UPS不間斷電源設(shè)計

1、20122013學(xué)年第2學(xué)期電力電子實(shí)訓(xùn)課程設(shè)計報告題 目： UPS不間斷電源專業(yè)：自動化班級：自動化（2）姓名：唐青榮懷潤指導(dǎo)教師：周松林電氣工程系2011年5月12日1、任務(wù)書課題名稱UPS不間斷電源指導(dǎo)教師（職稱）周松林執(zhí)行時間2012 2013 學(xué)年第一學(xué)期第九周學(xué)生學(xué)號承擔(dān)任務(wù)唐青榮1009111072懷潤1009111126設(shè)計目的1、UPS電源是保障供電穩(wěn)定和連續(xù)性的重要設(shè)備2、當(dāng)UPS電源系統(tǒng)本身出現(xiàn)故障時有自動旁路功能，當(dāng)需要檢修時可采用手動旁路，使檢修、供電互不影響設(shè)計要求1 .給出設(shè)計原理框圖；2 .給出具體設(shè)計思路，畫出電路圖；3 .編寫設(shè)計說明書。UPS (Unint

2、erruptible Power System ),即不同斷電源，是一種含有儲能 裝置，以逆變器為主要組成部分的恒壓恒頻的不間斷電源。主要用于給單臺計算 機(jī)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)或其它電力電子設(shè)備提供不間斷的電力供應(yīng)。當(dāng)市電輸入正 常時,IPS將市電穩(wěn)壓后供應(yīng)給負(fù)載使用，此時的UPS就是一臺交流市電穩(wěn)壓器, 同時它還向機(jī)電池充電；當(dāng)市電中斷(事故停電)時，UPS立即將機(jī)電池的電能, 通過逆變轉(zhuǎn)換的方法向負(fù)載繼續(xù)供應(yīng)220V交流電，使負(fù)載維持正常工作并保護(hù) 負(fù)載軟、硬件不受損壞。UPS設(shè)備通常對電壓過大和電壓太低都提供保護(hù)。電力電子技術(shù)的應(yīng)用圍已經(jīng)深入到我們呢的日常生活中去了，其中UPS不間 斷電源就

3、是其中的重要應(yīng)用圍。此次電力電子課程設(shè)計中，對UPS電源的設(shè)計就 是本次設(shè)計的主要容。隨著UPS的廣泛使用，在現(xiàn)代社會中的重要性越來越強(qiáng)， 使用圍越來越廣，目前，UPS在電力電子產(chǎn)品中已占市場相當(dāng)大的份額，所以這 次課程設(shè)計對我來說具有非常的實(shí)際意義，能從中讓我學(xué)習(xí)許多先進(jìn)的知識和理 論，將所學(xué)的知識進(jìn)行升華，這將有利于我今后的工作。關(guān)鍵詞：儲能逆變器不間斷電源穩(wěn)壓器向負(fù)載供電頁腳AbstractUPS (Uninterruptible Power System), namely the uninterruptible power supply, is a kind of energy sto

4、rage device, uninterruptible power supply voltage and frequency of the main part of the inverter. Mainly used for power supply to a single computer, computer network system or other power electronic equipment to provide uninterrupted. When the power input is normalt UPS city electricity voltage supp

5、ly to load, the UPS is an AC voltage regulator, at the same time it also to the machine battery charging； when the power outage (outage), UPS will immediately built-in battery power, continue to supply 220V alternating current to the load by the method of inverse transformation, the load to maintain

6、 the normal work and protect the load of soft, hardware damage. UPS devices are often large and the voltage is too low to provide protection for all voltageApplication of power electronic technology has penetrated into our daily life in London, where UPS uninterruptible power supply is one of the im

7、portant applications. Power electronics course this design, design of UPS power is the design of the main content. With the wide use of UPS, in the modern society is becoming more and more strong, used, currently, UPS has accounted for a large share of the market in electric and electronic products,

8、 so the curriculum design has practice meaning to me, let me learn a lot from the advanced knowledge and theories, to learn the knowledge of sublimation, which will be helpful for our future work.Keywords： energy storage inverter uninterruptible power supply voltage to the load power supply插圖清單圖2-1號

9、態(tài)UPS典型框體3圖3-1 UPS不間斷電源電路圖 4圖3-2整流/充電器主回路電路圖5圖3-3逆變電路7圖3-4旁路電源轉(zhuǎn)換開關(guān)9表3-1電路圖器件清單插表清單4目錄第一章概緒11. 1 UPS的發(fā)展歷程11.2 UPS的發(fā)展前景2第二章系統(tǒng)整體設(shè)計方案32.1 負(fù)載間斷供電的原因32.2 系統(tǒng)總體設(shè)計原理32.2.1 總體設(shè)計原理框圖3笫三章單元電路設(shè)計43.1 整流/充電電路設(shè)計53. L 1整流/充電器主回路設(shè)計54. L2晶閘管的要求65. L 3濾波電抗器、電容及選用63.2 逆變電路設(shè)計63.3 旁路電源8第四章心得與體會10參考文獻(xiàn)11頁腳第一章概緒自從電子設(shè)備特別是計算機(jī)問世

10、以來，電源問題一直是人們十分關(guān)心的問 題。且對于一些特殊位置的重要設(shè)備，人們不但關(guān)心其供電電源本身的性能指標(biāo) 更注重供電電源的質(zhì)量，即供電的穩(wěn)定性和不間斷性。因?yàn)檫@些設(shè)備的電源一旦 出現(xiàn)不穩(wěn)定或者消失，就將造成非常大的損失，甚至無可挽回的損失。所幸的是 不間斷電源UPS（Uninterruptible Power System）的出現(xiàn)，為解決這個問題提供 了廣闊的前景。1.1 UPS的發(fā)展歷程最初的UPS是本世紀(jì)六十年代初由旋轉(zhuǎn)電動機(jī)供應(yīng)能量的動態(tài)UPS,即不間 斷是靠動能維持。這種早期UPS的輸出穩(wěn)定是靠慣性飛輪對短時間電壓突變和干 擾無反應(yīng)，不間斷性是靠斷電后飛輪的慣性延長供電時間。當(dāng)然這

11、種UPS的后備 時間是很短的（一般不超過5秒），于是人們開始使用備用蓄電池組，這就是早期 UPS的典型結(jié)構(gòu)。這樣的UPS雖然可以靠增大蓄電池容量來延長后備時間，但轉(zhuǎn) 換效率低。于是出現(xiàn)了燃式UPS系統(tǒng)，這種IPS靠燃機(jī)提供斷電后的能量。動態(tài) UPS設(shè)備龐大笨重、操作不夠靈活、而且效率低、噪聲大。隨著電力電子學(xué)（功率電子學(xué)）的發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)大功率的電能轉(zhuǎn)換，于是出現(xiàn) 了靜態(tài)UPS,它的主電路和控制電路均采用半導(dǎo)體器件，它也是目前絕大多數(shù)概 念中的UPS。其基本原理是，市電輸入經(jīng)整流器將交流電變成直流電，一方面給 蓄電池組充電，另一方面為逆變器提供能量，再將直流電變成交流電經(jīng)轉(zhuǎn)換開關(guān) 送到負(fù)載，當(dāng)逆

12、變器發(fā)生故障時，另一路備用電源（旁路電源）經(jīng)過轉(zhuǎn)換開關(guān)實(shí)現(xiàn) 向負(fù)載供電。靜態(tài)UPS的工作方式有在線式和后備式（Online and Offline）,兩者主體結(jié) 構(gòu)大體相同，只是后者在市電正常時工作在旁路（Bypass）,而前者只有當(dāng)逆變器 故障或過載時才由旁路電源供電。而且一般來說，從性能上講，在線式優(yōu)于后備 式；從容量上講，后備式一般不大于3KVA,而在線式不受此限制，目前單機(jī)容量 可以做到600KVA以上,比如M.G, EXIDE, SOCOMEC等公司。UPS的裝機(jī)容量正 不斷擴(kuò)大，并聯(lián)成為擴(kuò)大容量或者冗余系統(tǒng)的必然方法。比如M.G, EXIDE等公 司的UPS機(jī)信號用微機(jī)處理、通訊采

13、用普通信號，而SIEL公司采用光纖通訊OSC 系統(tǒng)），從而實(shí)現(xiàn)多臺UPS的同相同幅、均負(fù)載的功能。由于單相進(jìn)單相出給市 電配電帶來極大困難，于是出現(xiàn)了三相入單相出（3/1）的UPS,其最大容量可達(dá) 60KVA以上，這種單相輸出的UPS在切換到旁路時、滿負(fù)載情況下市電對應(yīng)的一 相將嚴(yán)重超載，因此廠家推出了三相入三相出的IPS產(chǎn)品，而且有三相負(fù)載100% 不平衡產(chǎn)品，如 IPM, SOCOMEC, BORRI, MEISSNER, SAVIN,VICTRON 等公司的 UPS 產(chǎn)品。為改善后備式UPS的供電質(zhì)量，人們研制了凈化UPS,即將凈化電源加 在旁路電源上，如國產(chǎn)寶合UPS產(chǎn)品。結(jié)合后備式U

14、PS效率高和在線式UPS供 電質(zhì)量高的優(yōu)點(diǎn)，人們提出了三端口 UPS。它使得離線式和在線式有機(jī)結(jié)合在一 起，產(chǎn)品如APC、BESTDELTEC,休康等。近期又出現(xiàn)了不間斷蓄電池系統(tǒng)UBS （Uninterrupted Battery System）,它結(jié)合 了動態(tài) UPS 和靜態(tài) UPS 的優(yōu)點(diǎn), 只是噪聲稍大，主要應(yīng)用于特殊場合，如野外、地下室等環(huán)境惡劣的場所。1.2 UPS的發(fā)展前景從以上UPS的發(fā)展歷程可看出，UPS從當(dāng)初單一的動態(tài)存儲式到今天多類型 多品種動態(tài)、靜態(tài)、動靜結(jié)合、在線式、后備式（離線式）、后備在線交叉式等。 隨之，IPS的應(yīng)用領(lǐng)域也從當(dāng)初單一的計算機(jī)用戶發(fā)展到今天計算機(jī)系

15、統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò) 系統(tǒng)在的能源（如電力）、醫(yī)藥、農(nóng)林、交通、天文、地理、通訊系統(tǒng)（如網(wǎng)絡(luò)通 訊）等領(lǐng)域，后備時間從當(dāng)初的幾秒鐘到今天的幾小時、幾十小時甚至更常的時 間，特別是從技術(shù)含意義上講，從當(dāng)初單一的機(jī)械式到今天包羅了當(dāng)代全部的電 子技術(shù):從微電子學(xué)到功率電子學(xué)，從線性電路到數(shù)字電路，從計算機(jī)硬件到軟 件，從電信號通訊到光纖通訊以及機(jī)電一體化技術(shù)。隨著微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電源技術(shù)的高頻化、模塊化、 數(shù)字化、綠色化成為發(fā)展趨勢，UPS不間斷電源也不例外。電力電子功率器件 的高頻化和模塊化使得UPS電源產(chǎn)品的體積和重量大大減小，而可靠性和效率得 以提高，可帶來顯著節(jié)能、降耗的可觀經(jīng)濟(jì)效

16、益。微處理器軟硬件的引入的可以 實(shí)現(xiàn)對UPS的智能化管理，進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)和遠(yuǎn)程診斷。從而為UPS電源產(chǎn)品的數(shù) 字化、智能化提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。隨著人們對環(huán)境保護(hù)意識的加強(qiáng)，電源系統(tǒng) 的綠色化概念被提出。所謂電源綠色化首先是顯著節(jié)能，因?yàn)楣?jié)電可以減少發(fā)電 對環(huán)境的污染。其次是電源不能（或少）對電網(wǎng)產(chǎn)生污染。事實(shí)上許多功率電子節(jié) 能設(shè)備往往是電網(wǎng)的污染源，向電網(wǎng)注入嚴(yán)重的諧波電流，使得總的功率因素下 降使電網(wǎng)電壓產(chǎn)生毛刺尖峰甚至畸變。20世紀(jì)末各種有源濾波器和有源補(bǔ)償 器的方案誕生，有了功率因數(shù)校正PFC, Power Factor Corrector）方法，為21 世紀(jì)UPS電源產(chǎn)品的綠色化奠定了基

17、礎(chǔ)。由此可看出UPS已當(dāng)之無魄成為當(dāng)代高科技成員，而且正隨著電力電子技 術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展而不斷發(fā)展。頁腳第二章系統(tǒng)整體設(shè)計方案2.1 負(fù)載間斷供電的原因造成負(fù)載間斷供電的原因又很多，主要有：(1)交流輸入電源(市電)突然發(fā)生停電。造成停電的原因有很多，如：用 戶發(fā)生事故造成電源跳閘；雷擊造成短路而跳閘，或者雷擊造成輸電線斷裂而跳 閘；臺風(fēng)或龍卷風(fēng)將電線瓜裂而跳閘等。(2)交流電源發(fā)生瞬間停電。(3)電源裝置發(fā)生故障而中斷供電。2. 2系統(tǒng)總體設(shè)計原理UPS不間斷電源設(shè)計的基本原理是將輸入的交流電整流轉(zhuǎn)換為直流電，一方 面為備用蓄電池充電，另一方面再將其逆變轉(zhuǎn)換為穩(wěn)壓穩(wěn)頻

18、的交流電。設(shè)計的基 本點(diǎn)有兩個，一是UPS輸出的穩(wěn)定性，即輸出電壓和頻率都必須保持穩(wěn)定(在一 定的額定精度)，二是UPS輸出的不間斷性，即要能實(shí)現(xiàn)不間斷供電。整個設(shè)計 緊緊圍繞這兩個要點(diǎn)進(jìn)行的。(1)蓄電池(包括充電器)是電網(wǎng)斷電或者電網(wǎng)電壓嚴(yán)重畸變時為負(fù)載供電的 能量來源；(2)逆變器是UPS輸出穩(wěn)壓穩(wěn)頻的交流電的核心組成，也是整個UPS核心的 采用冗余備用單元也是為了保證負(fù)載供電的不間斷；(3)旁路輔助電源(包括維修旁路電源和靜態(tài)旁路電源)是為維修、檢修UPS 或者逆變器故障的情況下實(shí)現(xiàn)不間斷供電的輔助電源。2.2 . 1總體設(shè)計原理框圖旁路電路.圖2-1靜態(tài)UPS典型框體第三章單元電路設(shè)

19、計UPS電源系統(tǒng)由4部分組成：整流、儲能、變換和開關(guān)控制。其工作過過程 是當(dāng)市電正常工作時，直流回路有直流電壓供給直流到交流逆變器輸出穩(wěn)定的 220V交流電壓，同時市電對蓄電池進(jìn)行充電。當(dāng)市電處于欠壓或者突然斷電時, 由蓄電池組提供直流電，通過直流到交流逆變器輸出穩(wěn)定的220V交流電壓。如 果逆變器發(fā)生故障則通過空氣開關(guān)，切換到旁路電源，由旁路電源為負(fù)載提供交 流220V電壓。其主電路圖如下所示：3-1 UPS不間斷電源電路圖器件名稱器件作用1兩個空氣開關(guān)控制電路的通斷2六個晶閘管控制輸出電流電壓3六個IBGT逆變器的組成4六個反向二極管保護(hù)IGBT5兩個電解電容濾波電解電容6蓄電池組儲存電量

20、和釋放電量7六個電阻阻容吸收電阻8六個電容阻容吸收電容9直流電流表測直流電路電流10直流電壓表測直流電路電壓11電感電感器濾波電感12保險絲保護(hù)電路3. 1整流/充電電路設(shè)計3.1整流/充電電路設(shè)計整流/充電電路在UPS交流不間斷電源裝置中的作用主要有兩個：一是將交 流電整流為直流電，經(jīng)濾波后供給逆變器；二是給蓄電池提供充電電壓，對蓄電 池進(jìn)行充電。整流電路的形式有很多種，典型的整流電路有：三相或單相不可控 整流電路、三相或單相橋式半控整流電路、三相或單相橋式全控整流電路，帶平 衡電抗器的12脈波整流電路等。大功率UPS不間斷電源的整流/充電電路一般選用可控整流電路，這是基于 整流器和充電器為

21、一體的設(shè)計考慮的，具體來說：(1)我們希望的是逆變器能得到一個電壓比較穩(wěn)點(diǎn)的電源。但是往往由于很 多因素的影響，如市電不斷變化的影響，有的時候低于380V,甚至可能會低于 340V；又是高于380V,甚至高于420V等等，如果采用不可控電路的話，就不能 保證直流電輸出的穩(wěn)定性。只有采用可控電路才能自動的調(diào)節(jié)脈沖相位，才能保 證輸出電壓的穩(wěn)點(diǎn)。(2)蓄電池的充電電壓必須可以調(diào)節(jié)。不可控電路不能提供蓄電池通常狀態(tài) 下的浮充電壓和過放電壓以后的均充電壓(均衡充電電壓)兩種不同大小的電壓。 因此采用可控整流電路比較好。1.1. 1整流/充電器主回路設(shè)計本設(shè)計中的整流/充電電路采用常見的三相橋式全控整流

22、電路，電路圖如下 所示：S=6.8nF圖3-2整流/充電器主回路電路圖3. 1.2晶閘管的要求控制電路是整流充電器的核心 因?yàn)闊o論是整流直流輸出作為逆變器的輸 入的控制還是給蓄電池充、放電的控制必須保證控制可靠、穩(wěn)定、有序。因 此對控制電路的要求如下：(1)晶閘管的觸發(fā)控制電路要輸出與主回路電路相同步的觸發(fā)脈沖。(2)能調(diào)節(jié)整流輸出大小，以滿足對蓄電池充電的要求。(3)保證整流輸出的穩(wěn)定，以利于逆變器和蓄電池的工作。(4)整流器的起動要平穩(wěn)，因而要控制起動速度限制起動電流。抑制過載電流，要有限流保護(hù)和過、欠壓保護(hù)。4. 1.3濾波電抗器、電容及選用(1)濾波電抗器L的作用可歸結(jié)為以下三個方面1

23、)平波作用。整流電壓里含有對逆變器和蓄電池不利的交流成分，利用 電抗器既能儲存能量又能放出能量的特點(diǎn)，在電路中接入電抗器L減小整流電壓 脈動程度，起到平波作用。2)續(xù)流作用。當(dāng)整流器的晶閘管控制角增大到一定值后，在某段時間橋 式整流電路中各元件均不導(dǎo)通，此時整流器輸出電壓為零，輸出電壓的波形出現(xiàn) 了不連續(xù)，輸出電流也就出現(xiàn)了不連續(xù)。這必將影響逆變器和蓄電池的供電連續(xù) 勝。如果接入了電抗器L,在這段時間電抗器將通過續(xù)流二極管所提供的通路把 它儲存的能量釋放出來，供給逆變器和蓄電池，形成導(dǎo)通回路，保證輸出電流的 連續(xù)性。3)限制短路電流上升率的作用。當(dāng)直流側(cè)發(fā)生短路時，直流回路中的電 流將猛然增大

24、，危及晶閘管和硅整流元件如整流二極管。利用電抗器上電流不能 突變的特點(diǎn)，在電流中接入電抗器后可限制短路電流的上升率，從而起動保護(hù)整 流器的作用。(2)濾波電容C電容C是大容量、高耐壓濾波電解電容 起平滑濾波作用。(3) L和C的選用設(shè)計直流濾波器所用L和C的大小根據(jù)整流/充電器的容量合理計算 這里我們根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來取值。L一考慮電感量大小和電流 選lmH/600AoC一考慮大小和耐壓值 選6800liF/450V兩片。3.2逆變電路設(shè)計析方便圖3-2是采用IGBT作為開光器件的電壓型三相橋式逆變電路，可以 看成由三個半橋逆變電路組成。圖3-2的直流側(cè)通常只有一個電容就可以了，但 為了分，畫作串聯(lián)的

25、兩個電容器并標(biāo)出假象中點(diǎn)N'。和單相半橋、全橋逆變電 路相同，三相電壓型橋式逆變電路的基本工作方式也是180°導(dǎo)電方式，即每個 橋臂的導(dǎo)電角度為180。，同一相(即同一半橋)上下兩個臂交替導(dǎo)電，各相開 始導(dǎo)電的角度依次相差120。這樣，在任一瞬間，將有三個橋臂同時導(dǎo)通?？?能是上面一個臂下面兩個臂，也可能是上面兩個臂下面一個臂同時導(dǎo)通。因?yàn)槊?次換流都是在同一相上下兩個橋臂之間進(jìn)行，因此也被稱為縱向換流。圖3-3逆變電路對于U相輸出來說，當(dāng)橋臂1導(dǎo)通時，,當(dāng)橋臂4導(dǎo)通時，因此，"，的波形是幅值為4/2的矩形波。V、W兩相的情況和U相相似，/,、出N的波形形狀和相同，

26、只是相位依次相差120°“UV = "UN "1WliVW = "in "wM，liWU = UWN UUN負(fù)載線電壓“火、"小、"wu可由下式求出UUV = "uv "wUVW = l(VN - I,WV >"wu = "wv _ IUW設(shè)負(fù)載中點(diǎn)N與直流電源假象點(diǎn)N'之間的電壓為N",則負(fù)載各相的相電 壓分別為llUN = "UZ INW11VN =. UNN，>UWN = UWNl UNN9把上式各式相加并整理可求得1(" + &

27、quot; + "WM)一 ! (他N + 即N + “WN)(3)設(shè)負(fù)載為三相對稱負(fù)載，則有W+"四+皿=°,于是"=5("+) (4)所以“，w也是矩形波，其頻率為0M的3倍，幅值為其1/3,即U/6。三相逆變輸出的電壓與電流分析類似，負(fù)載參數(shù)已知，以U相為例，負(fù)載的 阻抗角獷不一樣，'。的波形形狀和相位都有所不同，圖2g給出的事阻感負(fù)載下 獷到&的波形。橋臂1中的匕從通態(tài)轉(zhuǎn)換到斷態(tài)時，因負(fù)載電感中電流不能突變，小橋4中的V先導(dǎo)通續(xù)流，待負(fù)載電流降為零，橋臂4中電流 反相時，匕才開始導(dǎo)通。負(fù)載阻抗角獷越大，導(dǎo)通時間越長。在麗

28、|>°時, q <°時為VQ導(dǎo)通，i" >°時為匕導(dǎo)通；在 W <°時，>°時V導(dǎo)通，i" <0 時為匕導(dǎo)通。'；、'；的波形與L形狀相同，相位一次相差120,將三個橋臂電流相加可得 到直流側(cè)電流)。把橋臂1、3、5的電流加起來，就可得到直流側(cè)電流'd的波形, 如圖2h所示?？梢钥闯?，每隔60°脈動一次，而直流側(cè)電壓是基本無脈動的， 因此逆變器從交流側(cè)向直流側(cè)傳送的功率是脈動的，且脈動的情況和0脈動情況 大體相同。這也是電壓型逆變電路的一個特點(diǎn)。3. 3旁路電源旁路電源是UPS不間斷電源不可缺少的部分，它分為靜態(tài)旁路電源和維修旁 路電源。靜態(tài)旁路是指利用靜態(tài)開關(guān)(一對反并聯(lián)的快速晶閘管組成)來實(shí)現(xiàn)逆變 器供電和旁路供電之間的同步切換。因?yàn)榭焖倮^電器的動作時間至少為幾毫秒， 不能滿足不間斷供電的要求，而靜態(tài)開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷時間僅為數(shù)十微秒，因此可實(shí)現(xiàn)負(fù)載的不間斷供電。維修旁路電源是為電源裝置檢修、維修時的備用電源。 旁路電源一般取自市電電網(wǎng)。LOAD圖3-4旁路電源轉(zhuǎn)換開關(guān)第四章心得與體會在此次設(shè)計中，我們小組成員都很積極，為了實(shí)現(xiàn)其功能，我們查閱了相關(guān) 書籍，并且在我們