三相10KVA-UPS电源初步设计

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1、第一章 绪 论1.1 电力电子技术概况电力电子技术有广泛的应用，其中UPS是一种含有储能装置，以逆变器为主要组成部分的恒压、恒频的不间断电源。当市电正常时，UPS将市电稳压或稳压、稳频后供负载使用，同时向机内电池 充电；当市电中断时（异常时），UPS立即在4-10ms内或“零”中断时间内将蓄电池的电源通过逆变转换的方式向负载继续供应电力，使负载维持正常的工作，以便保存资料并保护负载的软硬件不受损坏。从原理上来说，UPS是一种集数字和模拟电路,自动控制逆变器与免维护贮能装置于一体的电力电子设备； 从功能上来说，UPS可以在市电出现异常时,有效地净化市电；还可以在市电突然中断时持续一定时间给电脑等

2、设备供电,使你能有充裕的时间应付； 从用途上来说，随着信息化社会的来临，UPS广泛地应用于从信息采集、传送、处理、储存到应用的各个环节，其重要性是随着信息应用重要性的日益提高而增加的。不间断电源 (UPS) 在将关键负载（例如计算机、通信系统、医疗/生命支持系统和工业控制）连接至公共电网方面扮演着重要角色。它们旨在为主要处于任何正常或异常实用电源条件下的负载提供清洁、持续的电源。在各种 UPS 拓扑或配置中，在线 UPS，也称为反向器首选 UPS，可为负载提供最佳的线路调节性能和最强大的保护以防止出现公共电源问题。它可以在多条输入线路条件下提供稳定的正弦输出电压。从公共电力线获得电源后，它将保

3、持正弦输入电流处于高输入功率因素。这些增强的输入/输出特性使在线 UPS 成为许多应用领域中的理想解决方案。但是，由于使用多个电源转换级和相关的模拟控制器，在线 UPS 从传统意义上说已经成为最复杂和最昂贵的系统类型。除模拟控制器之外，在线设计还需要使用低端微控制器以提供与主机计算机的简便连接，以便建立交互式通信并对系统进行适当监控。这些基于多个模拟和数字控制器的设计导致组件集成度降低和系统成本增加。可以用于实现高度集成的高性能微控制器现已推出，但是它们未必能提供经济高效的解决方案。当今的低成本、高性能 DSP 控制器。其中包括：模数转换器 (ADC)、PWM 输出、定时器、保护电路、串行通信

4、和其它功能。这些部件的高 CPU 带宽 和集成电力电子外设使实现在线 UPS 的全面数字控制成为可能。包括作为指令的乘法累加 (MAC)，都是单周期。因此，可以高速执行多种控制算法，从而 使实现所需的高采样速率成为可能，以便获得良好的动态反应。这也 使得能够在单芯片中实现在线 UPS 的多控制环路。从而提高集成度并降低系统成本。数字控制还为每个控制器带来可编程性、抗噪声干扰和避免冗余电压及电流传感器的使用等优点。由于组件变少了，系统将需要更少的工程时间并且可以变得更小巧、更可靠。与传统模拟控制相比，DSP 控制提供了另一个巨大优势 - 软件。额外的 DSP 带宽可用于实施更复杂的算法以及与主机

5、系统和 I/O 器件（例如 LCD 显示屏）进行通信。DSP 可编程性意味着可以使用增强的算法更新系统以提高可靠性。1.2 本次设计的内容本次设计的主要内容是三相10KVA UPS电源，其本原理是当市电正常时，市电经整流器整流为直流给蓄电池充电，可保证蓄电池的电量充足。一旦市电异常乃至停电，即由蓄电池向逆变器供电，蓄电池的直流电经逆变器变换为横品恒压交流电继续向负载供电，因此从负载侧看，供电部受短期市电停电的影响。三相10KVA UPS电源设计包括方案的经济技术论证、整流电路的设计、逆变电路的设计、蓄电池容量的确定及选择、通过计算选择器件的具体型号、驱动电路的选择或设计以及绘制相关电路图。第二

6、章 电路的设计2.1 总体设计方案在正常情况下，即电源由市电提供，市电经过整流器整流为直流，存储到蓄电池中作为备用电源，而后再经逆变器转变成交流电提供给负载。但是由于逆变器容易发生故障，所以在电路旁侧加一旁路电源，以便解决当逆变器发生故障不能将市电输送给负载的难题。系统的方框图如图2.1所示图2.1UPS电源设计方框图各部分电路说明如下：1、整流电路：把交流电能转换为直流电能的电路。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成，2、储能电路：本设计方案要求采用蓄电池储能。功率为10KVA，取UPS电源的功率因数为0.8，蓄电池串联后的电压近似等于整流电路输出电压可知：需要11个12V蓄电池

7、串联组成。所以蓄电池所需伏安数X：X=60.60A 所以延时1小时得用60.60AH的电池，现在需要延时10分钟，则需要10.10AH的电池。 因此所选择的蓄电池满足上述条件即可。3、逆变电路：在驱动信号的控制下，将直流电源转换成频率和电压可以任意调节的交流电源。 主电路的设计1整流电路作品设计的整流电路采用三相桥式全控整流电路，如图2.2所示。这种电路的参数随着负载的变化而变化。对于共阴极组的三个晶闸管，阳极所接交流电压值最高的一个导通。而对于共阳极组的三个晶闸管，则是阴极所接交流电压值最低的一个导通。这样，任何时刻共阳极和共阴极组中各有一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

8、。输出都端部的电容起到了滤波作用。图2.2 三相桥式全控整流电路晶闸管参数：保证电流连续的最小电感：L=0.693（mH） （2-1）晶闸管的电流有效值： （2-2）晶闸管通态平均电流： （2-3）晶闸管的电流值： （2-4）变压器参数：变压器二次侧电流： （2-5）变压器原边电流： （2-6）根据逆变电路可求出整流电路的输出电压和输出电流，输出电压=126.67V, 输出电流=3.91A 根据三相桥式求法可以求得晶闸管通态平均电流： 晶闸管的电流有效值： 晶闸管的额定电流：I=*(1.52)=（2.162.88）A晶闸管的额定电压：U=(23)=(620.55930.83)V变压器二次侧电流

9、：变压器二次侧电压：变压器变比为：=1.28额定功率：P=*=296.40*2.61=773.60W变压器原边电流：保证电流连续的最小电感：L=0.693（mH）=0.693*85.58mH这样既可确定各器件的选择。整流电路中，主要应用的是晶闸管进行的整流，而晶闸管和二极管的最大不同之处是晶闸管工作需要一些附加条件当晶闸管承受反向电压时，无论门集是否有触发电流，晶闸管都不导通。当晶闸管承受正向电压时，仅在门集有触发电流的情况下晶闸管才能导通。晶闸管一旦导通，门集便失去控制作用，无论门集触发电流是否还纯在，晶闸管都保持导通。若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电

10、流降到接近于零的某一数值以下。综上，我们需要给晶闸管加以触发电路，触发电路电路图如图2.3所示图 2.3 触发电路2逆变电路对于三相输出的逆变器，三相负载的平衡是一个必须考虑的重要问题，目前性能较好的大中型UPS都要求具备三相100%不平衡的功能。为了适应三相负载不平衡的需要，三相逆变器采用三个单项桥分别变换，然后再把输出按120的相位差组合起来的方式，如图所示。每相各有一个单项桥是逆变器，每个单项桥式逆变器需用四个开关管。因此总共需要12个开关器件，节后复杂。带来的好处是：三个单项逆 变器工作独立，其输出互不影响，实际上三个单相逆变器并联，只是相位不同。这样可以允许三相负载100%不平衡，三

11、相严重不平衡也不会对任一逆变器输入产生影响。图2.4逆变电路图2.4中各相逆变器结构相同，为全桥逆变电路。采用高频SPWM技术，功率开关管选用IGBT，开关频率为30Hz。通过正弦波 控制信号与三角波比较的方法，得到基波为50Hz的SPWM波，再经滤波器滤除高频，可输出低失真的50Hz正弦波。整流晶闸管的选取：晶闸管的电压额定值： （2-7）其中为电压波形系数，为安全系数晶闸管的电流额定值： （2-8）开关器件的选择:电压额定值： （2-9）电流额定值: （2-10）设计要求UPS电源的功率S=10KVA，功率因数为0.8， 输出交流电压Uo=380V 。则可以计算出 Io=11.75A根据晶

12、闸管的电压额定公式可求出，晶闸管的额定电压值，并确定晶闸管的选取 根据晶闸管的电流额定公式可求出，晶闸管的额定电流值，并确定晶闸管的选取 根据所求参数确定相应器件的选取3整体电路市电经过三相桥式全控整流电路进行整流，将交流电转换成直流电，给蓄电池充电，同时经过逆变器将直流转换回交流给负载供电，此时负载得到的交流电压比市电电压质量高，即使市电发生质量问题，也能获得正常的恒压恒频的正弦波交流输出，并且具有稳压稳频的功能，因此也称为稳压稳频电源。同时，如果主回路发生故障，有旁路电源做为备用，这样，便提高了供电的可靠性。整体设计电路图如图2.5所示。图2.5 整体设计电路图 保护电路的设计有些用户会认

13、为，UPS的负载能力越大，对负载的保护效果会越好，于是在购买时选用了高价格高负载能力的产品。而用户在实际应用时的负载只是UPS额定的30%甚至更少，其实这样亦会影响到UPS的使用寿命，毕竟其所带的电池组很多时候都不能完全正常地进行工作。当然也不是说100%的额定负载是最好的，如果这样，UPS出现任何小问题都会造成很大的损坏，实际操作表明选择50%80%的负载为最佳。1：过电压保护晶闸管的过电压能力较差，当它承受超过反向击穿电压时，会被反向击穿而损坏。如果正向电压超过管子的正向转折电压，会造成晶闸管硬开通，不仅使电路工作失常，且多次硬开关也会损坏管子。因此必须抑制晶闸管可能出现的过电压，常采用简

14、单有效的过电压保护措施。对于晶闸管的过电压保护可参考主电路的过电压保护，我们使用阻容保护，电路图如图2.6图 2.6过电压保护电路.晶闸管阻容吸收元件参数可按表表2.1所提供的经验数据选取，电容耐压一般闸管额定电压1.11.5倍。表2.1过电压保护电路原件选择参数晶闸管额定电流IT(AV)/A1000 500 200 100 50 20 10电容C/UF 2 1 0.5 0.25 0.2 0.15 0.1电阻R/欧姆2510204080100所以选用电容为0.1F，电阻为100欧姆。2：晶闸管的过电流保护常见的过电流保护有：快速熔断器保护，过电流继电器保护，直流快速开关过电流保护。 快速熔断器

15、保护是最有效的保护措施；过电流继电器保护中过电流继电器开关时间长（只有在短路电流不大时才有用；直流快速开关过电流保护功能很好，但造价高，体积大，不宜采用。因此，过电流保护选用快速熔断器如图2.7。图 2.7过电流保护电路对于晶闸管的过电流保护，快速熔断器的熔体采用一定的银质熔丝，周围充英砂填料，构成封闭式熔断器。选择快熔，要考虑一下几点：（1）快熔的额定电压应大于线路正常工作电压；（2）快熔的额定电流应大于或等于内部熔体的额定电流；（3）熔体的额定电流是有效值。对于快速熔断器的选择，要选择晶闸管额定平均电流的1.2-1.5倍。2.3 元器件型号选择经过计算分析和查找有关资料选择如下器件：1蓄电

16、池选择IFR32900e型12V 15AH蓄电池。2整流电路晶闸管选择3CT3型。3整流电感选择80mH的。4整流变压器选择变S11-1000/10型。5逆变电路晶闸管选择3CT20型。6对整流电路过电压保护电路中选电容0.1F，电阻为100欧姆。对逆变电路电容选择0.15F，电阻80欧姆。7电流保护电路选择117KSZ型快速熔断器。2.4 系统仿真1：整流部分 采用三相桥式全控整流电路，通过Matlab仿真取以下波形图2.8整流输入三相线电压波形图2.9 a=60度输出电压2.10输出电流图2：逆变部分 本设计选择三相全桥逆变电路，三相逆变器采用三个单项桥分别变换，然后再把输出按120的相位

17、差组合起来的方式。图2.11逆变部分仿真波形第三章 课程设计总结经过数日的研究，我终于完成了我的课程设计。本次课程设计让我体会颇深，知道了理论联系实际的重要性。平日的学习中，我总是马马虎虎，理论上大概过得去就可以，而且做题时只要思路明确即可，不用考虑很多实际问题，但是在实际的问题上，却丝毫马虎不得，万事都得考虑好因因果果，否则一旦配合不好，即达不到预期结果。本次课设题目是10KVA UPS电源初步设计。刚开始，我很困惑，不知从何下手，经过大量资料的翻阅，大概得到了整体电路设计的方案。但是定量的要求却完全达不到，后来经过老师所给材料，找到突破口。经历了一次又一次的失败，我积累了许多宝贵的经验。在

18、经过了数天的努力，终于达到了本次课设题目的要求，完成了本次课程设计。课设的过程是艰辛的，但是收获是巨大的。首先，我们再一次的加深巩固了对已有的知识的理解及认识；其次，我们第一次将课本知识运用到了实际设计，使得所学知识在更深的层次上得到了加深。再次，因为这次课程设计的确在某些方面存有一定难度，这对我们来讲都是一种锻炼，培养了我自学、查阅搜集资料的能力；再有，课程设计过程中，我们曾经面临过失败、品味过茫然，但是最终我们还是坚持下来了，这就是我们意志、耐力和新年上的胜利，在今后的日子里，它必将成为我们的宝贵财富。它是对我们综合性训练，培养我运用课程中所学到的理论与实践紧密结合，独立地解决实际问题。在课程设计的过程中我充分的运用老师讲的课本知识，及去图书馆查阅文献资料，培养了我独立分析和解决实际问题的能力，我进一步熟悉和掌握了常用电子器件的类型和特性，并掌握合理选用的原则。学会电子电路的安装与调试技能，进一步熟悉电子仪器的正确使用方法。参考文献 电力电子技术 王兆安目 录第一章 绪 论11.1 电力电子技术概况11.2 本次设计的内容2第二章 电路的设计22.1 总体设计方案22.1.1 主电路的设计32.2.2 保护电路的设计82.3 元器件型号选择102.4 系统仿真10第三章 课程设计总结13参考文献14