采取優(yōu)化存儲在MR16單片機(jī)ROM中的正弦表值的方法對死區(qū)進(jìn)行補(bǔ)償，以實(shí)現(xiàn)平滑的正弦電壓波形輸出。4.2.5UPS逆變器的驅(qū)動模式 本系統(tǒng)中，4個主功率開關(guān)器件采用的是單極性倍頻工作方式而不是雙極性方式， 因?yàn)榕c雙極性相比，單極性倍頻方式具有等效“