ups不间断电源毕业设计毕业设计

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1、摘 要 随着计算机技术、网络技术、通信技术的开展，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平安、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，本文以提高UPS的可靠性为根本点，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、维修旁路等局部组成。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电之

2、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。 基于电源技术的高频化、模块化、数字化、绿色化的开展方向，本文 结合现代电力电子技术以及信息处理技术的最新开展，利用微机作为控制 核心，研究和开发大功率(10kVA以上)在线式智能UPS不间断电源。 关键词： 不间断电源 微机控制 电力电子技术 智能化 I *毕业设计论文说明书 ABSTRACT With the development of the computer technology, the network technology, communication technology, in all the fie

3、lds of the national economy, national defense and war industry, government ministries, they must depend on UPS (Uninterruptible Power System) By the principle of UPS, this paper considers the design scheme from its structure and format for increasing its reliability. The main power device is made up

4、 of rectifier, charger, inverter, static bypass, maintenance bypass. Rectifier and charger (including storage battery) offer the energy input of UPS when it is online. Inverter offers the CVCF (Constant Voltage and Constant Frequency) AC output when UPS is online. Static bypass offers online bypass

5、power supply when rectifier, charger, or inverter results in faults, and the switching between inverter and static bypass is not interruptible. Maintenance bypass offers bypass power supply when UPS needs repairing or Maintaining. Based on the development trend of higher frequency, modularization, d

6、igitalization, and greenness for power technology, this paper is relevant to the recent development of modem power electronics technology and information processing technology, and has studied the above middle capacity (Above 10KVA) online intelligent UPS, using microprocessor as core control. Keywo

7、rds: UPS Control by microprocessor Power Electronics Technology Intelligent II *毕业设计论文说明书 目 录第一章 概述1 1.1 UPS的开展1 1.1.1 UPS的开展历程 1 1.1.2 UPS的开展前景 3 1.2 本课题研究的目的和意义 4 1.3 本课题的任务和要求 5 1.3.1 本课题的任务5 1.3.2 本课题的要求5 第二章 系统整体设计方案7 2.1 UPS电源不间断供电的原理7 2.1.1 负载间断供电的原因72.1.2 不间断供电的原理7 2.2 系统整体设计原理框图 9 2.3 整流/充电

8、器设计方案9 2.4 逆变器设计方案10 2.5 旁路电源设计方案11 第三章 整流/充电器的设计12 3.1 整流/充电器主回路设计 12 3.1.1 整流变压器的设计 13 3.1.2 直流滤波电抗器和滤波电解电容的设计 14 3.1.3 主回路电路 15 3.2 整流/充电器控制设计 16 3.2.1 微处理器与16位单片机 16 3.2.2 整流/充电器的微机控制系统18 3.2.3 整流/充电器的控制软件设计23 第四章 逆变器的设计 24 4.1 PWM逆变器的原理24 I *毕业设计论文说明书 4.1.1 逆变电路及其控制方式24 4.1.2 PWM逆变器的根本原理及PWM波的生

9、成方法 26 4.2 UPS逆变器主回路设计29 4.2.1 PWM型三相桥式IGBT逆变电路 29 4.2.2 逆变器输出变压器和静态开关33 4.2.3 逆变器主回路电路33 4.3 UPS逆变器控制电路设计34 4.4 UPS逆变器控制软件设计37 第五章 UPS旁路电源设计 44 5.1 静态旁路的根本原理 44 5.2 切换与控制技术 44 5.3 UPS静态旁路主电路46 5.4 维修旁路 47 第六章 UPS系统抗干扰设计 48 6.1 干扰源 48 6.2 干扰对UPS电源的影响48 6.3 EMC与抗干扰设计49 6.3.1 EMC简介 49 6.3.2 抗干扰的方法50 6

10、.3.3 UPS电源抗干扰措施 50 结论53 致谢55 参考文献 56 附：大功率UPS供电系统原理框图及各局部设计方案图 II *毕业设计论文说明书 第一章 概 述 自从电子设备特别是计算机问世以来，电源问题一直是人们十分关心 的问题。对于一些特殊位置的重要设备，人们不但关心其供电电源本身的 性能指标，更注重供电电源的质量，即供电的稳定性和不间断性。因为这 些设备的电源一旦出现不稳定或者消失，就将造成非常大的损失，甚至无 可挽回的损失。所幸的是不间断电源UPS(Uninterruptible Power System) 的出现，为解决这个问题提供了广阔的前景。 1.1 UPS的开展 1.1

11、.1 UPS的开展历程 最初的UPS是本世纪六十年代初由旋转电动机供给能量的动态UPS，即 不间断是靠动能维持。这种早期UPS的输出稳定是靠惯性飞轮对短时间电 压突变和干扰无反响；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，框图如图1-1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。 随着电力电子学(功率电子学)的开展，为实现大功率的

12、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1-2所示。其根本原理是：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。 旁路电源 市整流器 转换负电 蓄电池 组 逆变器 开 关 载 图1-2 静态UPS典型框图 静态UPS的工作方式有在线式和后备式(Online and Offline)，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

13、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;沉着量上讲，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，比方M.G, EXIDE, SOCOMEC 等公司。 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。比方M.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OSC系统)，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

14、、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，如IPM, SOCOMEC, BORRI, MEISSNER, SAVIN,VICTRON等公司的UPS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，如国产宝合UPS产品。 结合后备式UPS效率高和在线式UPS供电质量高的优点，人们提出了三 端口UPS。它使得离线式和在线式有机结合在一起，产品如APC、BEST、 2 *毕业设计论文说明书 DELTEC、休康等。 近期又出现了不间断蓄电池系统UBS(Uninterrupted Batte

15、ry System)，见图1-3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，如野外、地下室等环境恶劣的场所。 柴油发电 机 蓄电池 图1-3 UPS典型框图 UPS OUT 1.1.2 UPS的开展前景 从以上UPS的开展历程可看出，UPS从当初单一的动态存储式到今天多 类型多品种动态、静态、动静结合、在线式、后备式(离线式)、后备在线 交叉式等。随之，UPS的应用领域也从当初单一的计算机用户开展到今天 计算机系统、网络系统在内的能源(如电力)、医药、农林、交通、天文、 地理、通讯系统(如网络通讯)等领域；后备时间从当初的几秒钟到今天的 几小时、几十小时甚至

16、更常的时间；特别是从技术内含意义上讲，从当初 单一的机械式到今天包罗了当代全部的电子技术:从微电子学到功率电子 学，从线性电路到数字电路，从计算机硬件到软件，从电信号通讯到光纤 通讯以及机电一体化技术。 随着微电子技术和电力电子技术的不断开展，电源技术的高频化、模 块化、数字化、绿色化成为开展趋势，UPS不间断电源也不例外。电力电子功率器件的高频化和模块化使得UPS电源产品的体积和重量 大大减小，而可靠性和效率得以提高，可带来显著节能、降耗的可观经济 效益。 微处理器软硬件的引入，可以实现对UPS的智能化管理，进行远程维 护和远程诊断。从而为UPS电源产品的数字化、智能化提供了坚实的根底。 随

17、着人们对环境保护意识的加强，电源系统的绿色化概念被提出。所 谓电源绿色化首先是显著节能，因为节电可以减少发电对环境的污染；其次是电源不能(或少)对电网产生污染。事实上许多功率电子节能设备往往 是电网的污染源：向电网注入严重的谐波电流，使得总的功率因素下降， 使电网电压产生毛刺尖峰甚至畸变。20世纪末各种有源滤波器和有源补偿 器的方案诞生，有了功率因数校正PFCPower Factor Corrector)方法， 为21世纪UPS电源产品的绿色化奠定了根底。 *毕业设计论文说明书 由此可看出，UPS已当之无魄成为当代高科技成员，而且正随着电力 子技术、计算机技术、网络技术等相关技术的开展而不断开

18、展。 1.2 本课题研究的目的和意义 早期的UPS产品因电子技术及相关技术、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。但是，随着微型计算机应用的日益普及和信息处理 技术的不断开展，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 存储器中数据的丧失和程序的破坏，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，随着国民经济的开展，生产力水平 的提高各行各业的许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

19、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(IT)，无不用到UPS不间断电源。 而且，随着电子技术的开展，特别是计算机技术及计算机网络技术的 开展，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，这也是科学技术开展的必然趋势。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经过近四十年的开展至今，性能指标根本相似，不同点 在于功能上的拓宽、创新及

20、可靠性的上下。PWM(脉宽调制)技术和功率晶 体管及组合管、功率MOS管、IGBT等己被UPS普遍采用，从而降低了UPS的4 *毕业设计论文说明书 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、网络工程的迅猛开展，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。随着UPS在计算机网络中的应用不断开展， UPS不再是单纯供电、仅仅保护效劳器，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

21、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 的新开展，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 种形势要求下开展起来的。 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智能化的关键局部。目前UPS各大厂家都将UPS的监控软件作为产 品竟争力的一个重要筹码。 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

22、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的开展，并由此推动与之相关技术的开展，这也是我选择本课题 的初衷之一。 1.3 本课题的任务和要求 1.3.1 本课题的任务 本课题的任务是研究设计出新一代微机控制的可应用于网络的20KVA 的智能UPS系统。 UPS主电源包括整流/充电器、逆变器、旁路电源(静态旁路电源和维 修旁路电源)三大局部组成。 5 *毕业设计论文说明书 1.3.2 本课题的要求1. UPS输入设计要求: (1)输入电压:380V 10%(三相四线制)，频率50HZ 15%； (2)输入容量

23、能同时满足蓄电池均充和逆变器满载运行要求； (3)功率因0.8. 2. UPS输出设计要求 (1)三相输出电压380V 2%,输出频率50 0.5%，并在一定范围内可调 电压正负5%，频率正负2HZ)； (2)输出功率大于额定功率20KVA； (3)过载能力125%-150%； (4)谐波失真度(一般取-)；双窄脉冲触发是指在触发某一号晶闸管的同时给前一号晶闸管补发一个脉冲，相当于用两个窄脉冲等效替代大于的宽脉19 *毕业设计论文说明书 冲。双窄脉冲触发方式中，在一个周期内对每个晶闸管需要连续触发两次，两次脉冲前沿的间隔，这种触发方式虽然比拟复杂，但它可减少触发电路的输出功率，减小脉冲变压器的

24、铁心体积。宽脉冲触发方式中虽然脉 冲次数减少一半，但是为了不让脉冲变压器饱和，其铁心体积必然做得大 些，绕组匝数多些，因而漏感增大，导致脉冲前沿不够陡，增加去磁绕组 可改变这个情况，但又使装置复杂化。因此，在本整流器触发控制设计中， 采用了双窄脉冲强触发方式。脉冲来自单片机8OC196的高速输出口 (通过编程产生六路触发脉冲波)。 80C196单片机的高速输出口HSO为晶闸管触发脉冲的产生提供了极大 的方便。HSO应用于按程序设定的时间去触发某一事件，要求CPU的开销极 少，因此速度块。 利用HSO可产生宽度和周期符合晶闸管触发要求的脉冲。方法即是通过设定的正跳和负跳时间。利用80C196单片

25、机的产生六路晶闸管触发脉冲的原理就是按照整流电路中晶闸管触发导通的规律，在一周 期内编程产生六路具有一定宽度和周期的双脉冲，再经功率放大电路、隔 离电路以及脉冲变压器得到符合晶闸管触发要求的触发脉冲。 晶闸管触发脉冲必须是具有一定宽度、幅值和陡沿的脉冲信号。一般 来说，触发脉冲宽度为400uS，幅值10V左右，而且前沿要陡峭。晶闸管触 发电流一般为mA级，而单片机输出口驱动电流只有几百uA，因此必须进行 功率放大，本设计中采用驱动能力较强的MC1413芯片。经驱动后的驱动电 流可达几百mA。 采用光电隔离是防止单片机弱电工作电路不受主回路强电电路的干 扰。采用脉冲变压器是基于匹配晶闸管门极触发

26、电压的考虑。脉冲输出电 路如图3-6所示。 本节一开始，在控制电路要求中就提出晶闸管的触发脉冲必须与主回 路电路相同步，因此要设计同步电路以保证触发脉冲与主回路的同步。 、 同步电路取自主回路三相输入的A相，它经滤波、比拟产生同步脉冲 信号，见图3-7所示。20 *毕业设计论文说明书 图 3-6 脉冲输出电路 图 3-7 同步电路 4.测量与信号采集电路设计 信号采集与测量包括开关量和模拟量的采集和测量。 信号采集是针对80C196 单片机而言的，为实现测量结果的显示及保 护等功能，必须有采集计算电路。利用80C196单片机的8路10位A/D 模/ 数转换器以及CPU的计算处理功能，可方便地处

27、理测量结果和保护整定。 但是，进入单片机的信号必须是经过调理的信号，它要求符合以下条件： (1)信号必须是非负的，而且幅值不能超过5V； (2)进入单片机输入口的信号是电压信号； (3)输入信号不能干扰单片机的正常工作。 因此，进入单片机的信号必须经过适当的处理。 对于电信号有电压和电流信号，在进入单片机之前电流信号要转换为 电压信号，利用电阻即可实现；对于高压、交变信号要转换成低压非负信 号才能进入单片机。 模拟电压信号有交流电压信号和直流电压信号，对应单片机的采集方 21 *毕业设计论文说明书 法有交流采集和直流采集。不管哪种采集方法，进入单片机的信号都必须 符合上面提出的三个要求。 因此

28、，对于交流信号，还要考虑将交变的信号转换为非负信号的问题。 在本整流/充电器的设计中，采用直流采样。交流输入电压的过、欠 压保护均通过整流后的整流输出值进行整定保护。因此本设计中模拟采集 量包括整流输出电压和电流。它们是通过霍尔电压、电流传感器传送来的， 它们有降压、隔离的功能。从传感器传送来的信号因含有谐波等干扰信号， 不能直接进入单片机，须经过滤波、缓冲等环节。滤波采用R、 C滤波， 缓冲采用电压跟随器，如图3-8所示。 图 3-8 直流采样电路 5.信号输出电路设计 信号输出包括状态信号输出如开关量的输出、指示灯的状态。 开关量输出有保护继电器、光字牌、调压开关等。与开关量的输入类 似，

29、开关量的输出要有光电隔离、驱动等环节。开关量输出的典型电路见 图3-9。 图3-9 开关量输出电路 指示灯是利用发光二极管的点亮与熄灭两种二选状态来指示装置各 局部的工作正常与否，如Vcc、Vp、交流或直流输入电源的有无。 22 *毕业设计论文说明书 装置的过、欠压保护、过流保护、同步保护是通过指示灯和继电器同 时进行的，一方面指示故障类型，另一方面保护继电器动作，保护装置。 6.工作电源设计 装置的工作电源对整个装置工作的重要性是不言而喻的，因为一旦工 作电源出现故障，整个装置就陷入瘫痪状态，正常工作就无从谈起。因此 工作电源必须可靠、精确。 本整流/充电器的工作电源设计采用以小型开关电源模块为中心的设 计方案。此小型开关电源模块可输出+5V(Vss), +15V、-15V、 +24V(GND) 等几种装置必须的工作电压。它的输入为交流220V或直流220V。基于整个 装置控制电路工作功率的考虑，此开关电源模块输出电流为、等几种。 对于放大器的工作电源，TL084