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1、湖北理工学院毕业设计（论文） 1.引言1.1 课题研究背景及意义 随着计算机的广泛运用以及高尖端科技的出现，这些系统对于电网的供电质量提出了更高的要求，在计算机系统中运用UPS不间断电源供电，能够使得系统不会在工作时段因为断电导致RAM中的重要数据丢失，避免不必要的麻烦，更为主要的是UPS电源可以避免计算机系统因电源中断而整体瘫痪。UPS不仅可以连续不断地向负载提供电力的电压和频率都在正常范围内，并能抑制输出电路的干扰。负载蓄电池滤波器逆变器控制单元充电器整流器波形检测滤波器电网UPS 不间断电源的主要作用是在输入回路断电时将电池 的电能逆变成交流电提供给负载并且有稳频稳压的作用。当电源恢复正
2、常后,输入回路会继续向负载提供电源并且同时向蓄电池组进行充电。其基本原理是把电网中的交流电在经过滤波器整流以后变为直流电，然后经过逆变器再转换成交流电，当电网由市电供电的时候同时把一部分的电能经过转化变成可以储存的化学能保留在蓄电池里，在电网供电出现问题的时候，逆变器的供电这时候就由蓄电池来承担，这样就保证了不间断的输出交流电，其供电时间的长短由储能多少来决定。典型的晶体管式UPS不间断电源内部结构如下图所示：图1-1UPS内部结构现在通常按照UPS不间断电源的逆变器按照不用的工作方式和状态把它分成了在线式与后备式这两个工作形式：（1） 在线式：在线式是指在市电正常工作时，是以交流 整流 逆变
3、器这样的流程方式对负载进行提供交流电；当市电发生故障而中断时，则会以蓄电池组 逆变器的这种工作方式对负载进行供电，当逆变器出现故障，则由控制器使旁路开关将市电接在负载上，在逆变器排除故障后，再恢复逆变器对负载进行供电。（2） 后备式，后备式就是指的正常情况下负载的电能由正常的市电电网提供，在市电电网出现问题的时候，这时候逆变器的电能就由蓄电池组来提供，负载所需要的交流电就是由UPS的逆变器来进行提供。 当单台UPS不间断电源能够为全部负载提供电能时，其连接方式较为简，是由市电进过输入开关再连接到UPS，然后接入输出开关，最后链接负载，这就是最基本的连接方式。两台或者两台以上的UPS不间断电源所
4、包含的总容量相比较负载的总容量来说要多，并且该系统的包涵总容量会比负载的总容量多一台UPS不间断电源的容量，当其中任意一台出现故障时，其余的不间断电源可以继续为负载提供电源，这样的方式称为并联有备份方式，连接方式如图：市电负载输入开关 输入开关输入开关 输出开关 . . . . . . . . . . . . . . .输入开关 输入开关UPS1UPS2UPSn 图1-2多台UPS并联系统 当UPS电源附带的负荷超过限度或者逆变器能部件出现故障，UPS电源将会由旁路直接提供电能。当然，UPS不间断电源同样存在着不足： （1）插件的数量比较多，这使得硬件的成本也会相应变高。 （2）许多潜在故障不
5、会轻易地暴露。元器件较多，元器件老化以及偶尔的故障发生率较高，客户对于故障的查找和修理恢复运行比较困难。（1） 由于UPS电源的检测特性还仅限于模拟输出量的测量值或者用于出发声音和感光报警器的继电接点，并且它只具备少量的储存数据能力，客户只能通过有线的仪器很难确定UPS故障，这也使维修有了很大的困难度。（2） 每一款型号的UPS电源都要设计新的硬件电路，这样，不修改硬件部分的UPS升级是很不现实的，所以其通用性较差。 1.2 UPS发展趋势（1） 高频逆变器在技术方面，基本的微电子技术，电力电子，用作绝缘栅双极晶体管逆变器功率器件的新一代UPS产品的开发自动控制技术。交流滤波器的损耗和逆变器的
6、损耗伴随着频率的提高而减少，这使得逆变器的工作效率得到了大幅度的提升。在20 50赫兹之间的IGBT的开关频率明显的提高了逆变器的性能，同时也让输出电压的谐波含量有了明显的减少，并且在同时，UPS的动态响应和电流峰值因数的动态响应也得到了提高。因为使用的IGBT逆变器是高频率的，这就大大减少了存储装置所原有的大小和重量，这就让机器的尺寸和重量得以减少，更大限度的节省了占地空间，并且也使机器的噪声和成本降低了。（2）小型化 传统的UPS输出是通过变压器，但是因为硅钢片的性质问题使得高频变压器的尺寸和重量都很大。在最近几年，已经出现了无输出变压器的中小型UPS不间断电源，显著降低其重量。逆变器没有
7、输出变压器，它需要一个高频变压器的输入端，用于输入匹配，在逆变器和蓄电池组之间需要一个直流转换器。为了将交流电转换为直流电池和逆变器可以使用，输入电流的低失真和高输入功率因数使UPS成为绿色电力转换器，近年来， UPS输入的交流-直流转换器用的是有源功率因数校正电路。（3）智能智能的目的是方便管理，提高工作效率，目前的UPS容量不仅多了很多，而且智能程度越来越高，不仅可以指向监控和语音控制，还可以联网的多点监控。 UPS除了其三大基本功能外 ，逐渐增加自我监控，外部报警，集中监控，环境监控，切换器，电池自动补偿和检测，功耗低，直接并机，对供电电网程线性载荷，相当于非线性负载的输出，共享与电池或
8、分用电池组的功能点。 中小型UPS的AC / DC和DC / AC转换器大多是模拟控制电路，DC - DC转换器控制芯片大多已集成，使用方便，工作可靠。 DC / AC逆变器有两种基本方式：单，双回路控制闭环控制。单回路控制电路简单，但难以实现输出短路自恢复;双回路控制与内部和外部的电压和给定的电流，输出电流调节电压调节器，从而限制了电流给的定大小将限制逆变器电流的最大输出。电流调节器选用滞环调节器，调节器的使用显著的提高UPS的动态性能。数控技术已成为UPS控制的新的主流技术，其高精度和强抗干扰能力相当的强，这对UPS测试、故障诊断和远程UPS遥测来说就相当的方便，多台并联UPS和热插拔，易
9、分离的实现电池监测和管理。PWM技术的核心是数控技术，让UPS输出电压得以保障，同时也确保了频率和输出电压波形，使技术要求得到最大程度的满足，在UPS自检操作的检测时，故障保护和故障隔离是数字控制器的另一个重要功能。因为数字控制器在实施控制时，使得硬件电路被UPS控制器标准化，这就使生产和保养得到简化，与此同时还提高了整个系统的可靠性和灵活性。（4）并联冗余技术并联冗余系统和所有UPS模块的并联运行的参与系统同样的重要，都具有负荷分担，在其中任何一个发生意外故障时，其他独立的系统可以自动承担额外的负荷，此时单个的故障系统会自动加载从总线脱离。显然，改进的并行冗余系统，维护单个的可靠性变得更容易
10、，整个系统可以被并联连接，而无需中断电源进行维护检修，所以可用度是相当高的。UPS并行和可热插拔的技术比开关稳压器复杂。并行和可热插拔的UPS技术比开关稳压器复杂。由于可变的交流相序，频率，相位，电压，波形这5个当中其中一个与网格中的任何一个不一致时， UPS则不能投入到电网，而且通过调节电压和相位，必须要实现同样的UPS输出有功和无功功率，并且调整不能使电网电压和频率发生偏移。 UPS交流输出，所以不能用二极管来隔离发生故障的UPS ，因此要求UPS自我测试的操作不应该只提高检测率，还要检测速度快和准确的判断，同时可快速拆卸UPS故障，以防止大的波动并联母线电压，防止杂散信号切断正常的UPS
11、 。因此，UPS的并联连接的主要有三个方面：一是自动UPS电源的正常工作，第二是UPS的有功电流的电流分布之间的并行操作，第三，如果UPS故障，应于故障设备的情况下被快速除去不干扰电网。（5）环保UPS受到的影响主要来源于有源输入功率因数的影响，并且也受到效率和系统噪声等一些环境因素的影响。传统双转换UPS批量标准的六脉波整流器输入电网控制的干扰，由于电路结构和该产品的系统效率低，对环境有污染的形成。由于排风扇应用于UPS的冷却，强大的气流会发出砰的一声，环境噪声污染的形成。（6）系统集成 系统集成是在UPS应用中的一大发展，其意义不是融合UPS本身，而是作为网络关键物理基础设施（ NCPI
12、）是其职权超出了单个功能的功率参考不可分割的一部分，但与配电，制冷， IT机架，布线（电源和数据电缆） ，管理和IT服务，以确保形成一个良好的环境正常运行。 1.3 主要研究内容下面对UPS的整体结构和他自身的工作原理进行了分析，主要概括如下： （1）解析了UPS发展的现状和它将来发展的趋势，其重点是分析了UPS的原理以及构成 （2）了解各种提高UPS功率因数的办法，在平均电流模式控制有源功率因数校正技术的基础上，设计了电流采样电路，电压采样电路等等，并计算了关键部件的参数 （3）对系统采用MATLAB进行了仿真。 2.UPS系统结构2.1 组成部分 在线式的UPS系统一般囊括以下几个组成部分
13、：输入整流滤波电路、功率因素校正电路、蓄电池组、充电电路、逆变电路、静态开关电路、人机交互、微控制器，如图2-1所示。 输入功率因数校正电路转换开关充电器蓄电池组逆变PWM通道DSPADC通道I/O接口通信接口电网电压电流频率逆变电压电流频率电池电压电流人机界面滤波整流市电负载 图2-1 UPS系统结构图（1）输入整流滤波电路 在线式UPS整流电路将交流电源转换为直流电源，这是准备逆变器逆变。同时，经过的降压型DC电源整流，可以对电池组进行充电。整流方式有两种，一种是采用大功率可控硅和二极管整流器，半桥整流，全桥整流，6脉冲整流，12脉冲整流等，而另一种方式是使用隔离变压器在电源再次降压后有一
14、个二极管桥式整流器整流。前者通常用于高功率的UPS，后者用于低功率的UPS。经整流的电信号是直流信号与波纹，除DC分量和AC分量。 AC滤波器电路可以将整流后的信号抑制，使波纹的直流信号变成平滑的直流信号。（2）功率因素校正电路 功率因素PF(Powe:Factor)指的是交流输入有功功率P和视在功率S的比值。在不间断电源系统中，经整流的AC输入信号直接应用到滤波电容器的两端和电池的两端，滤波器充电是在AC输入信号的电压超过电压滤波器的两端时发生的。电流脉冲产生在电容和充电器之间，产生的高次谐波会导致功率因数下降，从而对电网产生干扰。功率因数校正电路系统是为了改善输入功率因数，减少对电网的谐波的干扰，使得电网输入电流和输入电压接近相同的相位。（3）蓄电池组 储能装置中最常用的是蓄电池组，现在在UPS中也得到了广泛的应用，在正常情况下的电源，电池充电用直流电，并实现电学能转为化学能。当市电中断，UPS的能量由电池组供电，将释放储存在电池组的能量。在UPS处于正常的工作状态情况时，电池组是使用连续浮充充电的方式进行自身补充电能，整流器和电池处于并联运行的工作状态。整流电路提供改变后的输入信号，同时电池也消耗电流的一部分，这是电池的放电消耗补偿。与此同时，浮充充电这种方式可以进行改善UPS瞬态响应。（4）充电电路
