静态不间断电源UPS的设计

武汉理工大学《电力电力装置及控制》课程设计说明书 静态不间断电源UPS的设计 1 课程设计要求及方案 1.1 课程设计要求 UPS （Uninterruptible Power Supply）是指当交流输入电源（习惯称为市电）发生异常或断电时 还能继续 流输入电源（习惯称为市电）发生异常或断电时，还能继续向负载供电，并能保证供电质量，使负载供电不受影响的装置。 UPS能够克服电网电压存在的各种缺陷，为用户高可靠性和高供电质量的交流电源。UPS产品种类越来越齐全，包括几百VA小型UPS到数兆VA大型UPS；有单相UPS，也有三相UPS。 本次课程设计初始条件： 为了给重要设备提供不间断电源，UPS将市电整流通过逆变器或直接稳压后提供给负载供电，同时向机内蓄电池充电；当市电中断时，UPS立即将电池的电能通过逆变转换向负载供电。单相电源供电。 要求完成的主要任务: 1）. 器件选择及其工作原理。 2）. 控制系统主电路设计。 3）. 功率校正/补偿电路、驱动电路、保护电路辅助电路设计。 4）. 参数设计. 5）. 适用场合/系统举例（概述）。 1.2 课程设计方案 UPS应具备的特性：有不间断的供电能力、可靠性高；输出电压品质好；对电网的影响小 ；智能程度高；体积小、重量轻。 UPS一般分为以下四种类型:后备式 (passive standby)、双变换在线式 (double conversion on line)、在线互动式 (line-interactive)、Delta变换式。 图1.1 在线式UPS系统框图 本次设计采用在线式UPS，其原理框图如图1.1所示。当市电输入正常时，UPS将市电整流通过逆变器或直接稳压后提供给负载供电，此时的UPS是一台交流稳压器，同时向机内蓄电池充电；当市电发生中断时，UPS立即将电池的电能通过逆变转换向负载供电，使负载维持正常工作。 图2.1为不间断电源装置组成框图，它由整流器（或PFC电路）、逆变电路、蓄电池组、交流滤波器、静态开关、旁路电源、备用电网（如油机）、整流器（或PFC电路）触发控制电路、逆变器触发控制电路、静态开关控制电路和辅助电路等组成。其中辅助电路又包括电压、频率、温度等的检测电路，辅助电源，启动和停止电路，显示电路，逆相和缺相检测电路，保护和报警电路等。 图2.1 不间断电源装置组成框图 2 蓄电池组的选择 2.1 蓄电池的种类及其性能指标 蓄电池的基本功能:UPS的蓄电池必须具有在短时间内输出大电流的特性，供电时间能维持10分钟左右 供电时间能维持10分钟左右。类型:HS型（经济型），AHH型（适合于低温工作），CS型（适用于长时间放电要求） M型（小型密封式） 于长时间放电要求）；M型（小型密封式）。 蓄电池的基本性能指标： (1) 放电终止电压---示电池不允许再放出电能时的电压，通常为1.75V/单格。 (2) 放电率---表示放电至终止电压的电流大小或时间快慢。可用放电电流或放电时间表示。例：6Ah的蓄电池，以300mA恒流放电，经过20h后达到放电终止电压 则放电率表示为03A放电率或20小时放电率。 (3) 容量---放电电流与放电时间的乘积来表示，单位为安时(A·h)。例：12V/6Ah的20HR型蓄电池，表示蓄电池的标称电压为12V，标称容量为6Ah，既将此蓄电池以20h的放电率进行放电，放到终止电压10 5V时所测得的总安时数。 (4) 放电电流---就是电池的输出电流，它除了用安培来表示外，通常也用电池的容量乘以某个系数来表示。如对于6.5A·h的电池，0.1C的放电电流的实际值为0.1×6.5=0.65A。 (5) 自放电率---电池在不用时其内部放电电流, C/天 图2.1 典型蓄电池充电电路 2.2 UPS蓄电池容量的选择 当确定用户所需的UPS电源的额定输出功率，以及市电中断后所需的电池组的后备供电时间等运行参数后，结合蓄电池生产厂家给出的放电特征曲线，可以确定UPS应该配置的蓄电池标称容量，具体计算如下。 (1) 计算蓄电池的最大放电电流。蓄电池的最大放电电流指当UPS工作在额定输出功率情况下，蓄电池电压下降到临界放电电压时的放电电流，可用下式估算： 式中P为UPS电源的标称输出功率；cosΦ为UPS电源的输出功率因数，一般取为0.8；η为逆变器效率，一般取0.88~0.94； 为蓄电池组的临界放电电压（12V蓄电池的临界放电电压约为10V，2V临界放电电压约为1.67V）。 (2) 根据蓄电池的工作温度和用户确定的蓄电池后备工作时间，查蓄电池的放电特性曲线表，可以得到电池组的放电速率值。 (3) 由放电速率等于放电电流与蓄电池的标称容量的比值，可得蓄电池的标称容量。 3 整流器设计 3.1 整流器在UPS中的作用 整流器是UPS的重要组成部分，它具有两个主要功能：第一，将市电交流电转换为直流电，经滤波后供给逆变器；第二，给蓄电池提供充电电压，可起到充电器的作用。 通常，UPS中的整流器有如下几方面的要求： (1) 整流器的输出电压的大小要能调节，以满足对蓄电池进行浮充电和均衡充电的要求。 (2) 整流器的输出要稳定，一般稳态精度要达到1%。 (3) 具有一定的过载能力。 (4) 整流器的输出电压的纹波要小，一般要求在额定负载时小于额定输出电压的1%。 (5) 具有过载、短路、过热、过电压、欠电压等保护和报警功能。 整流器一般采用可控整流电路，其原因主要是逆变器希望能得到一个电压稳定的电源，同时蓄电池充电电压需要进行调节。在采用可控整流电路的形式方面，通常用三相桥式半控整流电路、三相桥式全控整流电路和带平衡电抗器的12脉波整流电路等。 在小容量UPS中，大都将整流器和充电器分开，因为： (1) 整流器的输出电压一般是不稳定的，然而蓄电池的最高充电电压是已经限定的必须用一个稳压电源作为充电器。 (2) 蓄电池的充电电流不能过大，这就要求充电器具有稳流和限流功能。 然而，大容量UPS中，大都将整流器和充电器合二为一。因为，在大容量UPS中，控制电路成本仅占造价的很小一部分，因此控制电路设计得稍微复杂一些也不会显著增加成本。反之，如果将整流器和充电器分开，电路中所用电力电子器件数量就会增加，成本则会大幅度提高。当然，这种情况下，整流充电器必须采用可控整流的方式，从而使整流充电电路具有稳压功能，并能对蓄电池充电电流进行控制。 本次设计是大容量UPS，所以将整流器和充电器合二为一来设计，整流充电器采用可控整流的方式。 3.2 整流器的主电路设计 整流器件选用晶闸管，整流方式是单相桥式半控整流。主电路如图3.1所示。 图3.1 单相桥式半控整流主电路图 在变压器二次侧并联电容和电阻构成交流侧瞬态过电压保护及滤波，晶闸管并联电阻和电容构成关断缓冲；快速熔断器直接与晶闸管串联，对晶闸管起过流保护作用。 系统采用电流闭环的控制结构，用电流调节器的输出去控制晶闸管的触发电路，电流调节器采用PI调节器，使电流无静差，可获得良好的动态及静态品质。 3.3 整流器的控制电路设计 控制电路主要包括触发器、控制器、电流调节器、检测电路等。下面分析由分立元件组成的电路。 1 触发器 锯齿波的触发电路原理如图3.2所示。输出为双窄脉冲，脉冲宽度在8°左右。本触发电路分成3个基本环节：同步电压形成、移向控制、脉冲形成和输出。 图3.2 触发器原理图 (1) 同步信号与主电路的相位关系 同步是指触发脉冲与主电路电源相序同步，同步变压器PT一次侧和主回路整流变压器接在同一交流电源上，具有相同频率；主回路变压器为Y。／Y连接组，晶闸管 的同步电压为 。 (2) 同步电压形成 如图3.2所示，同步变压器二次侧正弦波电压 经 间接地加在 的基极上，由 、 、 、 及 组成恒流电源电路，利用 充放电时间常数的不一致，恒流源使 两端形成底宽 240°左右的正锯齿波电压。 (3) 移向控制环节 控制信号 经 ，偏移信号 经 ，锯齿波同步信号经 ，3个信号在 基极进行叠加，并对锯齿波同步信号进行垂直控制。改变控制电压 即能改变控制角α的大小，达到触发移相的目的。 (4) 脉冲形成和放大 当 由截止变为导通时，电容 放电产生负脉冲，使 截止，同时 导通并产生触发脉冲经脉冲变压器输出。图中X作为后一个晶闸管的补充触发信号输出，Y为接受前一个晶闸管补充触发信号端，这样每一个触发电路输出均为双窄脉冲。 2 输入器 输入器的作用是给触发器提供输入信号，其原理如图3.3所示。[1]端接电流调节器输出端，[2]端接触发器电路 端，[3]端接过流保护输出端。 图3.3 输入器原理图 、 、 组成上限幅环节， 、 、 组成下限幅环节，以限制 的范围。当 的6脚输出电压增大到某一数值时， 导通，因上限幅环节控制，使[2]端电压限制在某一数值不再升高，上限幅值可由 调节；当 的6脚输出电压减小到某一数值时， 导通，因下限幅环节控制，使[2]端电压限制在某一数值不再减小，下限幅值可由 调节。 、 、 、 组成的射极输出端为输出功率放大电路，为后面4个触发器提供控制信号。 当发生过电流故障时，控制系统会给[3]端输入高电平， 击穿， 变为饱和导通，[2]端则输出0V电压，使α≥90°，避免事故的扩大。 3 电流调节器 电流调节器对其输入信号（给定量和反馈量）进行加法、减法、比例、积分、微分、延时等运算。它由以下几部分组成：运算放大器、二极管限幅电路、互补输出的电流调节器、输入阻抗网络和反馈阻抗网络等。 4 检测电路 电流反馈环节由霍尔元件及运算放大器组成，用以检测可控硅直流侧的电流信号，以获得与电流成正比的直流电压信号和过流信号。 4 逆变器的设计 4.1 逆变器在UPS中的作用 逆变器是UPS的核心部分，负责将整流器输出的直流电压或蓄电池存储的直流电转化为用户所需要的稳频稳压的交流电源。对于大多数UPS来说，逆变器输出电压质量的高低，在很大程度上决定了整个UPS的性能。常规的UPS对逆变器的要求如下： (1) 能输出一个电压稳定的交流电，无论是输入电压出现波动还是负载发生变化，它都要达到一定的电压稳定精度，静态时一般小于±2%。 (2) 能输出频率稳定的交流电，要求该交流电能达到一定的频率稳定精度，静态时一般为±0.5% (3) 输出的电压及其频率，要在一定的范围内可以调节。 一般输出电压可调范围不小于 ±5%，输出频率可调范围不小于±2 。 (4) 具有一定的过载能力，一般能过载125%~150%，当过载150%时要能持续30s，过载125%时要能维持1min或更长时间。 (5) 输出电压的波形含谐波成分应尽量小，一般输出波形的失真率控制在5%以内，这样有利于缩小滤波器的体积。 (6) 具有短路、过载、过热、过电压、欠电压等保护和报警功能。 (7) 启动要平稳，启动电流要小，运行要稳定可靠。 (8) 应具有快速的暂态响应。 4.2 逆变器的主电路设计 逆变器的主电路结构有全桥型、半桥型及推挽型等。小容量后备式方波输出UPS多采用推挽式逆变器结构，中大容量UPS一般采用全桥式逆变器结构，极少数采用半桥式逆变器结构。 UPS逆变器根据其容量和用途的不同，有输入输出隔离型和非隔离型两种结构。对小容量UPS来说，一般输入输出无需电气隔离，可以采用前级DC／DC高频隔离或直接采用高频链逆变器的结构形式来实现。中大容量UPS要求输入输出必须电气隔离，采用高频隔离或高频链的形式不适合于中大容量UPS，基于这些原因，绝大多数中大容量UPS均采用输出接工频变压器来实现系统输入输出的电气隔离。 小容量方波输出UPS因为输出容量小，电压和电流不大，因此开关器件多选用电力MOSFET。而大容量正弦波输出UPS多采用IGBT作为开关器件。 本次设计用IGBT作为开关器件，采用全桥式逆变器结构，采用输出接工频变压器来实现系统输入输出的电气隔离。主电路如图4.1所示。 图4.1 带功率因数校正的全桥逆变器结构图 开关管 、 ，电感 、 以及直流电容 和 构成双Boost功率因数校正PFC环节；开关管 ~ ，电容 和 构成全桥逆变电路； 、 、 构成带电气隔离的低通滤波器。其中PFC环节在电池工作时用作电池升压。 1 市电模式工作原理 晶闸管正半周整流： 和 组成一个升压型APFC电路。IGBT半桥上管 工作，开通时经过通路为电感 储能，关断时经过 、 通路为+BUS充电。 晶闸管负半周整流： 和 组成一个升压型APFC电路。IGBT半桥下管 工作，开通时经过通路为电感 储能，关断时经过 、 通路为—BUS充电。 工作原理为：正半周 、 、 组成升压型功率因数校正电路，检测输入电压电流和+BUS电压反馈来控制的开通关断实现功率因数校正；负半周 、 、 组成升压型功率因数校正电路，检测输入电压电流和—BUS电压反馈来控制的开通关断实现功率因数校正。 从其工作原理可以看出，虽然是双管，但是没半周只有一组开关管工作，因而其导通控制可以和单管一样分析，只是在不同的半周由不同的单管工作。 2 电池模式工作原理 电池模式下的工作情况要复杂一些，可分为4种工作状态： (1) 上下管一起开通，电池电压经 和 为电感储能。 (2) 上管通、下管断，电池电压经 、 、 形成闭合回路，—BUS向电容 充电。 (3) 上管断、下管通，电池电压经 、 、 形成闭合回路，+BUS向电容 充电。 (4) 上下管一起关断，BUS电容为负载放电。 工作原理为：电池模式下通过同步信号使两管一起开通，然后根据+BUS和—BUS反馈信号的不同，决定关断的顺序，以达到调节两个电压平衡的目的。可以看出与市电模式下不同的是，市电情况下， 的占空比决定了+BUS的电压，而在电池模式下则相反，因而在电池模式下的控制也不同，是+BUS的电压反馈用来控制 ，—BUS的电压反馈用来控制 。这样才可以实现控制目的。 4.3 逆变器的控制电路设计 由于逆变器容量不同，结构形式和控制策略必然会有所差异，以下是对几种不同的脉宽调制方法下逆变器的输出特性的比较： 1. 方波逆变型---线路简单，但谐波含量高。 2. 稳压变压器型---采用铁磁谐振电路，线路简单，波形接近正弦波，可靠性较高，价格低，但动态特性差，装置笨重，输出电压不可调。 3. 准方波型（QSW型）---采用两方波逆变桥叠加，线路简单，可靠性高，价格低，但谐波含量高，动态特性差。 4. 阶梯波型（SW型）---采用若干方波叠加而成，滤波后波形好，效率高，但线路复杂，多用于较大功率的UPS中。 5. 脉宽调制型（PWM，逆变器中指SPWM）---用高频方波，利用微机或数控合成，谐波含量低，动态性能好，效率高，可靠性高，但在载波频率低时有音频噪音。 6. 脉宽阶梯混合波型（PWSW）---具有脉宽调制型和阶梯波型的优点，效率更高，动态性能更好，但线路复杂，可靠性稍差。 目前，逆变器广泛采用PWM技术实现对输出电压的控制，本次设计采用一种数模结合的SPWM控制电路，其框图如图4.2所示。它由数字分频电路、三角波形成电路、调节器、标准正弦波形成电路及PWM形成电路等组成。系统的电压调节是为了稳定电压，电流调节是为了限制输出电流。下面对各环节的电路进行设计。 图4.2 SPWM控制电路框图 1 数字分频电路 图4.3是数字分频电路，Y是石英晶体振荡器，它有稳定的振荡频率，频率稳定度可以达到万分之一。该电路选用振荡频率为1.8432MHz的晶振，它和组成频率信号产生电路，得到1.8432MHz频率信号，在经过数字电路CD4017、CD4040处理，输出两路频率信号。CD4017是十进制计数器，第7脚的计数端引至第15脚的复位端可以实现3分频。CD4040是串行二进制计数器，9脚Q1可以得到2分频，2脚的Q6可以得到2的6次方即64分频。1.8432MHz的频率，分频后三角波频率为9.6Hz，标准正弦的扫描频率为102.4kHz。 图4.3 数字分频电路 2 标准正弦波形成电路 标准正弦波的形成是利用数字电路实现的，电路原理如图4.4所示。 正弦扫描频率引入数字电路CD4040，CD4040的输出是一组地址扫描信号，送到EPROM的地址线上，EPROM2732中存放的数据便依次送到D/A转换器DAC0832，DAC0832将这些数据转换成断续的模拟信号，经过一个小电容C1滤波，得到连续模拟信号 ，峰峰值由IO1端引入的给定电压 决定，电路中 来自调节器的输出。经运放LF356处理，可以获得正负对称、幅值为 的标准正弦波SINE。要产生的标准正弦波的频率 =50Hz，那么扫描频率为 = ×N=50×2048Hz=102.4kHz：，和前面分频电路得到的频率一致。 图4.4 标准正弦波形成电路 正弦波的频率由稳定度相当高的晶振分频得到，故正弦波的频率稳定度很高；一个周期的正弦波分成2048份计算，故正弦波的波形畸变率很低；正弦波的幅值受控于给定电压。因此，该电路是一个高精度的正弦波发生器。 3 三角波形成电路 分频电路提供了三角波频率信号，即为9.6kHz的脉冲信号；应用隔直、比例和积分电路即可得到幅值适当，正负对称的三角波，其频率为9.6kHz。 4 SPWM形成电路 SPWM形成电路如图4.5(a)所示，正弦信号SINE和三角载波信号TR来自前级电路；TL084是运算放大器，—TR由它接成反相器得到。电路中大量使用了芯片LM311，它是DIP8封装的快速电压比较器，不仅可以作为比较器使用，还可以利用它的特点作脉冲封锁。下面介绍它的应用：8脚、4脚分别接芯片电源的正、负端；2脚、3脚分别是同相、反相输入；1脚是低电平设定，它的电压值决定了LM311输出的低电平值；7脚为输出端，逻辑判断为“高电平”时，集电极开路，因此，7脚必须有上拉电阻同正电源连接，否则，没有高电平输出，图中的 、 、 、 等都是上拉电阻；5、6脚用来调节输入平衡，6脚还可以用作选通，如果LM311的6脚接低电平，其输出恒为高电平，这个特点往往用来设置脉冲封锁。 图4.5 SPWM波形成电路及其波形 该系统设置PWM信号低电平有效，即PWM信号为低电平时，驱动电路产生驱动脉冲，IGBT导通。LOCK为保护电路输出的脉冲封锁信号；在电路出现故障时，LOCK的低电平送到后级各个LM311的6脚，使所有PWM为高电平，封锁驱动脉冲。 图4.5(a)中 ~ 、 ~ 和 还组成了死区形成电路，参数大小决定死区时间，可以调节死区大小；IGBT的开关时间为2μs左右，死区时间设为4μs。 根据图4.5(a)中各个比较器的输入信号和比较器性能，结合图4.5(b)，不难得出图4.5(c)所示的单极倍频电压波形，利用两个相反的三角载波于一个正线调制波比较，同样实现了单极倍频的SPWM调制。 5 逆变、市电切换电路的设计 转换电路是保证UPS供电不间断的关键部分，同时起到保护UPS和负载的作用。当UPS输出过载时，为了保护逆变器，转换电路将电源输出有逆变器切换到市电；当时点故障时为了保证负载供电的连续运行，转换电路有可以将电源输出由市电切换到逆变器上。 转换开关的功能是实现市电供电与逆变器供电之间以及市电整流供电和蓄电池供电之间的转换。UPS中目前常用的开关有3种：机械继电器、静态开关以及混合式开关。3种开关如图5.1所示。 图5.1 UPS中常用的转换开关 图5.2 具有互锁特性的静态开关UPS切换 本次设计采用静态开关。要想真正达到负载供电的不间断，同时避免两路电源同时向负载供电引起环流，则两路供电通道都必须选用静态开关作为切换元件，如图5.2所示，静态开关由两个反向并联的快速晶闸管构成。但是其中还有一个问题，就是晶闸管一旦导通，即使将加在它的门极上的触发脉冲去掉，晶闸管任然保持导通，唯一确保晶闸管静态开关管被关断的条件是将流过它的电流降到它的维持电流以下。因此，UPS在执行市电交流旁路供电与逆变器供电切换操作时，其控制逻辑如下：首先发出控制命令去立即封锁原来处于导通状态的静态开关中的晶闸管的门极触发脉冲。同时，随时检测流过该晶闸管的电流。当控制电路发现改晶闸管电流过零时，立即向原来处于关断状态的晶闸管的门极发送触发脉冲，从而实现在两个静态开关之间的换流切换操作。 6 滤波电路设计 UPS的滤波电路包括交流输入滤波、直流电压滤波以及交流输出滤波3大类。滤波电路的设计主要考虑差模滤波和共模滤波对系统的影响，其功能主要是改善变换器从电网来的供电质量以及对付在供电的电压质量。 输出电压滤波器的功能就是要将开关电路输出的直流电压中的交流分量滤除，只将直流平均值电压输给负载；或者将开关电路输出的交流电压中的谐波电压滤除，只将正弦基波电压输出给负载。输入滤波器的功能就是要抑制电力电子变换器件电路电源输入电流中的谐波电流，改善供电电源的供电特性。 UPS中的直流滤波器和交流滤波器设计如下图所示。 图6.1 直流滤波器 图6.2 交流滤波器 7 旁路控制电源和系统辅助电源 旁路控制电源在UPS中是不可缺少的组成部分，主要给静态开关供电，以完成市电和逆变供电的切换。如果缺少它，不间断装置就会变得不完善。一般都取市电为旁路控制电源，其系统组成比较简单，通常由隔离变压器降压、不控整流器、滤波器、稳压控制器等部分组成。旁路电源通常作为备用电源，与系统辅助电源并联运行。 UPS中需要一组低压直流电源，如±12V、±20V、±5V等，给信号检测单元、显示和通信环节、开关器件的驱动、保护电路以及控制系统电路供电。通常，UPS系统中采用单端反激开关电源的DC/DC变换器做辅助电源。辅助电源作为整个UPS的控制系统的供电电源，在很大程度上决定了整个系统运行的可靠性。 图7.1 单端反激开关电源 参考文献 [1] 杨荫福，段善旭，朝泽云.电力电子装置及系统.北京：清华大学出版社，2006 [2] 张乃国.UPS系统应用手册.北京：电子工业出版社，2003 [3] 张立.现代电力电子技术.北京：科学出版社，1995 [4] 王兆安，张明勋.电力电子设备设计和应用手册.北京：机械工业出版社，2002 [5] 王其英，何春华.UPS 不间断电源剖析与应用.北京：科学出版社，1996 PAGE 20 _1371542683.unknown _1371543607.unknown _1371547306.unknown _1371554718.unknown _1371554890.unknown _1371580990.unknown _1371585107.unknown _1371585138.unknown _1371585863.unknown _1371585877.unknown _1371585912.unknown _1371585812.unknown _1371585122.unknown _1371585090.unknown _1371580525.unknown _1371580672.unknown _1371580863.unknown _1371580557.unknown _1371563225.unknown _1371580425.unknown _1371563122.unknown _1371554756.unknown _1371554867.unknown _1371554879.unknown _1371554775.unknown _1371554664.unknown _1371554700.unknown _1371554636.unknown _1371554518.unknown _1371554538.unknown _1371549125.unknown _1371547313.unknown _1371544016.unknown _1371547118.unknown _1371547248.unknown _1371547262.unknown _1371547235.unknown _1371547097.unknown _1371547085.unknown _1371543622.unknown _1371542745.unknown _1371543565.unknown _1371543582.unknown _1371542767.unknown _1371542714.unknown _1371542735.unknown _1371542696.unknown _1371542215.unknown _1371542289.unknown _1371542411.unknown _1371542616.unknown _1371542362.unknown _1371542239.unknown _1371542261.unknown _1371541945.unknown _1371542075.unknown _1371542177.unknown _1371542006.unknown _1371542051.unknown _1371499433.unknown _1371541764.unknown _1371498697.unknown