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1、电力电子装置及系统课程论文UPS电源设计 专业：电气工程及其自动化 姓名： 学号： 031040522 指导老师： 日期：2013年11月3日目录第1章 前 言31.1 UPS介绍41.1.1 UPS发展过程41.2 国内外研究状况61.2.1 UPS研究的目的61.2.2 UPS研究意义771.3 UPS系统技术指标81.3.1 输入指标81.3.2 输出指标81.3.3 电池指标81.3.4 其他指标91.3.5 系统特点9第2章 系统背景知识及理论基础102.1 电网中断及不稳定情况10112.1.2 电网谐波危害112.1.3 电力系统在低频率运行132.2 UPS系统功能概述132.
2、3 系统工作原理142.3.1 蓄电池技术142.3.2 不间断供电原理152.4 逆变器原理162.4.1、逆变电路主要性能参数162.4.2 三相桥式逆变电路及其控制方式182.5 PWM型三相桥式逆变电路192.6 主要器件介绍202.6.1 晶闸管SCR20202.6.3 绝缘栅晶体管IGBT20212.6.5 变压器212.6.6 压敏电阻222.7 各功能模块电路介绍222.7.1 整流电路222.7.2 其余电路23第3章 系统硬件设计253.1 系统总体框图253.2 逆变电路结构253.3 PWM脉宽调制253.4 驱动电路273.5 过流保护28第4章 系统仿真294.1
3、系统仿真29参考文献34摘 要随着计算机技术、网络技术、通信技术的发展，国民经济、国防军工、政府部门的各个领域要保障计算机信息网络系统的安全、可靠运行，就离不开UPS不间断电源，这已成为信息业界乃至各行各业的共识。 根据UPS不间断供电的原理，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主电源装置由整流/充电器、逆变器、静态旁路、维修旁路等部分组成。整流/充电器(包括蓄电池)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；静态旁路为UPS在整流/充电器或者逆变器故障情况下提供旁路工作电源，逆变器供电和静态旁路供
4、电之间可实现不间断供电切换；维修旁路为UPS定期检修或故障维修时提供旁路电源。 UPS主要分为，UPS运行方式部分，开关电源部分和电压逆变部分，且每一部分都有其典型的控制芯片组成。论文中的UPS电路简单的体现了UPS电源的基本功能，实现DC-AC的逆变过程，最终实现频率50HZ的220V交流电压输出。关键字：UPS电源，断电续用，电力电子，智能网络化，在线式第1章 前 言随着计算机技术、网络技术、通信技术的发展，国民经济、国防军工、政府部门的各个领域要保障计算机信息网络系统的安全、可靠运行，就离不开UPS不间断电源，这已成为信息业界乃至各行各业的共识。1.1 UPS介绍UPS不间断电源为在线式
5、UPS电源，这种方式的不间断电源在UPS电源当中性能是比较完美的一种。它可以很好的解决市电的浪涌持续的高压或低压断电等问题。而在市电故障的时候则有蓄电池给电源逆变部分供电，从而保证UPS的不间断供电。UPS作为保护性的电源设备，它的性能参数具有重要意义。市电电压输入范围宽，则表明对市电的利用能力强（减少电池放电）。输出电压、频率范围小，则表明对市电调整能力强，输出稳定。波形畸变率用以衡量输出电压波形的稳定性而电压稳定度则说明当UPS突然由零负载加到满负载时，输出电压的稳定性。智能型UPS是当今UPS的一大发展趋势，随着UPS在网络系统上应用，网络管理者强调整个网络系统为保护对象，希望整个网络系
6、统在供电统出现故障时，仍然可以继续工作而不中断。因此UPS内部配置微处理器使之智能化是UPS的新趋势，UPS内部硬件与软件的结合，大幅度提高了UPS的功能，可以监控UPS的运行工作状态，还可以通过软件对电池进行检测、自动放电充电，以及遥控开关机等。网络管理者就可以根据信息资料分析供电质量，依据实际情况采取相应的措施。当UPS检测出供电电网中断时，UPS自动切换到电池供电，在电池供电能力不足时立即通知服务器做关机的准备工作并在电池耗尽前自行关机。1.1.1 UPS发展过程最初的UPS是本世纪六十年代初由旋转电动机供应能量的动态UPS，即不间断是靠动能维持,使用动能转换为电能实现电能持续供应的。这
7、种早期UPS的输出稳定是靠惯性飞轮对短时间电压突变和干扰无反应；不间断性是靠断电后飞轮的惯性延长供电时间。当然这种UPS的后备时间是很短的(一般不超过5秒)，于是人们开始使用备用蓄电池组，这是早期UPS的典型结构(如图所示)。这样的UPS虽然可以靠增大蓄电池容量来延长后备时间，但转换效率低，于是出现了内燃式UPS系统，这种UPS靠内燃机提供断电后的能量。动态UPS设备庞大笨重、操作不够灵活、而且效率低、噪声大。图1-1 UPS内部结构随着电力电子学的发展，为实现大功率的电能转换，于是出现了静态UPS，它的主电路和控制电路均采用半导体器件，它也是目前绝大多数概念中的UPS，其典型框图如图所示。其
8、基本原理是：市电输入经整流器将交流电变成直流电，一方面给蓄电池组充电，另一方面为逆变器提供能量，再将直流电变成交流电经转换开关送到负载；当逆变器发生故障时，另一路备用电源(旁路电源)经过转换开关实现向负载供电。图1-2 UPS工作流程静态UPS的工作方式有在线式和后备式，两者主体结构大体相同，只是后者在市电正常时工作在旁路(Bypass)，而前者只有当逆变器故障或过载时才由旁路电源供电。一般来说，从性能上讲，在线式优于后备式;从容量上讲，后备式一般不大于3KVA，而在线式不受此限制，目前单机容量可以做到600KVA以上。UPS的装机容量正不断扩大，并联成为扩大容量或者冗余系统的必然方法。比如M
9、.G, EXIDE等公司的UPS机内信号用微机处理、通讯采用普通信号，而SIEL公司采用光纤通讯，从而实现多台UPS的同相同幅、均负载的功能。由于单相进单相出给市电配电带来极大困难，于是出现了三相入单相出(3/1)的UPS，其最大容量可达60KVA以上，这种单相输出的UPS在切换到旁路时、满负载情况下市电对应的一相将严重超载，因此厂家推出了三相入三相出的UPS产品，而且有三相负载100%不平衡产品。为改善后备式UPS的供电质量，人们研制了净化UPS，即将净化电源加在旁路电源上。 近期又出现了不间断蓄电池系统UBS，见图所示。它结合了动态UPS和静态UPS的优点，只是噪声稍大，主要应用于特殊场合
10、，如野外、地下室等环境恶劣的场所。图1-3 UPS普通应用1.2 国内外研究状况1.2.1 UPS研究的目的早期的UPS产品因电子技术及相关技术水平、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，受其所限，发展速度不快。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。这是因为在微型计算机特别是企、事业单位的计算机网络运行期间供电的中断，将会导致随机存储器中数据的丢失和程序的破坏，有时甚至会使磁盘盘面及磁头遭到损坏，造成难以弥补的损失。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
11、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，无不用到UPS，从此UPS不再只是工业，计算机业的宠儿，而真正被社会，被各行各业所接受，所容纳。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
12、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、场效应MOSFET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。1.2.2 UPS研究意义随着UPS在计算机网络中的应用不
13、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。因此监控软件是UPS智能化的关键部分。目前UPS各大厂家都将UPS的监控软件作为产品竞争力的一个重要筹码。
14、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。UPS的发展，并由此推动与之相关技术的发展，这也是我选择本设计题目的初衷。目前我国所用的UPS大多是国外的产品，进口产品品种齐全，功能完善，但是用户在使用和维修等方面有许多不便，而且价格昂贵。最近几年，虽然国内UPS生产厂家不但增多，但是由于技术水平的限制，产品还是以传统模拟式为主，所以期待着高性能的国产UPS电源的出现虽然目前UPS技术已经比较成熟，带负载的能力大多还是可以满足要求的
15、，但是，对于整个逆变器来讲，其采用不同的电路拓扑结构的逆变器使得UPS的整机性能和稳定性也不尽相同，因此本文研究的UPS系统本着让UPS系统带负载能力更强，当负载突然变化命令UPS的工作更加稳定，同时保证UPS整机适合其发展趋势为原则进行展开的。 1.2.3国内外供电电网现状表1-1 国内外供电情况对比配电网运行、管理国内现状国际先进水平供电可靠率（PS-1）用户平均年停电时间99.897%(1999年)，电力部要求99.96%东京20min,法国94min,美国58min,荷兰10min,香港、新加波20min配电线路架空线为主，少量电缆（北京、上海、广州稍多）存在大量低压配电线路城市主要用电缆，低压线路短，或局部在建筑内网络结构简单辐射式，少数双回线，缺少规划主干线，自动化环网结构（N-1），网络式结构（N-2）配电设备少油，真空，少量SF6定期维护、检测完成“无油化”改
