UPS不间断电源毕业设计

张森毕业设计I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，本文以提高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。基于电源技术的高频化、模块化、数字化、绿色化的发展方向，本文结合现代电力电子技术以及信息处理技术的最新发展，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张森毕业设计IIABSTRACTWiththedevelopmentofthecomputertechnology,thenetworktechnology,communicationtechnology,inallthefieldsofthenationaleconomy,nationaldefenseandwarindustry,governmentministries,theymustdependonUPS(UninterruptiblePowerSystem)BytheprincipleofUPS,thispaperconsidersthedesignschemefromitsstructureandformatforincreasingitsreliability.Themainpowerdeviceismadeupofrectifier,charger,inverter,staticbypass,maintenancebypass.Rectifierandcharger(includingstoragebattery)offertheenergyinputofUPSwhenitisonline.InverterofferstheCVCF(ConstantVoltageandConstantFrequency)ACoutputwhenUPSisonline.Staticbypassoffersonlinebypasspowersupplywhenrectifier,charger,orinverterresultsinfaults,andtheswitchingbetweeninverterandstaticbypassisnotinterruptible.MaintenancebypassoffersbypasspowersupplywhenUPSneedsrepairingorMaintaining.Basedonthedevelopmenttrendofhigherfrequency,modularization,digitalization,andgreennessforpowertechnology,thispaperisrelevanttotherecentdevelopmentofmodempowerelectronicstechnologyandinformationprocessingtechnology,andhasstudiedtheabovemiddlecapacity(Above10KVA)onlineintelligentUPS,usingmicroprocessorascorecontrol.Keywords:UPSControlbymicroprocessorPowerElectronicsTechnologyIntelligent张森毕业设计I目录第一章概述………………………………………………………………11.1UPS的发展…………………………………………………………11.1.1UPS的发展历程……………………………………………11.1.2UPS的发展前景……………………………………………31.2本课题研究的目的和意义………………………………………41.3本课题的任务和要求……………………………………………51.3.1本课题的任务………………………………………………51.3.2本课题的要求………………………………………………5第二章系统整体设计方案………………………………………………72.1UPS电源不间断供电的原理………………………………………72.1.1负载间断供电的原因………………………………………72.1.2不间断供电的原理…………………………………………72.2系统整体设计原理框图…………………………………………92.3整流/充电器设计方案……………………………………………92.4逆变器设计方案…………………………………………………102.5旁路电源设计方案………………………………………………11第三章整流/充电器的设计……………………………………………123.1整流/充电器主回路设计………………………………………123.1.1整流变压器的设计………………………………………133.1.2直流滤波电抗器和滤波电解电容的设计………………143.1.3主回路电路………………………………………………153.2整流/充电器控制设计…………………………………………163.2.1微处理器与16位单片机…………………………………163.2.2整流/充电器的微机控制系统……………………………183.2.3整流/充电器的控制软件设计……………………………23第四章逆变器的设计…………………………………………………244.1PWM逆变器的原理………………………………………………24张森毕业设计II4.1.1逆变电路及其控制方式…………………………………244.1.2PWM逆变器的基本原理及PWM波的生成方法…………264.2UPS逆变器主回路设计…………………………………………294.2.1PWM型三相桥式IGBT逆变电路…………………………294.2.2逆变器输出变压器和静态开关…………………………334.2.3逆变器主回路电路………………………………………334.3UPS逆变器控制电路设计………………………………………344.4UPS逆变器控制软件设计………………………………………37第五章UPS旁路电源设计……………………………………………445.1静态旁路的基本原理…………………………………………445.2切换与控制技术………………………………………………445.3UPS静态旁路主电路……………………………………………465.4维修旁路………………………………………………………47第六章UPS系统抗干扰设计…………………………………………486.1干扰源…………………………………………………………486.2干扰对UPS电源的影响…………………………………………486.3EMC与抗干扰设计………………………………………………496.3.1EMC简介…………………………………………………496.3.2抗干扰的方法……………………………………………506.3.3UPS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部分设计方案图张森毕业设计1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(UninterruptiblePowerSystem)的出现，为解决这个问题提供了广阔的前景。1.1UPS的发展1.1.1UPS的发展历程最初的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。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，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。图1-1早期UPS典型框图随着电力电子学(功率电子学)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1-2所示。其基本原理是：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；当逆变器整流器直流电动机交流发电机设备蓄电池市电张森毕业设计2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静态UPS典型框图静态UPS的工作方式有在线式和后备式(OnlineandOffline)，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，比如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。比如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、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、整流器逆变器转换开关负载蓄电池组旁路电源市电张森毕业设计3DELTEC、休康等。近期又出现了不间断蓄电池系统UBS(UninterruptedBatterySystem)，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。图1-3UPS典型框图1.1.2UPS的发展前景从以上UPS的发展历程可看出，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发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