新生儿心肺功能监护仪的设计与新生儿生理参数的确定

在线式三相UPS设计与仿真（可编辑） 在线式三相UPS设计与仿真 本科毕业设计 在线式三相UPS设计与仿真 燕 山 大 学 2012年6月 本科毕业设计 在线式三相UPS设计与仿真 学院系 专 业应用电子技术 学生 姓名 学 号 指导 教师 答辩 日期com 燕山大学毕业设计任务书 学院 系级教学单位 学 号 学生 姓名 专 业 班 级 应电08-2 题 目 题目名称 在线式三相UPS设计与仿真 题目性质 1理工 类 ? 1毕业设计 ? 2论文 题目来源 科研 生产实际 题目 ? 主 要 内 容 5KVA在线式三相UPS系统结构及原理设计主要器件参数设计控制策略研究与设计MATLAB仿真实现 基 本 要 求 查阅相关文献资料调研理解UPS技术要求系统结构及工作原理 功能和技术指标要求三相380V输入和输出220?20V蓄电池储释能控制确保对三相负载的不间断供电注意逆变器直流母线电压的要求 仿真验证所设计的提交详实的仿真波形及相关理论分析结果 参 考 资 料 利用网络等资源自主查阅相关文献资料 周 次 第1, 4周 第5 ,8周 第9,12周 第13,16周 第17,18周 应 完 成 的 内 容 查阅相关文献资料 参考方案的收集与整理 整体方案设计及原理分析 系统参数设计 仿真实现所设计方案 完善设计方案 仿真与分析 论文撰写 答辩 指导教师 职称 教授 2012 年 1月 10 日 系级教学单位审批 年 月 日 摘要 随着现代工业的发展供电网络的负载越来越复杂特别是大型用电的负载对供电质量要求较为严格电网的供电若受到外界因素的干扰会导致电网供电质量发生异常导致接在电网上的设备发生失控丢失数据停机损坏等严重后果直接影响到用户的正常工作造成经济损失或其他严重事故UPS是一种能为负载提供连续电能的供电系统己从最初的提供后备时间的单一功能发展到今天提供后备时间及改善电网质量的双重功能在保护数据改善电网质量防止停电和电网污染对用户造成危害等方而起很重要的作用 本文在分析在线式三相UPS工作原理基础上设计并仿真一种适用于在线式三相UPS的充电和放电电路提高了对负载供电的稳定性采用电流可逆复合斩波电路设计了一个在线式三相UPS系统中蓄电池储能释能控制的双向DCDC变换器针对市电正常和异常的两种状态设计了一种利用蓄电池充放电控制方案解决对负载供电的连续性的要求当市电正常时蓄电池母线吸收能量储能双向DCDCDC变换器工作于Buck电路模式当市电异常时蓄电池向负载释放能量双向 DCDC变流工作于Boost电路模式 本文根据负载供电端电压稳定的要求完成了双向DCDC变换器闭环控制参数 设计MATLAB仿真结果表明本文设计方案实现了蓄电池储能释能控制实现了UPS 系统能量供需的不间断性的要求 关键词 UPS储能双向DCDC变换器蓄电池充放电 Abstract With the development of modern industry power supply network load more and more complex especially large electricity load the power supply quality requirements more stringent If the power supply is power grid of external factors interference can lead to power supply quality anomalies lead to meet in the power grid of the equipment the lost data occur because downtime damage and serious consequences directly affects the normal work of the user economic damage or other serious accidents UPS is a kind of can provide continuous load of electric power power supply systems from the initial offer has a single function reserve time to today provide backup power quality time and improve the double function in the protection of data and improve the quality of power power cuts and power grid to prevent pollution harm party and such as user has a very important role Based on the analysis of the on-line three-phase UPS work based on principle design and simulation applies to the on-line three-phase UPS charging and discharging circuit and improve the load power supply stability The current reversible composite chopped circuit design of a three-phase UPS system of on-line battery energy storagerelease can be control of both DCDC converter When the utility normal storage battery bus bar to absorb energy storage two-way DCDCDC converter working in Buck circuit model When the utility anomalies storage battery to load release energy two-way DCDC converter working in Boost circuit model In this paper according to the requirements of the stable power supply voltage of the load completing the two-way DCDC converter closed-loop control parameters design MATLAB simulation results show that the design scheme realized battery energy storage release can be control realize the UPS system of supply and demand of intermittent not energy requirements Key words UPS Energy storage Bidirectional DCDC converter Battery Charge and discharge 目 录 摘要 II Abstract III 第1章 绪论 II 11 UPS及应用 2 12 UPS技术现状 2 13 UPS发展趋势 4 14本文主要研究内容 5 第2章 系统整体结构方案 7 21 系统整体方案构成 7 22 系统模块结构方案 8 23本章 10 第3章 整流和升压模块设计方案 11 31 整流模块工作原理 12 32 整流模块主要数量关系 13 33 升压模块设计方案 13 34 BOOST电路工作原理 14 35 开环电路参数设计 14 36 闭环电路工作原理和设计 15 37 本章小结 18 第4章 蓄电池充电和放电模块设计方案 69 41 蓄电池充电电路工作原理和设计 20 42 蓄电池放电电路工作原理和设计 22 43 蓄电池闭环控制方案 23 44 本章小结 25 第5章 逆变器和输出滤波器设计方案 26 51 逆变器工作原理 27 52 逆变器控制技术 28 53 输出滤波器的设计 36 54 输出滤波器原理和参数设计 37 55 本章小结 37 结论 38 参考文献 39 致谢 411 附录1 42 开题报告 42 附录2 47 文献综述 47 附录3 53 中期报告 53 附录4 59 外文文献中文翻译 59 附录5 65 外文文献 65 第1章 绪论 11 UPS及应用 近几年境外主要电源供应商逐渐看好中国电力电子电源市场纷纷把重点转向中国内地目前跨国公司在国内电源市场占有主导地位如艾默生 Emerson APC梅兰日兰伊顿爱克赛现在中国本土也已形成一批超亿元的电源企业如中兴通讯厦门科华武汉洲际烟台东方电子信息集团等他们有较强的技术力量和开发能力科技部近期设立2亿元的电力电子项目专项资金国家发改委专门在近期发文启动专项课题用于推进电力电子技术和产业的发展包括应用装置的产业化重点围绕节能交通电力冶金等领域需求支持应用具有自主知识产权芯片和技术的电力电子装置UPS随着现代工业的发展供电网络的负载越来越复杂特别是大型用电负载的启动和停止大型可控电力电子设备的应用以及网络内部噪声会使交流正弦波发生畸变另外自然界的雷电电网的接地不良等因素均影响到电网的供电质量由于以上因素的影响可能会导致接在电网上的计算机设备包括通信医疗等精密的工业仪器设备发生失控丢失数据停机损坏等严重后果直接影响到用户的正常工作造成经济损失或其他严重事故UPS是一种能为负载提供连续电能的供电系统作为计算机的重要外设己从最初的提供后备时间的单一功能发展到今天提供后备时间及改善电网质量的双重功能在保护计算机数据改善电网质量防止停电和电网污染对用户造成危害等方而起很重要的作用[1]如何解决这些市电问题正是UPS Uninterruptible Power System 不间断电源的责任所在以单片机为控制核心的UPS电源可以为各种设备机器提供高质量的电源[2] 电源在几十年的发展中经历了晶闸管功率晶体管IGBT IPM等不同的发展时 期电路结构经历了后备式在线互动式在线式等不同的形态未来UPS技术将进一 步朝着数字化模块化绿色化智能化高频化等几个主要方向发展 UPS概述 UPS是一种能为负载提供连续电能的供电系统作为计算机的重要外设己从最初的提供后备时间的单一功能发展到今天提供后备时间及改著电网质量的双重功能在保护计算机数据改善电网质量防止停电和电网污染对用户造成危害等方面起很重要的作用 UPS分类后备式UPS在线式UPS在线互动式UPSDELTA变换式UPS 12 UPS技术现状 随着电子器件的发展[1]使UPS向小型化高效率高可靠性发展而网络智能化UPS技术和全数字化UPS技术的出现不仅提供完全可靠的网络电源管理也为节能环保提供了一种最佳的解决方案所以UPS电源技术总的发展趋势是逐步向小型网络智能化和全数字方向发展随着科学的进步UPS电源技术在不久的将来会开辟一个更新的领域 高频化虽然传统在线式UPS的技术已经非常成熟[2]由于它本身带有许多无法突破的问题使其发展前途受限高频化概念的引入给UPS的发展带来了许多新的思路和空间随着高频技术和器件的发展3KV及以下的高频在线式UPS的技术和产品已经成熟其功能和可靠性均应高于传统UPS高频化对于减小体积降低成本以及对非线性负载有更好的响应上起着重要的作用 智能化微处理器在UPS上的应用过去只在大中型UPS上采用但近年来已逐渐向小型微型UPS方面发展其带来的结果是UPS的智能化发展包括控制和通信UPS逐渐由计算机来进行管理并且计算机及外设能自主应付一些可能预见到的问题能进行自动管理和调整如自动关闭宿主计算机的操作系统并关闭其电源定时开关UPS本身等并能将有关信息通过网络传递给操作系统或网络管理员便于进行远程管理 网络化把UPS做为网络家庭一个成员的要求越来越迫切因为它是网络能正常运行的基础要求UPS拥有更大的蓄电量可以同时为多台计算机或其它外设服务并能够通过某种机制达成负载之间的动态配置 大容量单机冗余化由于网络对UPS可靠性的要求越来越高而解决可靠性的途径除要求元器件本身高可靠外就是用冗余的方法小容量UPS的单机内冗余已出现而大容量的UPS目前还必须通过并机的方法实现但这样作又使用户投资太大毫无疑问使用Internet技术监控UPS系统将成为未来UPS技术的主流之一 13 UPS主要发展趋势 主要研究成果 对UPS的研究成果主要体现在对技术的研究上其主要体现[3] 1 功率变换技术 UPS一个主要的发展趋势就是小型轻量化这就涉及到主电路结构的简化各种结构更简单性能更优越的电路拓扑的研究是当前一大热点产品的小型轻量化趋势对于UPS来说其开关器件的高频化要求是必然的第一代UPS的功率开关为可控硅第二代为功率晶体管第三代为场控型器件 MOSFET和IGBT 功率晶体管开关速度比可控硅高一个数量级场效应晶体管MOSFET比功率晶体管又高一个数量级而IGBT功率器件电流容量比MOSFET大得多且导通电阻小工作频率比MOSFET低但也可以使功率变换电路的载波频率高达50HZ开关频率的提高可以有效地减小装置的体积和重量并可消除变压器和电感的声音噪声同时改善输出电压的动态响应能力在UPS输入端采用高频整流可以获得较高的功率因数较低的谐波电流使UPS具有较好的输入特性用高频隔离装置可以取掉笨重的工频隔离变压器进一步减小装置的体积和重量 2 数字控制技术 最初的UPS采用模拟控制方法有以下局限性[3]?电路结构复杂元器件多因器件特性差异造成各电源特性有所差别电源一致性不好?一旦控制方法变动必须修改硬件控制板工作量大设计周期长?因为硬件电路的局限性一些先进的控制方法用模拟电路实现很困难或者无法实现 随着数字处理器计算速度的不断提高使得各种先进的控制方法得以实现使UPS的设计具有很大的灵活性设计周期缩短性能大为提高大多数UPS使用数字模拟混合电路或8位微处理器作为控制核心部分公司采用了高档微处理器 16位主机主频160MHz 具有强劲数据及逻辑运算能力的芯片运行相对单一和规模不大的程序极大加快了控制速度使UPS的性能大大提高这些UPS不仅有很强的故障诊断和自我保护能力以及通信能力还具有友好的人机通信界面而且减少了控制电路提高了可靠性 3 UPS的监控及网络管理技术 为了适应计算机网络的发展[3]UPS中已经开始配置RS232接口RS185接口SNMP卡和MODEM成为计算机网络的一部分这可使UPS具有以下优异特性 1 实时监控功能它对UPS电源的各模拟参量 市电的输入电压电流和功率因数电池组的充放电电压充放电电流逆变器的充放电电压电流功率因数及波形失真度逆变器电源和交流旁路电源的相位差和瞬态电压差等运行参数 进行实时高速采样实现数字式监控类似的对UPS中的表示工作状态的开关量主电源与交流旁路电路的输入与否断路器的接通与断开输入保险丝是否完好电池组短路开关及静态开关的接通与断开等 进行实时监控 2 自诊断自保护功能UPS将实时采集来的各项模拟参量和工作状态数据以及系统中的关键硬件设备的数据与正常值进行分 析比较以判断UPS电源是否有故障隐患存在如果有故障根据相应的故障信息级别在控制面板的显示屏上以友好的图形界面文字提示方式报警或者在现场和控制室以指示灯光报警器鸣叫方式报警也可以用自动拨通电话等方式报警并作出相应的保护动作 3 人机对话的控制方式大型UPS电源可向用户提供监控器液晶显示屏以图形和文字方式显示和参数信息可以提供让用户操作的可视化菜单并以帮助和不断提示的方式引导用户按照既定方式处理故障有效防止误操作 4 远程控制功能由于UPS和计算机网络融为一体在远离UPS电源机房的计算机网络上的任一个管理平台上经过身份校验后可以对访问网络中的任一个UPS电源的各种资料以及远程控制从而实现特性采用高频隔离装置可以取掉笨重的工频隔离变压器进一步减小装置的体积和重量 4 冗余并联技术[4] 目前不少UPS单机可靠性已很高整机平均无故障时间 MTBF 可以达到50万小时而在一些特别重要的场所如银行民航石化电信通讯社军队等的计算机和网络的供电是不允许有任何间断的所以单机UPS的可靠性还无法满足需要采用双机或多机并联冗余备份来提高整个系统电源的可靠性在以UPS为电源的交流供电系统中因负载的增加需扩大电网容量时一般可以通过两个方案来解决方案一是提高单台UPS的设计容量这就要求采用具有更高电压和电流耐量的功率开关器件并且需要对原UPS的结构与电路参数进行重新设计计算方案二是以原有的UPS为基础通过并联技术使多台UPS并联运行以提高电网容量很显然采用方案一需要较大的工作量而且新型UPS的可靠性和稳定性都需要较长的实践检验而方案二只要采用可靠的并联技术就可以使得UPS稳定工作可以节省大量的人力物力所以UPS冗余并联技术是提高UPS源系统可靠性扩充系统容量的有效方法 UPS冗余并联技术的发展过程表现了以下的特点?模块化设计实现完全冗余?并联的单元数越来越多?无需专门的外部控制设备并联操作更加简单灵活?控制策略更加复杂控制方法由经典控制理论向现代控制理论转变?采用全数字化控制技术?无连线并联将成为研究热点随着现代控制思想的逐渐引入各种控制策略的提出发展和完善配以高性能的硬件设备UPS冗余并联技术将得到很快发展它将使UPS得到更广泛的应用 14 论文研究主要内容 研究的基本内容拟解决的主要问题 鉴于前述的UPS的重要作用本课题选择UPS作为研究对象一般的UPS电源都应包括如下部分 l 交流输入滤波回路及整流回路 2 蓄电池及充电回路 3 P WM脉冲宽度调制型的逆变器 4 各种保护过流和限流过压空载保护电池电压过低电池极性和交流极性检测 电路 5 交流市电供电与蓄电池供电之间的自动切换装置及静态开关装置 6 逻辑驱动回路近年来利用微处理芯片作为逆变器和DCDC变换器的电力电子器件的驱动电路 本课题根据实际要求包括以下部分 三相不可控整流电路对三相交流电进行滤波 DCDC变换器采用BOOST升压电路 三相半桥逆变器电路对母线电压或者蓄电池输出的直流电压进行逆变输出 给负载 双向DCDC变换器电路实现蓄电池的充放电 蓄电池选择蓄电池的模型对本设计尤为重要因为本课题设计的核心内容实现对蓄电池的充放电 针对上述几个方面的要求本文设计了三相在线式UPS系统容量为5KVA除了实现三相正弦输出外还完成了对蓄电池充放电的闭环控制以及对DCDC变换器的闭环控制在理论分析的基础上建立了数学模型实现MATLAB仿真论证了所选用的功率回路结构和控制方法的合理性对方案的实施细节也给予了详尽的阐述 第2章 统模块结构方案 在线式UPS系统整体结构框图 能量流动图 市电正常或异常时系统能量流动图 系统整体结构方案 1 三相不可控整流电路对三相交流电进行整流 DCDC变换器采用BOOST升压电路 三相半桥逆变器电路对母线电压或者蓄电池输出的直流电压进行逆变输出给负载 电流双向DCDC变换器电路实现蓄电池的充放电 工作原理如下 ?当市电正常时输入电压经过整流电路及升压电路一路给逆变器提供电压逆变器输出经过滤波电路将SPWM波形变换成纯正弦波另一路送入充电器给蓄电池补充能量UPS由市电经过整流滤波器升压电路逆变器给负载供电并且由逆变 器来完成稳压功能?当市电出现故障 无市电市电电压过高或过低 时UPS工作在后备状态此时UPS由逆变器将蓄电池的直流电压升压后转变成交流电压输出到负载由此可见对于在线式UPS无论市电是否正常其输出总是由逆变器提供所以在市电故障的瞬间UPS的输出不会有任何间断另外由于在线式UPS有输出滤波器市电的交流输入经整流器变为直流再由逆变器逆变为交流所以几乎所有来自电网的干扰经过UPS以后都能得到很大程度的衰减同时逆变器的稳压功能很强所以在线式UPS能给负载提供干扰小稳压精度高的电源 针对上述几个方面的要求本文设计了三相在线式UPS系统容量为5KVA除了实现380V三相交流正弦输出外还完成了对蓄电池充放电的闭环控制以及对BOOST变换器的闭环控制在理论分析的基础上建立了数学模型实现MATLAB仿真论证了所选用的功率回路结构和控制方法的合理性对方案的实施细节也给予了详尽的阐述 23 系统模块结构方案 1输入整流器部分方案UPS内部蓄电池逆变器及控制电路均需要直流电所以UPS内部必须有整流电路其主要功能有将交流电变换成直流电具有输出电压保持能力抑制电网的干扰信号等功能由于本课题设计的为5KV UPS整流电路选择三相不控整流方案三相不控整流具有无需控制运行可靠设计简单满足设计要求 2升压电路方案方案采用BOOST升压电路方案以保证系统对逆变器的输入电压升压电路采用闭环设计保证对逆变器输入的电压稳定因为三相输出电压随着负载的增加而减小所以三相电压的输出时不稳定的必须设计成闭环三相整流桥将三相交流电变成带有一定纹波的直流电压由于逆变电压要求为600V而整流桥后电压过低并且含有纹波并不适台直接给逆变器供电而需要直流升压后才能给 逆变器供电所以直流升压变换器在本系统中是必不可少极为重要的组成部分 3对蓄电池的充放电控制对蓄电池采恒压充电方法即分段恒压充电充放电闭环控制方案保对蓄电池的输入和输出的稳定性实现蓄电池和母线之间的双向DCDC变换器采用电流双向半桥逆变器电路即实现蓄电池与母线之间的充放电过程 对蓄电池充放电控制进行研究因此主电路选取双向DCDC变换器如图此主电路工作在Buck模式和Boost模式下分别相当于Buck变换器和Boost变换器为了确保系统能够正常工作必须保证高电压源端和低电压源端协调工作对系统能量进行双向管理其核心是根据高电压源端和低电压源端的状态来控制双向变换器能量传输的方向使其工作在Buck Boost工作模式以此来控制蓄电池的充放电 电流双向DC-DC变换器 4逆变器方案逆变器主电路母线电压由BOOST变换器或蓄电池提供如前所述逆变器采用半桥逆变电路相对比于全桥逆变半桥逆变具有如下特点?三相输出可以适应负载100,不平衡如果由全桥逆变实现同样的功能则需要12只开关管电路成本增加可靠性降低?如果采用全桥逆变后面必须再加一个变压器否则完不成三相四线交流电压的输出而半桥逆变则没有这个必要?半桥逆变三相之间没有耦合关系故可以分相独立控制控制相对比于全桥逆变器来说简单 23本章小结 通过上述分析可知本章对于在线式三相UPS系统的结构方案作出来了具体的阐述以及对系统的各个结构采用了初步的模块对系统的整流和升压模块做了简要的概述对蓄电池的充电和放电模块做出了详细的阐述逆变器的结构方案论述了采用的合理性和优越性采用了合理的模块方案为后面的设计和仿真奠定了 坚实的基础 第3章 整流和升压模块设计方案 31 整流模块工作原理 图中六个二极管分为两组其中奇数组VD1VD3VD5的阴极连在一起称为共阴极组偶数组VD2VD4VD6的阳极连在一起称为共阳极异名电极相连后接电源同名电极相连后接负载共阴极性组中阳极电位最高的二极管将优先导通共阳极组阴极电位最低的二极管将优先导通具体分柝如下 在0,t1期间c相电位为正b相电位为负a相电压尽管也为正但低于c相电压因此在这段时间内c点电位最高b点电位最低于是共阴极组中VD5和共阳极组中VD4导通VD5导通后又使VD1和VD3的阴极电位基本上等于c点电位因此两管截至而VD4导通后又使VD2和VD6的阳极电位接近b点的电位故VD2和VD6也截至如果忽略正向管压降在此期间加在负载上的电压就是线电压Ucb其电流通路为C-VD5-RL-VD4-B 在t1,t2期间a点电位最高b点电位仍然最低因此VD1VD5导通其余四个二极管都截止电流通路是A-VD1-RL-VD4-B负载上的电压就是线电压Uab 其他时间段二极管的导通情况和负载电压的波形和上述推导过程类似电路电压波形如图3(2所示导通特点是各组二极管每隔16周期交换导通一次但每个二极管导通13周期任何时刻负载上得到的均为电源的线电压 3整流模块主要数量关系 3-1 因此 3-2 在一个电源周期中id有六个波头流过每一个二极管的是其中的两个波头 因此二极管电流平均值为Id的13即 3-3 3 二极管承受的压降 二极管承受的最大反向电压为线电压的峰值为245U2 输出电压 33 升压模块设计方案 BOOST电路工作原理 假设电路中电感L很大电容C值也很大当V处于通态时电源E向电感L充电充电电流基本恒定为I1同时电容C上的电压向负载R供电因C值很大基本保持输出电压UO为恒值极为UO设V处于通态的时间为ton此阶段电感L积蓄的能量为E?I1?ton当V处于断态时E和L共同向电容C充电并向负载R提供能量设V处于断态的时间为toff则在此期间电感L释放的能量为UO-EI1toff当电路工作于稳态时一个周期T中电感L积蓄的能量与释放的能量相等即 3-4 简化得 3-5 上式中的Ttoff大于等于1输出电压高于电源电压故称该电路为升压斩波电路 升压斩波电路之所以使输出电压能够高于电源电压关键有两个原因一是L储能之后具有使电压泵升的作用二是电容C可将输出电压保持住在以上分析结果中认为C值不可能为无穷大在此阶段其向负载放电Uo必然会有所下降故实际输出电压会低于所计算的结果不过在电容C足够大时误差很小基本可以忽略 com 开环电路参数的设计 3-6 求的占空比 3-7 电感 3-8 电容 3-9 com 闭环电路工作原理和设计 比例积分 PI 调节器原理图 图中Uin和Uex分别表示调节器输入和输出电压的绝对值图中所示的极性表 明它们是反相Rab1为运算放大器通向输出端的平衡电阻一般取反相输入端个电 路电阻的冰恋之按照运算放大器的输入输出关系可得 3-10 式中 KpiPI调节器比例不分的放大系数 3-11 τPI调节器的积分时间常数 3-12 由此可见PI调节器的输出电压Uex由比例和积分两部分叠加而成 初始条件为零时取式中两侧的拉式变换移相后得PI调节器的传递函数 3-13 令 则调节器的传递函数也可以写成如下形式 3-14 式中PI调节器也可以用一个积分环节和一个比例微分环节来表示1是微分 项中的超前时间常数它和积分时间常数的物理意义是不同的 在零初始状态和阶 跃输入下PI调节器输出电压的时间特性如图所示 从这个图可以看出比例积分作用的物理意义突加输入电压Uin时输出电压Uex首先突跳到KpiUin保证了一定的快速响应但因此快速性被压低了换来对稳定性的保证如果只有在还有积分不分在过渡过程中电容C1由电流i1恒流充电实现积分作用使Uex线性增长相当于在动态中把放大系数逐渐提高最终满足稳态精度的要求如果输入电压Uin一直存在电容C1就不断充电不断进行积分知道输出电压Uex达到运算放大器的限幅值Uexm时为止称作运算放大器饱和为了保证线性放大作用并保护系统各环节对运算放大器设置输出电压限幅值是非常必要的 BOOST电路闭环设计方案如图所示 通过学习可以知道在开关管闭合的期间电压源给电感储能在开关管断开期间由电源和电感一起为负载提供能量所以实现了升压闭环工作原理如下 通过学习可以PWM原理得知在取输出电压的一分部与给定值相比较取两者的差值然后通过PI调节器通过PI调节器的目的是反馈值与给定值比较的结果直接送给PI调节器PI调节器的输出值与锯齿波相比较直接驱动电力电子开关管 当市电380V输出整流桥后变成Uo 245U2 535V所以输出BOOST电路的电压为535VBOOST工作原理前面已经介绍下面讨论闭环设计方案由于采用逆变器的输出电压为600V所以在输出端采用6V的给定电压值采样BOOST输出端电压的1100与给定值6V相比较其输出电压经过PI调节器经过比例积分作用给三角波相比较通过学习PWM知识可知比较的幅值直接驱动MOSFET管来控制MOSFET的开通和关断通过调试结果选取PI调节器的Kp 12Ki 1000得到的波形符合设计要 求 其仿真输出波形结果如图 35本章小结 通过上述分析可知本章对于系统的整流模块和升压模块做出了具体的阐述对整流模块分析了采用三相不可控整流模块的优点和工作原理计算了整流模块的主要参数对升压模块在分析BOOST电路的工作原理的同时设计了BOOST电路的闭环方案仿真得出的结果比较合理闭环电路的参数设计采用了模糊算法在具体的仿真中验证了选用参数的合理性整流和升压模块的合理和优越性为后面的逆变器和蓄电池充电方案提供了可靠的保证 蓄电池充电和放电模块设计方案 1 蓄电池充电电路工作原理和设计蓄电池充放电设计 UPS之所以能够实现不间断供电就是因为有蓄电池在市电断电或发生故障时为负载供电蓄电池的放电设计是UPS能在市电不正常时及时稳定供电的重要保证 在本文研究的UPS系统中BOOST升压后的母线电压充当了蓄电池充电的角色因此根据BOOST变换器的功能BOOST变换器的控制就不仅需要保证逆变器的正常工作还要保证对蓄电池科学有效的充电电压蓄电池是UPS系统的重要组成部分如果没有了蓄电池所谓的UPS系统就只能称之为稳压电源了正因为蓄电池的储能作用UPS才能在供电突然中断的时候提供宝贵的后备时间用于处理负载的保护工作现在较好的一种充电方式先恒流后恒压的充电方式即在充电的初期利用充电器的限流启动功能将电池的最大充电电流限制在允许范围之内防止过流充电的情况出现当充电电流降至80,左右再将充电电压上升至浮动充电电压根据本文的实际技术指标的要求和合理的分析用恒压充电方式其原因如下 根据本文的实际技术指标的要求和合理的分析用恒压充电方式其原因如下 1技术指标中要求蓄电池两端电压为的指标要求可知蓄电池两端的电压最低为200V最高为240V蓄电池两端的电压没有下降到0V所以没有必要采用先恒流后恒压的充电方式 2通过查阅资料可知对220V蓄电池的充电可以用220V的电压给其充电即直接跳过恒流阶段过渡到恒压阶段实现对蓄电池充电的快速性 充电器设计 采用三相整流之后的直流电压经斩波器后给蓄电池供电的方案具有电路结构控制方法简单可靠的特点前面提及到由于蓄电池与母线之间采 用电流双向DC-DC变换器可以实现能量的双向流动即在市电正常时市电一方面经过BOOST电路给逆变器供电另一方面经BOOST BUCK电路图 其工作原理如下 当开关S导通时电源Ug一方面通过储能电感L向负载R供电另一方面向储能电感L以及电容C中储存能量此时i1增加电感内的电流逐渐增加而续流二极管因反向偏置而截至输出不能立刻达到电源电压值当S关断时由于电感L的自感作用i1不能突变故i1通过二极管VD续流电感电流逐渐减小这时电感中的能量通过LRC和续流二极管VD将储存的电能释放到负载中去i1降低L上的储存减小由于VD的单向导电性i1不可能为负即总有i1大于等于0从而可在负载上获得单极性的输出电压若储能电感L很小时电感中的能量有可能释放完S还没有导通导致负载电流断续一般情况下将会造成输出电压纹波大电源调整率变差等不良影响因此这种情况是不希望出现的通过控制导通和关断的时间即PWM-脉冲宽度调制就可以控制输出的电压如果通过检测输出电压来控制导通和关断的时间以保持输出电压不变这就实现了稳压的目的 电感电流连续时负载平均电压值为 4-1 4-2 式中ton-S处于通态时间 Toff-S处于断态时间 Ts-开关周期 D-占空比 由此可知输出到负载的电压平均值Uo最大为Ug若减小占空比D则Uo随之减小 可知通过BUCK电路母线电压降到220V给蓄电池充电 根据公式参数计算如下 4-3 4-4 4-5 蓄电池充电采用恒压充电方式即在蓄电池两端电压在200V-240V之间时母线电压经过BUCK模式的双向变换器降到220V给蓄电池充电即给蓄电池两端的充电电压为220V母线电压降压到220V给蓄电池充电实现给蓄电池在不同电压阶段时的恒压充电实现其充电的快速性充电阶段的充电模式采用闭环控制方案 当市电380V输出整流桥后变成Uo 245U2 535V经过BOOST电路的升压压为600V下面讨论充电闭环设计方案 由于采用恒压充电方式所以在输出端采用5V的给定电压值采样BUCK输出端电压的144与给定值5V相比较其输出电压经过PI调节器经过比例积分作用给三角波相比较通过学习PWM知识可知比较的幅值直接驱动MOSFET管来控制MOSFET的开通和关断通过调试结果选取PI调节器的Kp 1Ki 1000到的波形符合设计要求闭环如图 42 蓄电池放电电路工作原理和设计 4-6 4-7 4-9 其具体工作原理与BOOST升压设计方案相同在此不再做介绍 下面介绍充电和放电方案的转化 因为在市电正常时市电经过三相不控整流和BOOST电压升压之后一方面给逆变器供电经过逆变器输出给负载另一方面在蓄电池两端的电压不高于240V的前提下给蓄电池充电然而当市电异常时蓄电池处于放电的状态即异常的市电不再给蓄电池充电蓄电池本身直接给逆变器供电以保证对负载供电的稳定性其充电和放电方案的转化原理如下 在市电正常时给蓄电池充电检测蓄电池两端的电压取蓄电池两端的电压1100与给定值24V相比较在蓄电池两端的电压不高于240V时给蓄电池充电取市电电压的1100与给定值6V和5V相比较即市电在500V和600V之间认为是正常的状态当市电电压高于600V或者是低于500V时通过设计利用与门一个选择开关实现对蓄电池的充电模式即在市电正常时蓄电池处于充电状态市电正常时蓄电池两端电压和逆变器输出端电压仿真波形 当市电正常时输入电压经过整流电路及升压电路一路给逆变器提供电压逆变器输出经过滤波电路将SPWM波形变换成纯正弦波另一路送入充电器给蓄电池补充能量UPS由市电经过整流滤波器升压电路逆变器给负载供电并且由逆变器来完成稳压功能仿真图 三相逆变器的介绍由后面的第五章介绍 市电正常时给蓄电池充电电压的波形如下 缺图题 市电正常时三相逆变器输出波形如下 缺图题 当市电出现故障 无市电市电电压过高或过低 时UPS工作在后备状态此时UPS由逆变器将蓄电池的直流电压升压后转变成交流电压输出到负载 仿真图如下 市电异常时系统仿真图 三相逆变器输出电压如下 缺图题 三相逆变器输出电压 43本章小结 通过上述分析可知本章对蓄电池的充电和放电的方案做出了合理的仿真验证根据实际的技术指标要求论证了所采用蓄电池充电方案的原因对蓄电池的充电和放电方案均采用了闭环设计方案仿真得出的效果较好对蓄电池的充放电的转化在做出合理设计和阐述的同时将控制方案仿真验证其合理性仿真结果表明参数满足计算指标的要求 第5章 逆变器和输出滤波器设计方案1 逆变器工作原理 三相四线式电路的每一相都是独立的相互之间不存在耦合关系因而可以把三相逆变器看成是三个输出电压互差120度的单相半桥逆变器组合在一起由于三相之间没有祸耦合关系因而控制相对简单单相逆变器的控制方法可以直接用在这里考虑到三相之间的独立性下面分析以单相半桥逆变器为对象 半桥电路控制电压及输出电压波形如图所示V01 V02分别为开关管T1T2的驱动电压波形分压电容器C1 C2且足够大以致电路工作过程中C1和C2两端电压几乎不变即有VC1 VC2 E2在t1-t2期间VG1 0VG2 0T1导通T2截止电流流经路径为C-T1-L-C-C-输出电压Vab E2在t2,t3都期间VG1 0VG2 0T2导通T1截至无电流输出在t3,t4期间VG1 0VG2 0T2导通T1截止电流流经路径为C-C-L-T2-C-输出电压Vab -E2D1和D2分别是T1和T2反并联的二极管其作用是为感性负载提供续流回路避免功率器件承受过高的瞬态电压输出电压平均值如图中的虚线所示它跟驱动波形的占空比有关通过改变占空比可以得到平均输出为正弦的电压波形 由上图可以看出T1导通T2截止时T2承受的电压Uce2为 Uce2 E 5-1 52 逆变器控制技术 5-2 5-3利用式中方程得到两相旋转坐标系下的电压和电流状态方程 5-4 5-5 5-6 5-7 检测三相负载电压uL三相负载电流iL及三相输出电流i1由式可以得到对 应的dq轴分量电压控制器和输出电压反馈构成电压外环其输出为电流指令i1di1q令电压指令VLd VR 输出额定相电压峰值 VLq 0则在电压外环的作用下实现对的输出电压的稳定控制电流控制器和输出电流反馈构成电流内环其输出为ini便器速出电压空间矢量V1qV1d系统中负载电流及输出电压前馈量的引入以及电容解耦电流和电感解耦电压的引入减轻了调节器的负担加快了系统的响应速度提高了逆变器带非线性负载的能力利用输出电压空间矢量V1dV1q在电压空间矢量SVPWM控制技术的调节器下得到逆变器6个开关器件的PWM驱动信号从而得逆变器在电压电流双环控制下输出额定正玄波电压 控制策略 式中表明系统dq轴输出电流i1di1q除受控量u1du1q的影响外还受耦合电压ωL1i1q-wL1i1d扰动和输出电压u1du1q扰动的影响同理式中表明系统dq轴输出电压u1du1q除受输出电流i1di1q控制外还厚耦合电流ωC1u1q-wC1u1d和输出负载电流i1di1q的扰动影响如果控制系统中包含这些扰动量则可以消除它们的影响 式中得到逆变器输出电流控制量u1du1q为 5-8 5-9 5-10 5-11 SVPWM的原理介绍 SVPWM即空间电压矢量控制法它的主要思想是以三相对称正玄波电压供电时三相对称电动机定子理想磁链圈圆为参考标准以三相逆变器不通开关模式作 适当的切换从而形成PWM波以形成的实际磁链矢量来追踪准确地磁链圆传统的SPWM从电源的角度出发以生成一个可调频调压的正玄波电源而空间电压矢量控制法将逆变系统和异步电动机看作一个整体来考虑模型比较简单也便于微处理器的实时控制 相比于传统的SPWM法SVPWM有如下的特点 1在每个小区间虽多次开关切换但每次开关切换只涉及一个器件所以开关损耗小 2利用电压空间矢量直接生成三相PWM波计算简单 3逆变器输出线电压基波最大值为直流侧电压比一般的SPWM逆变器输出电压高15, SVPWM控制的实现通常有一下几步 1坐标变换 三相逆变器系统有三组桥臂设abc分别表示三组桥臂的开关状态上桥臂导通下桥臂关断时其值为1反之为0那么可以得到三相逆变器输出的相电压和线电压之间的关系如下 5-12 其中Vdc为逆变器直流电压令U 表示一个矢量当abc分别取1和0的时候该矢量就有8中工作状态分别为如果我们用Uo和U7表示零矢量就可以得到6个扇区三相控制可以用一个角速度的空间矢量电压U表示当U遍圆轨迹时形成三相瞬时输出电压理论证明当U落入某一扇区之后用改扇区两边界矢量和零矢量去合成U可以得到最佳合成效果 SVPWM需要将三相坐标转换两相坐标进行控制于是需要引进PARK闭环和CLARK变换其中CLARK变换的母的是将三相静止坐标变换为两相静止坐标其变换 公式如下 5-13 而PARK的目的是将两相静止坐标转换为两相旋转坐标其变换公式如下 5-14 于是我们可以讲上文所说的6个扇区看成是在平面上的正六边形对于任意的给定矢量我们都可以用与其相邻的两个有效作用矢量来合成然后再把这两个有效矢量转换为两相静止坐标通过PI调节器变为电压控制量进行控制 2扇区的计算 定义三个变量Ur1 UβUr2 Uα-Uβ17132Ur3 -Uα-Uβ17132在定义 当Ur1〉0A 1否则A 0 当Ur2〉0B 1否则B 0 当Ur3〉0C 1否则C 0 由已知公式N 4?C，2?B，A与扇区的对应关系可以的到则N 1时对应扇区为2N等于2时对应扇区为6N 3时对应扇区为1N 4时对应扇区为4N 5时对应扇区为3 N 6时对应扇区为5于是由此我们便可以得出开关状态矢量所处的扇区位置了 3设VFF在第IV扇区则VFF在一个PWM控制周期内应由临近的非零有效作用矢量和零矢量共同作用而成在一个控制周期内有下式成立 VFFdt T1VS T2VS?60? 因VFF在第四扇区Vx V0 1 1T1 T2 表示个有效矢量作用时间则有零矢量作用时间为To Ts-T1 –T2 因为开关平率即PWM波的频率远大于驶入电压的基波频率所以可以认为一个PWM波周期VFF 大小是恒定的于是我们可以得到 VFFdt T1VS T2VS?60? 又由正弦定理可以得到 T1 Tsmisn 60-γ T2 Tsmisn γ To Ts- T1 -T2 其中m表示SVPWM的调制系数并且m 17321?VFFVdc 综上所述SVPWM法控制的具体过程就是先将三相电流iaibic转换为两相旋转电流idiq然后将idiq进行PI调节变成电压信号以便达到输出电压大小的精确控制目的然后经过PARK反变换将两相旋转坐标变为两相静止坐标Uα和Uβ接着通过两个电压值计算电压空间矢量所在的扇区数以及各桥臂的工作状态然后利用扇区数和桥臂工作状态计算出所在扇区的有效矢量作用时间从而计算出各组桥臂的开通关断时间随后给功率器件送出脉冲以实现理想波形的输出 2 仿真的具体过程 本为采用了MATLAB的Simulink组建立了SVPWM控制模型模型主要包括扇区计算模块功率器件开关状态模块有效矢量作用时间模块三相桥臂开通时间计算模块和脉冲生成模块而CLARK变换和PARK变化则用封装的S函数代替其具体仿真结构分析如下 1做出扇区计算模块由上文SVPWM的具体实现过程可知N 12B4C其模块如上图所示 2SVPWM的实现方法计算出功率器件开关状态模块和有效作用时间模块如图所示 以计算出三组桥臂工作状态时间其具体对应关系为Ta T-T1-T24Tb T12TaTc TT1T22于是可以得到三组桥臂导通时间计算模块如图所示 仿真结果可知市 电在通过三相不可控整流和DCDC升压电压后给逆变器的电压Vdc 600V 三相逆变器仿真模块 三相逆变器输出波形 观察期仿真结果如上图所示 53 输出滤波器的设计 通常UPS采用常K型Γ型两元件低通滤波器如图1所示其串臂阻抗Z1与并臂阻抗Z2的乘积 5-15 一旦值确定后K为常数不随频率变化 四端网络在输入端输出端均处于阻抗匹配时工作最好图5(18所示四端网络的输入输出阻抗分别为 5-16 5-17 5-18 型滤波器的传通条件为故可以得到 图1 型滤波器原理图 当 ω为零此为通频带的最低角频率当时则为通频带的最高角频率即滤波器截止频率由此可得滤波器的截止频率为 5-19 滤波器参数设计 由式可得 5-20 5-21 Lf与Cf的值取决于fc和R的选择 理论上将fc定在开关频率的左右可以得到谐波含量极低的正弦波从而只需很小的Lf和Cf的值 在本设计中将三相逆变器等效看作三个单相逆变器来设计滤波器设计指标为额定容量5kVA输出电压220V,50Hzfc定为50kHz出于额定负载电阻R1 3?22025000取定R R1 29 根据式决定L与Cf的值 5-22 5-22 54本章小结 通过上述分析可知本章对三相逆变器做出了合理的分析论述了选择SVPWM控制技术的优越性的同时对SVPWM技术进行了详细的介绍对三相逆变器采用了电压外环和电流内环的控制方案对三相输出滤波器的参数设计进行了阐述仿真验证采用三相逆变器和三相输出滤波器参数的合理性仿真结果表明三相逆变器输出波形较好为负载提供了稳定的电压满足了负载供能的精确要求 结论 本文的研究内容 UPS作为向重要场合的关键负载提供不间断电源的电力电子设备得到越来越广的应用随着科学技术的发展和用户要求的不断提高UPS的性能也在不断改善为了得到控制及输出性能优良的UPS系统本文研究了三相在线式UPS通过理论 分析建模仿真设计使我在大学所学的知识进一步得到充实和完善同时也提高了自己解决问题的能力 包括系统总构成以及各个部分的主电路结构和控制为了得到稳定的输出电压对整流器部分的电容进行了合理的调整同时对母线的升压系统做了闭环的设计和仿真保证对逆变器输出电压的稳定性逆变器作为UPS系统的核心部分直接影响和决定着系统性能本文通过理论分析了三相逆变器首先对逆变器进行了开环的仿真观察其输出特性为闭环的设计奠定了基础蓄电池的充放电采用闭环方案对蓄电池的充电采用合理的方案其放电方案也满足了要求借助于仿真软件设计了蓄电池充放电控制参数仿真表明这样的设计是合理的可以获取优良的控制性能 本毕业设计研究设计了一种5kVAUPS分析了UPS在线式工作方式主电路由整流电路充电电路和放电电路BOOST变换器和逆变器构成经过仿真调试最终得到了合理的输出结果 论文完成的任务主要有 1(简单介绍UPS结合UPS的市场情况论述了本课题研究的意义 2(从系统总体方案角度论述了系统各组成部分主电路各个模块结构设计 3(设计了整流电路双向DCDC电路BOOST变换器和逆变器主电路的参数也逆变器输出滤波电路的参数进行了设计 虽然本文设计的在线式UPS系统仿真结果符合设计指标要求取得了一些成果但仍需做许多改进工作 参考文献 [1]周志敏 周纪海UPS实用技术一应用与维护北京人民邮电出版社2003 [2]王林兵 何湘宁UPS的分类关键技术分析与发展动态预测电工技术杂志 2003年第10期 [3]侯振义 王义明UPS电路分析与维修北京科学出版社2001 [4]高军梨辉杨旭等UPS逆变器数字化控制技术电工技术杂志2001年第12 期 [5]李成章现代UPS电源及电路图集北京电子工业出版社2001 [6]天华博实三相低谐波中大功率不间断电源产品市场研究报告2003 [7]张广明 沈卫东曲颖UPS高可用供电系统设计与应用北京人民邮电出版 社2004 [8]周继华 李宏现代电力电子工程西安西北工业大学出版社1998 [9]马运东阮新波单管直流变换器三电平拓扑的交错开关方式电力电子技术 2003年第4期 [10] FraserME Performance of Average Current Mode Controlled PWM UPS Inverter with High Crest Factor Load IEEE Fifth International Conference on Power Electronics and Variable-Speed Drive 199426-28 [11] FBotteron HPinheiro Digital Voltage and Current Controllers for Three-Phase PWM Inverter for UPS Applications IEEE 20012667-2674 [12]陈宏基于重复控制理论的逆变电源控制技术研究博士论文南京航空航 天大学2003 [13]陈道炼DC-AC逆变技术及应用北京机械工业出版社2003 [14] Tzou Ying-Yu Ho Lien-Hsun Ou Rong-Shyang Fuzzy Control of a Closed-Loop Regulated Inverter Under Large Load Variations IEEE-IECON93 1993 1 1 267-272 [15]张占松 蔡宣三开关电源的原理与设计北京电子工业出版社2004 [16] B R Lin Hua Chihchiang Uninterruptible Power Supply with Fuzzy Logic ApproachIEEE-IECON93 1993 12 1123-1128 [17]阮新波 李斌 陈乾宏一种适用于高压大功率变换器的三电平直流变换 器中国电机工程学报2003年第5期 [18]阮新波 严仰光脉宽调制DCDC全桥变换器的软开关技术北京科学出版 社1999 [19]戴忠达自动控制理论基础北京清华大学出版社1991 [20]钱希森小型UPS原理及应用北京科学出版社2000 [21]刘凤君正弦波逆变器北京科学出版社2002 [22]秦棣祥 整流器的功率因数和效率通信电源技术199543-7 [23]钱希森小型UPS原理及应用北京科学出版社2000 [24]刘风君正弦波逆变器北京科学出版社2002 [25]王其英刘秀荣新型不停电电源 UPS 的管理使用与维护北京人民 邮电出版社2005 [26]FBotteron HPinheiroDigital voltage and Current Controllers for ThreePhase PWM Inverter for UPS ApplicationsIEEE200l26672674 [27]FraserM(EPerformance of Average Current Mode Controlled PWM UPS Inverter with High Crest Factor LoadIEEE Fifth International Conference on Power Electronics and Variable-Speed Drive19942628 [28]谢力华苏彦民(正弦波逆变电源的数字控制技术(电力电子术2001 6 52,55 [29]陈坚(电力电子学一电力电子变换和控制技术(第一版(北京高等教育 出版社2002 [30]康勇(高频大功率SPWM逆变电源输出电压控制技术研究[博士学位论文] 华中科技大学图书馆1994年 [31]李成章王淑芳(新型UPS不间断电源原理与维修技术(北京电子工业出 版社(1995 致谢 历时将近个月的时间终于将这篇论文写完在论文的写作过程中遇到了无数的困难和障碍都在同学和老师的帮助下度过了尤其要强烈感谢我的论文指导老师老师对我进行了无私的指导和帮助不厌其烦的帮助进行论文的修改和改进另外在校图书馆查找资料的时候图书馆的老师也给我提供了很多方面的支持与帮助在此向帮助和指导过我的各位老师表示最中心的感谢感谢我的在我写论文的过程中给予我了很多你问素材还在论文的撰写和排版灯过程中提供热情的帮助 毕业论文暂告收尾这也意味着我在大学学习生活既将结束回首既往自己一生最宝贵的时光能于这样的校园之中能在众多学富五车才华横溢的老师们的熏陶下度过实是荣幸之极在这年的时间里我在学习上和思想上都受益非浅这除了自身努力外与各位老师同学和朋友的关心支持和鼓励是分不开的 论文的写作是枯燥艰辛而又富有挑战的在此我我的导师老师从论文的选题文献的采集框架的设计结构的布局到最终的论文定稿从内容到格式从标题到标点她都费尽心血没有老师的辛勤栽培孜孜教诲就没有我论文的顺利完成 通过这一阶段的努力我的毕业论文《》终于完成了这意味着大学生活即将结束在大学阶段我在学习上和思想上都受益非浅这除了自身的努力外与各位老师同学和朋友的关心支持和鼓励是分不开的 由于我的学术水平有限所写论文难免有不足之处恳请各位老师和学友批评和指正 本科毕业设计论文开题报告 课题名称 在线式三相UPS设计与仿真 学院系 年级专业 08应用电子2班 学生姓名 指导教师 完成日期2012年3月1日[10] FraserME Performance of average current mode controlled PWM UPS inverter with high crest factor load IEEE Fifth International Conference on Power Electronics and Variable-Speed Drive 199426-28 [11] F Botteron HPinheiro Digital voltage and current controllers for three-phase PWM inverter for UPS applications IEEE 20012667-2674 [12]陈宏基于重复控制理论的逆变电源控制技术研究博士论文南京航空航 天大学2003 [13]陈道炼DC-AC逆变技术及应用北京机械工业出版社2003 [14] Tzou Ying-Yu Ho Lien-Hsun Ou Rong-Shyang Fuzzy Control of a Closed-Loop Regulated Inverter Under Large Load Variations IEEE-IECON93 1993 11 267-272 [15]张占松 蔡宣三开关电源的原理与设计北京电子工业出版社2004 [16] B R Lin Hua Chihchiang Uninterruptible power Supply with Fuzzy Logic ApproachIEEE-IECON93 1993 12 1123-1128 [17]阮新波 李斌 陈乾宏一种适用于高压大功率变换器的三电平直流变换 器中国电机工程学报2003年第5期 [18]阮新波 严仰光脉宽调制DCDC全桥变换器的软开关技术北京科学出版 社1999 [19]戴忠达自动控制理论基础北京清华大学出版社1991 [20]钱希森小型UPS原理及应用北京科学出版社2000 附录2 燕 山 大 学 本科毕业设计论文文献综述 课题名称 在线式三相UPS设计与仿真 学 院系 年级专业 08应用电子2班 学生姓名 指导教师 完成日期2012年3月1日 五主要参考文献 [1]周志敏 周纪海UPS实用技术一应用与维护北京人民邮电出版社2003 [2]王林兵 何湘宁UPS的分类关键技术分析与发展动态预测电工技术杂志 2003年第10期 [3] 侯振义 王义明UPS电路分析与维修北京科学出版社2001 [4]张广明UPS技术发展趋势与应用中的问题 UPS应用2000 [5]高军梨辉杨旭等UPS逆变器数字化控制技术电工技术杂志2001年第12 期 [6]李成章现代UPS电源及电路图集北京电子工业出版社2001 [7]天华博实三相低谐波中大功率不间断电源产品市场研究报告2003 [8]张广明 沈卫东曲颖UPS高可用供电系统设计与应用北京人民邮电出版 社2004 [9]周继华 李宏现代电力电子工程西安西北工业大学出版社1998 [10] FraserME Performance of average current mode controlled PWM UPS inverter with high crest factor load IEEE Fifth International Conference on Power Electronics and Variable-Speed Drive 199426-28 [11] F Botteron HPinheiro Digital voltage and current controllers for three-phase PWM inverter for UPS applications IEEE 20012667-2674 [12]陈宏基于重复控制理论的逆变电源控制技术研究博士论文南京航空航 天大学2003 [13]陈道炼DC-AC逆变技术及应用北京机械工业出版社2003 [14] Tzou Ying-Yu Ho Lien-Hsun Ou Rong-Shyang Fuzzy Control of a Closed-Loop Regulated Inverter Under Large Load Variations IEEE-IECON93 1993 11 267-272 [15]张占松 蔡宣三开关电源的原理与设计北京电子工业出版社2004 [16] B R Lin Hua Chihchiang Uninterruptible power Supply with Fuzzy Logic ApproachIEEE-IECON93 1993 12 1123-1128 [17]阮新波 李斌 陈乾宏一种适用于高压大功率变换器的三电平直流变换 器中国电机工程学报2003年第5期 附录3 燕 山 大 学 本科毕业设计论文中期报告 学院系 专 业0应用电子 学生 姓名 学 号 指 导教师 答辩 日期 通过一个多月的设计毕业设计已经进入到了仿真的阶段系统的各个部分基 本基本完成下面进行逐一介绍 1对于不可控整流系统采用6脉冲整流因其无需控制运行可靠设计简单通过设计整流系统的参数选择了MDS150-16WE三相整流模块满足设计要求 2对于DC-DC boost 升压电路在一个月的时间里我对boost升压电路进行了开环和闭环的仿真闭环仿真已经仿出来但是对于boost闭环电路现在还是处于调试阶段现在还是在boost闭环阶段调试 3对于蓄电池的充放电现在已经确定是分段恒压充电方式由于对蓄电池的充电技术指标的要求即蓄电池的电压低于200V时蓄电池不能再实现放电即放电回路关闭当蓄电池处于充电状态而蓄电池两端电压高于240V时蓄电池不能再实现充电即充电回路关闭 4对于电流双向DC-DC变化器对于DC-DC电流双向半桥Buck -Boost 电路在市电正常的情况下蓄电池处于充电的状态在市电异常时蓄电池处于放电的状态在一个月的时间里利用MATLAB仿真软件对半桥Buck-Boost电路的开环进行仿真仿真的结果是对于系统处于Boost电路的工作状态即在蓄电池放电的状态其在输入回路中需加一个电阻对其仿真的结果是输出电压会高于理想期望的电压值利用剩余的时间进行调试 5对于三相半桥逆变电路因为对于三相半桥逆变电路各相可以看做是独立的单相所以对于三相逆变电路而言对单相逆变电路的仿真就可以实现三相逆变电路仿真的目的由于市电经过三相不可控整流然后经过Boost升压电路给逆变器供电经过逆变后在经过滤波器然后给三相负载供电由于在设计时LC滤波电路参数没有设计好导致输出的电压低于理想期望的电压值 6对于三相输出滤波器选择LC滤波电路设计参数与三相逆变电路一起仿真 其效果是输出电压低于理想期望的电压值 对于具体的实时控制方案参考了西北工业大学的硕士论文的《大功率UPS研究与设计》 和华中科技大学的硕士论文《三相在线式UPS及其并联技术的研究》通过阅读和参考对于不可控整流电路模块的选择Boost升压电路的计算和IGBT的PWM信号的产生对于三相半桥逆变器的控制方案还有LC滤波电路模块的选择对蓄电池过充和过放的控制都有较大的启示 对于三相不可控整流电路的模块选择了MDS150-16WE三相整流模块其二极管的耐压值和最大电流值满足设计要求三相不可控整流电路模块仿真结果 因为技术指标要求是380V市电经过二极管的不控整流后所得到的输出电压值是Uo 537V而逆变器所需电压逆变器直流母线电压是800V需要一个Boost升压电路 对于Boost升压电路实现了闭环仿真由于系统在升压后给逆变器供电是800V电压 设计出其电感L 945mhC 278uf其闭环仿真 对蓄电池充放电控制进行研究因此主电路选取双向DCDC变换器如图1 电流双向DC-DC变换器 此主电路工作在Buck模式和Boost模式下分别相当于Buck变换器和Boost变换器为了确保系统能够正常工作必须保证高电压源端和低电压源端协调工作对系统能量进行双向管理其核心是根据高电压源端和低电压源端的状态来控制双向变换器能量传输的方向使其工作在Buck Boost工作模式以此来控制蓄电池的充放电 在Buck工作模式下变换器通过调节Q1的占空比来调节输出因此定义Q1为 主控管Q2为被控管当Vi 800V时计算出结果L 018125mhC 0005uf其输出电压为220V闭环仿真及结果如图 电路工作在Boost模式下变换器通过调节Q2的占空比来调节输出因此定义Q2为主控管Q1为被控管其仿真结果如图 对于三相半桥逆变器的仿真由于我采用的是三相半桥逆变所以每一相可以看做是独立的一相所以先对单相逆变器进行仿真对单相逆变器实现闭环控制由于LC滤波电路的参数设计的不符合要求所以输出电压不是很稳定以下是仿真的初步结果以后还应该进行调试 本毕业设计中的核心内容是对蓄电池的充放电的控制由于采用了分段恒压的充电方式在蓄电池不同的电压阶段采用不同的充电电压初步采用运放实施可实现性对于电流双向DC-DC变换器的研究虽然对其开环的仿真已经实现但是由于蓄电池在放电的工程中其两端电压和输出电流随着时间的增加而减小所以必须设计一个闭环系统在设计中遇到的困难是如下1以前的重点研究偏重于三相逆变器对于蓄电池的研究不是很多偏离了研究方向2对于系统母线电压的检测环节还是没有选好合理的模块3能够实现当市电正常时对蓄电池的充电也设计出当市电发生低压时蓄电池投入工作但是市电发生异常高压时蓄电池须马上投入工作由于对母线电压的检测没有选择好对蓄电池的放电控制至今还没有一个具体的模型4对于Buck和Boost闭环的设计始终没有合理的仿真结果 进两个月的毕业设计中我遇到了困难知道了自己以前对所学只是的欠缺的地方在实际的毕设进展中对所学知识从新掌握实现对毕业设计技术指标的要求有不少困难例如在本设计中想用运放实现对蓄电池充放电的控制但是单单在模拟电子技术上学的理论内容是不够的查阅资料拓展对运算放大器进行了解和补 充自己的有关知识在对三相逆变器具体的控制方案中查阅的资料往往都是采用的是DSP技术这就需要我自己选择合理的符合自身能力的控制方案具体的控制方案在前面已经阐述 在接下来一个多月的时间里我想实现一下具体的内容1设计出可靠合理的蓄电池放电系统的控制模块2电流双向DC-DC半桥Buck-Boost电路的闭环仿真3选好蓄电池的仿真模型配合好系统其余的模块实现系统整体仿真的准确 时间进度安排表 111周-12周设计合理的蓄电池充放电控制模块做好模型 213周-14周对系统进行闭环仿真验证为后期论文撰写做准备 315周-16周撰写毕业论文整理相关资料准备毕业答辩 417周进行最后准备进行毕业答辩 对指导老师和学校管理的建议和意见非常感谢顾和荣老师的指导学校也很关心我们毕业生在此对学校表达由衷地感谢 主要参考文献 [1]王林兵 何湘宁UPS的分类关键技术分析与发展动态预测电工技术杂志2003年第10期 [2]高军梨辉杨旭等UPS逆变器数字化控制技术电工技术杂志2001年第12期 [3]秦棣祥 整流器的功率因数和效率通信电源技术199543-7 [4]刘凤君正弦波逆变器北京科学出版社2002 [5]李成章现代UPS电源及电路图集北京电子工业出版社2001 [6]天华博实三相低谐波中大功率不间断电源产品市场研究报告2003 [7]张广明 沈卫东曲颖UPS高可用供电系统设计与应用北京人民邮电出版 社2004 [8]周继华 李宏现代电力电子工程西安西北工业大学出版社1998 [9]马运东阮新波单管直流变换器三电平拓扑的交错开关方式电力电子技术 2003年第4期 [10] Fraser ME Performance of average current mode controlled PWM UPS inverter with high crest factor load IEEE Fifth International Conference on Power Electronics and Variable-Speed Drive 199426-28 [11] F Bot ter on H Pinheiro Digital voltage and current controllers for three-phase PWM inverter for UPS applications IEEE 20012667-2674 [12]陈道炼DC-AC逆变技术及应用北京机械工业出版社2003 [13]张占松 蔡宣三开关电源的原理与设计北京电子工业出版社2004 [14]阮新波 李斌 陈乾宏一种适用于高压大功率变换器的三电平直流变换 器中国电机工程学报2003年第5期 [15]阮新波 严仰光脉宽调制DCDC全桥变换器的软开关技术北京科学出版 社1999 [16]刘凤君正弦波逆变器北京科学出版社2002 附录4 外文文献 中文翻译 分析和比较两种控制策略三相串并联UPS摘要-本文两种控制策略串并联三相不间断电源系统进行了比较一个由串并联并联UPS在这种布局大多数电力负荷直接供给所需的价格从线期间因此整体效率高于缺生产垫板的电源传统上这些结构的控制策略是基于电压控制的系列转换器和电流控制的并联转换器 然而最近提出了一种相反的策略即电压控制的并联转换器和电流控制系列的转换器文章比较了这两种控制策略通过比较不同的性能标准一样待机模式动力性能复杂性和滤波器在两种策略不间断电源系统 UPS 提供不间断的可靠的高质量的重要力量的负荷他们事实上保护敏感负荷扰动对所有存在的量在公用如电压的变化瞬变谐波UPS系统的应用包括医疗设施生命支持系统数据存储和计算机系统应急设备电信工业加工在线管理系统 基于IEC - 62040 - 3标准UPS的可分为在线式和每一个拓扑有其自己的特点应用该放的地方去最适合的UPS的主要优点是简单的结果成本低体积小线调节是被动因此该技术具有较好的鲁棒性另一方面长之间的开关时间待机和备份模式用非线性负荷和表现不佳是主要的这种拓扑结构的缺点虽然是被广泛认可的在性能优越的拓扑结构功率调节和负荷保护效率低是这种拓扑结构所固有的由于这种特性电源功率流通过整流器和逆变器即使在待机模式意味着更高的功率损耗和效率低下相比和 UPS系统 UPS系统简单的设计高可靠性降低成本提供一个有吸引力的解决方案比在线UPS系统既然这是一个单身阶段转换拓扑效率高是其固有的比 UPS主要缺点是一个事实那就是没有输出电压在正常模式由于空调变频器是不真实的并联与负荷新串并联线互动UPS拓扑结合两者的优点 double-conversion和线-互动式UPS系统同时它可以达到统一功率因数精确调节输出电压高效率它包含两个双向转换器连接回到回来普通电池集一个静态的开关和一个系列变压器如图1系列平行转换器通常选定在20左右和100的额定功率 以类似方式整合串并联转换器被执行了在其他方面的应用等统一电能质调节剂 UPQC 的又是统一的功率流控制 UPFC 一个串并联UPS系统两种操作模式备用备份在待机模式的运作当交流线是在设定公差大多数的权力向载荷管委会直接供给线只有一小部份的总功率一般不超过20流经两个系列和并行转换器这所需的能量补偿有任何不同的输入和输出电压之间也为功率因数校正在备份模式操作当输入电压是一个预设的宽容静态开关旅行离主要电源和平行吸引力量转换器作为电池银行传统的逆变器提供负载不间断的电力供应因为一个重要组成部分在待机模式消耗功率流动而不转换成交流线路负荷整体效率更高比 UPS传统上控制策略串并联的电源基于电压控制系列转换器和通用控制并联变频器该策略平行转换器直接补偿谐波电流和负载无功功率调节系列变换器输出电压然而近来一种相反的策略提出了在新的控制策略等系列转换器作为一个正弦电流源同相位的输入电压和并行转换器作为一个正弦电压源输入电压的阶段尽管差异两种控制策略功率流和稳态相量图的立的串并联UPS的策略在这篇文章中两个以上提到的性能策略是比较的稳态运行UPS是解释串并联首先被帮助pf相量图为了能进行一个公平的比较两种策略的动态性能的开环系统模型基于同步旋转坐标系 福 然后适当控制算法应用于两个系统在这一过程中解耦的控制中参数的两个帧必须做通过对比不同的标准如过渡之间备份待机模式动态性能复杂性的参考一代及大小的过滤器 II(系统基本在本节中不同模式的系统操作解释相量图的帮助这样做基本串并联结构随着符号显示在图2 a 将被使用待机模式在这种模式下低电压补偿来源注射 增加 一个适当的电压在系列负荷通过系列转换器需要多少能量的系列转换器是吸收从直流环节和并列转换器这个循环功率至多等于20的UPS相量图显示了与此相关的模式 b 待机模式在这种模式下源过电压补偿吸收 扣除 一个适当的电压在系列负荷通过系列转换器功率吸收系列转换器是注入直流环节并采用并行转换器转让到负荷 图2 c 待机模式在这个模式里系列转换器是闲置和并行提供无功功率转换器 或非一般所需的力 负荷 图2 d 所以没有是循环中直流环节d 备份模式在这种模式下该系统具有面对一个中断并采用并行转换器提供完全负荷没有有功功率变换器循环之间三系统为了能进行对比之间的动态两种策略的性能系统动力学模型在这两种策略该系统主要由两个电压型转换器一个在当前模式控制和另一个电压模式下的控制因此这两个操作方式的建 当前模式转换器模型图3显示了一个典型结构的电压型转换器在当前模式控制基本方程现场运行表明这样的电路重写 1 在同步旋转坐标系的量同步角速度方程显示之间的耦合项和问轴影响动态行为模型该耦合可以通过引入一些前馈补偿条款如图所示图中该解耦特别很重要在快速动态响应是期望从系统 b 电压模式转换的模型 图5显示了一个典型结构的电压型转换器在电压模式控制使用相同的程序中所描述的系统状态方程的同步可以得到旋转坐标系该系统有四个状态变量在这种情况下这 3 框图代表被显示在图6重复一遍d和问轴耦合关系能被观察可以使用该方法补偿的情况下用前面章节中所述如图7可以看出有两个圈框图外 环的输出也就是众所周知的电压回路作为参考的内循环被称为电流环每个环都有它自己的饲料前进状态变量来实现交叉解耦 四标准 在这一节中两种控制策略的性能从不同的观点相比答复杂的参考的世代的一个主要任务的任何权力控制算法空调系统是一代的参考信号转换器在本节中复杂的参考两个控制策略生成进行对比任何不准确和或延迟参考一代也会变坏UPS系统的性能一个主要的要求产生任何参考块同步与一线这是锁了街区讨论了在许多的文献]相似的两种方法第二个策略既转换器作为正弦电压电流源同步与源因此参考信号可以设置为对于转换器第一策略既转换器作为基本优先谐波电压电流源因此除了相似的第二个战略计算附加与谐波计算是必要的图10显示了一代的参考框图第一个策略ABC dq转型的存在谐波产生直流加上ac的数量一个低通滤波器 LPF 是通常的方法提取直流价值 对应基本频率 因此谐波相关术语是减少了主要从滤波信号这些信号然后加上来产生为参考信号转换器在第一个策略CONF达拉斯德克萨斯州2012年3月 [2]不间断电源系统UPS第三部分标准IEC 62040-3第一版1993年 [3]ANasiri论文《数字控制的三相串联不间断供电系统》IEEE电力电子技术2007年第四期 [4]comi《电能质量调节器集成系列的有源滤波器和并联型有源滤波器》IEEE1996年494-501 [5] L Gyugyi《供电系统的控制》电工学报1992年323-com会议1996年10月2389-2395 [6] S-J Jeon and G-H《并联补偿不间断供电电源》正弦波输入电流和正弦 波输出电压电子电子1997年297-303 [7]com达席尔瓦《电力电子工程》三相在线串并联补偿UPS系统与正弦波输入电流和输出电压第34次IEEE会议上1999年826-832 [8] X Li P Zhu Y Yang and J Chen《一个新的控制方案串并联补偿UPS系统》IEEE期刊2003年3月1133-1136 [9] P Vas《矢量控制交流电机》科学出版社1990年 [10] 桑托斯托雷斯《比较单相PLL算法用于UPS应用》工业电子IEEE第37期2008年8月2923-2932 附录5 外文文献 Analysis and compare the two control strategy series three-phase UPS The-this article two control strategy series three-phase ups systems are compared A series of parallel UPS and seriesconverter In this kind of layout most power load directly supply the price from ac line standbymode period Therefore the overall efficiency higher than a conven tional power Traditionally the structure of the control strategy is based on a series of voltage control switches and current control of parallel converter Recently however put forward a kind of opposite strategies namely voltage control of parallel converter and current control series of converter This paper compares the two kinds of control strategy By comparing the performance of different like the standard kup seamless transition between blood alcohol concentration bac and standby mode dynamic performance complexity and size reference generation filters in two strategies I NTRODUCTION Uninterrupted power supply UPS system to provide uninterrupted reliable and high quality of the important power load They in fact protecting sensitive load disturbance of all beings in the power of public networks such as the voltage change transient harmonic UPS system applications include medical facilities the life support system data storage and computer systems emergency equipment telecommunications industrial processing online management system In general a ideal UPS can save uninterrupted power supply and at the same time provide the necessary input power supply condition supply Therefore an ideal UPS there should be some important features like lower total harmonic distortion sinusoidal output voltage out good lineload regulation rate on-line operation means zero switch time mode from normal to backup and vice versa low out sine input current unity strength factor high reliability high efficiency low electromagnetic interference EMI and acoustical noise electrical isolation low maintenance low cost weight and size [1] Based on the IEC-62040-3 standards UPS can be divided into passive-standby line-interactive and double-conversion Each topology has its own characteristics and application where it placed the most suitable [2] Passive-standby UPS the main advantage is the result of simple low cost small volume Line control is passive therefore this technology has good robustness On the other hand between long switching time of the standby and backup model with nonlinear load and poor performance are the main this topology structure defects Although double-conversion is widely recognized in the superior performance of topology structure power adjustment and load protection low efficiency is the inherent topological structure of the double-conversion because the characteristics of the power supply Power pass through the rectifier and inverter even in standby mode mean higher power loss and low efficiency than passive-standby and line-interactive UPS systems Line-interactive UPS system the design of simple design high reliability reduce cost provide an attractive solution than online UPS systems Since this is a single phase transformation topology high efficiency Is inherently more than double-conversion UPS The major disadvantage is the fact that there is no output voltage in normal mode b because air-conditioner transducer is not true in parallel with the load [3] New line UPS topology with interactive series the advantages of both double-conversion and line-interactive UPS systems At the same time it can achieve unified power factor accurate adjustment output voltage high efficiency It contains two bidirectional converter link back to back common battery set a static switch and a series of transformer as shown in figure 1 Series parallel converter usually at about 20 and 100 selected the power rating In a similar manner the integration of series and parallel converter has been performed in other applications and unified power quality regulator UPQC [4] and unified power flow control UPFC [5] A parallel UPS system two operating mode spare backup In standby mode of operation when communication line is set in tolerance most of the power to the load the ac supply line directly Only a small fraction of the total power usually less than 20 across a series and parallel converter This the energy required to compensate for any different input and output voltage between for power factor correction In the backup mode operation when the input voltage is a default tolerance and static switch off the main travel ac power and parallel attract power converter as battery bank traditional dcac inverter provide uninterrupted power load As an important component of the standby mode in power consumption flows without conversion to ac line load the overall efficiency is higher than double-conversion UPS Consider this feature main double-conversion UPS system defect be eliminated without compromising on performance Therefore it is series UPS the topological structure of formidable competitor double-conversion UPS system in many applications it attracted a lot of attention researchers recently [6]-[9] Traditionally control strategy based on the power series voltage control series converters and general Control parallel converter [6]-[8] This strategy parallel converter direct compensation harmonic current and load reactive power output voltage regulation series converters However recently an opposite strategy puts forward [9] In the new control strategy series converters as a sine current source in phase with the input voltage and parallel converter as a sinusoidal voltage source input voltage phase Despite the differences between the two control strategy power flow and steady state vectorgrams are drawn independent series UPS strategy In this article two above mentioned performance strategy is compared Wide the steady-state operation of sichuan series UPS is explain was first help pf vectorgrams are drawn In order to do a fair to compare the two strategies of the dynamic performance of the open loop system model based on sync