[精品論文]單相在線式數(shù)字化UPS的設(shè)計(論文)

畢業(yè)設(shè)計課程定做 QQ1714879127電力電子技術(shù)課程設(shè)計任務(wù)書一、課程設(shè)計的目的通過電力電子計術(shù)的課程設(shè)計達到以下幾個目的：1、培養(yǎng)學生文獻檢索的能力，特別是如何利用Intel網(wǎng)檢索需要的文獻資料。2、培養(yǎng)學生綜合分析問題、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。3、培養(yǎng)學生運用知識的能力和工程設(shè)計的能力。4、提高學生課程設(shè)計報告撰寫水平。二、課程設(shè)計的要求1. 自立題目1班題目方向：三相可控整流技術(shù)的工程應(yīng)用2班題目方向：有源逆變技術(shù)的工程應(yīng)用3班題目方向：降壓斬波變換技術(shù)的工程應(yīng)用4班題目方向：交流調(diào)壓或交流調(diào)功技術(shù)的工程應(yīng)用5班題目方向：升壓斬波變換技術(shù)的工程應(yīng)用6班題目方向：變頻技術(shù)的工程應(yīng)用7班題目方向：單相可控整流技術(shù)的工程應(yīng)用注意事項： 所立題目必須是某一電力電子裝置或電路的設(shè)計，題目難度和工作量要適應(yīng)在一周內(nèi)完成，題目要結(jié)合工程實際。學生也可以選擇規(guī)定題目方向外的其它電力電子裝置設(shè)計，如開關(guān)電源、調(diào)光燈、鎮(zhèn)流器、UPS電源等，但不允許選擇其他班題目方向的內(nèi)容設(shè)計（復(fù)合變換除外）。 通過圖書館和Intel網(wǎng)廣泛檢索和閱讀自己要設(shè)計的題目方向的文獻資料，確定適應(yīng)自己的課程設(shè)計題目。自立題目后，首先要明確自己課程設(shè)計的設(shè)計內(nèi)容。要給出所要設(shè)計裝置（或電路）的主要技術(shù)數(shù)據(jù)（如輸入要求，輸出要達到的目標，裝置容量的大小以及裝置要具有哪些功能）。如：直流電動機調(diào)壓調(diào)速可控整流電源設(shè)計主要技術(shù)數(shù)據(jù)輸入交流電源：三相380V10% f=50Hz直流輸出電壓：0220V50220V范圍內(nèi)，直流輸出電流額定值100A直流輸出電流連續(xù)的最小值為10A設(shè)計內(nèi)容：整流電路的選擇整流變壓器額定參數(shù)的計算晶閘管電流、電壓額定的選擇平波電抗器電感值的計算保護電路的設(shè)計觸發(fā)電路的設(shè)計畫出完整的主電路原理圖和控制電路原理圖列出主電路和控制電路所用元器件的明細表2. 在整個設(shè)計中要注意培養(yǎng)靈活運用所學的電力電子技術(shù)知識和創(chuàng)造性的思維方式以及創(chuàng)造能力要求具體電路方案的選擇必須有論證說明，要說明其有哪些特點。具體電路元器件的選擇應(yīng)有計算和說明。課程設(shè)計從確定方案到整個系統(tǒng)的設(shè)計，必須在檢索、閱讀及分析研究大量的相關(guān)文獻的基礎(chǔ)上，經(jīng)過剖析、提煉，設(shè)計出所要求的電路（或裝置）。課程設(shè)計中要不斷提出問題，并給出這些問題的解決方法和自己的研究體會。（注意：所確定的主電路方案如果沒有論證說明，成績不能得優(yōu)；設(shè)計報告最后給出設(shè)計中所查閱的參考文獻最少不能少于5篇，且文中有引用說明，否則也不能得優(yōu)）。3. 在整個設(shè)計中要注意培養(yǎng)獨立分析和獨立解決問題的能力要求學生在教師的指導(dǎo)下，獨力完成所設(shè)計的系統(tǒng)主電路和控制電路等詳細的設(shè)計（包括計算和器件選型）。嚴禁抄襲，嚴禁兩篇設(shè)計報告基本相同，甚至完全一樣。4. 課題設(shè)計的主要內(nèi)容是主電路的確定，主電路的分析說明，主電路元器件的計算和選型，以及控制電路設(shè)計。報告最后給出所設(shè)計的主電路和控制電路標準電路圖（最好用電子CAD）。5. 畢業(yè)設(shè)計用紙和格式統(tǒng)一 A4紙打?。撨吘啵荷舷伦笥腋髁?.8cm） 大標題：3號字 小標題：4號字 正文：小4號字 要求圖表規(guī)范，文字通順，邏輯性強。三、課程設(shè)計報告基本格式封面： 電力電子技術(shù)課程設(shè)計（題目）如：電鍍用可控整流電源設(shè)計指導(dǎo)教師：蘇玉剛設(shè) 計 者： 學號：專 業(yè)：自動化班 級： 2002 級 1 班設(shè)計日期：目錄內(nèi)容：1. 設(shè)計的基本要求（給出所要設(shè)計的裝置的主要技術(shù)數(shù)據(jù)和設(shè)計裝置要達到的要求（包括性能指標），最好簡述所設(shè)計裝置的主要用途）2. 總體方案的確定原則：達到性能要求 經(jīng)濟性好（一次投資和二次投資） 追求高性能價格比 高可靠性 維護維修方便3. 具體電路設(shè)計（主電路設(shè)計、控制電路設(shè)計等）4. 附錄（電路圖和元器件明細表等）5. 參考文獻重慶大學自動化學院 蘇玉剛目錄引言 -5UPS的分類:- -52.1.在線式UPS(On-LineUPS,InverterPreferredUPS)-52.2.后備式UPS(Off-LineUPS,LinePreferredUPS) -62.3.三端口UPS(DeltaUPS,InteractiveUPS)-6系統(tǒng)設(shè)計-63.1系統(tǒng)技術(shù)性能指標-73.2總體設(shè)計方案-73.2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案:-73.2.2 UPS主電路拓撲結(jié)構(gòu)方案-83.2.3 主控制單元組成方案-83.3系統(tǒng)主要元、部件參數(shù)選擇與設(shè)計-93.3.1 電力電子模塊-93.3.2 主控芯片模塊-93.4控制器的設(shè)計原理與設(shè)計過程-93.4.1 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)原理-93.4.2 系統(tǒng)控制執(zhí)行電路-133.5小結(jié):-14總結(jié)-14UPS總體結(jié)構(gòu)電路圖-14參考文獻-15單相在線式數(shù)字化UPS的設(shè)計引言 最初的UPS電源是在二十世紀六十年代出現(xiàn)的靠電動機所帶飛輪慣性提輸出電源的質(zhì)量和提供后備供電時間(一般不超過5秒);然后出現(xiàn)了以蓄電池組供電給直流電動機帶交流發(fā)電機提供后備電源的供電系統(tǒng)，這種方式供電效率較低再后來是靠內(nèi)燃機提供后備供電的UPS電源，這種UPS設(shè)備龐大笨重、操作不夠靈活、而且效率低、噪聲大。這些都是動態(tài)方式的UPS電源。 隨著電力電子學的發(fā)展，可實現(xiàn)大功率的電能轉(zhuǎn)換，于是出現(xiàn)了靜態(tài)UPS,這種UPS具有沒有振動、噪音低、體積小、控制靈活、效率高等優(yōu)點，現(xiàn)代UPS基本上都是靜止型的。隨著電力電子技術(shù)微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，UPS技術(shù)也正在朝著高頻化、綠色化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的方向不斷前進，具體表現(xiàn)在: a)采用IGBT.智能功率模塊IPM或IGCT等作為功率器件，改善了逆變器性能，如降低噪聲、減小體積。 b)采用如SPWM調(diào)制技術(shù)、空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)(SVPWM)、提高電壓利用率的準優(yōu)化PWM技術(shù)以及用于高壓高頻的HVSOPWM技術(shù)等。 c)在主功率部分與控制方式相結(jié)合采用軟開關(guān)技術(shù).軟開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用使變換器具有更高的效率自身損耗大大降低,更高的功率密度自身體積、重量大大減小，以及更高的可靠性;并可有效地減小電能裝置引起的電磁污染 (EMI)和環(huán)境污染 (噪聲等)。 d)輸入端采用功率因數(shù)矯正技術(shù)(PFC)減小了UPS對電網(wǎng)的污染并提高了效率。 e)使用高性能微處理器和信號處理技術(shù)控制和監(jiān)視UPS運行并進行網(wǎng)絡(luò) 通信。全數(shù)字化易于實現(xiàn)計算機的處理和控制，便于修改策略、修控制參數(shù)，便于故障監(jiān)測、自診斷、容錯、通信等技術(shù)的植入。同時幅度的減少了元器件的數(shù)量，提高了裝置的可靠性。 f) 采用網(wǎng)絡(luò)化管理，使用戶能更方便的、實時的監(jiān)控UPS系統(tǒng)的運行。 UPS的分類:現(xiàn)代UPS的型號.品種很多,工作方式也各不完全相同,大體上可分為三大類:在線式、后備式和三端口方式。2.1 在線式UPS(On-LineUPS,InverterPreferredUPS):圖1一I為在線式UPS的原理框圖。在線式UPS無論市電是否正常，其功率流程都是 “市電-EMI(ElectroMagneticInterference)濾波一整流濾波(掉電時為電池)-逆變器-靜態(tài)開關(guān)-輸出”。只有當逆變器發(fā)生故障或過負荷時,才通過靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)切換到市電旁路，其功率流程是 “市電-EMI濾波-靜態(tài)開關(guān)-輸出”。有的用戶還備有柴油發(fā)電機，可以在市電停電5-10秒之內(nèi)投入 到UPS電源的輸入端，可以在長時間停電的情況下向用戶提供高質(zhì)量的正弦波 電源。圖1一1只是在線式UPS的大體框架，有幾種不同設(shè)計:有的UPS將充電器部分和整流濾波部分設(shè)計成一個單元，既為逆變器提供負載電流，又為電池充電;有的UPS將進入逆變器的直流電進行DC/DC變換，升壓后再經(jīng)逆變器變換成要得到的220V交流電;有的UPS則在逆變器后加工頻變壓器將輸出交流電壓升到220V. 2.2.后備式UPS(Off-LineUPS,LinePreferredUPS) 后備式UPS的原理結(jié)構(gòu)和在線式基本一樣，但工作方式不一樣。市電電壓 在170-264V的范圍內(nèi)時，它向用戶提供經(jīng)變壓器抽頭調(diào)壓處理的一般市電電源，僅當市電電源電壓低于170V或高于264V時，才向用戶提供真正的逆變器 輸出的高質(zhì)量的正弦波電源。還有一種逆變器輸出是方波的后備式UPS,這種電 源不允許用戶使用電感性負載。 2.3.三端口UPS(DeltaUPS,InteractiveUPS) 三端日UPS如圖1-2所示，它的結(jié)構(gòu)與在線式和后備式不同。市電正常時，市電經(jīng)濾波穩(wěn)壓后通過三端口轉(zhuǎn)換開關(guān)(有的是三端口變壓器)分別給輸出和雙 向變換器，雙向變換器整流給電池充電:當市電掉電時，雙向變換器逆變經(jīng)三端 口轉(zhuǎn)換開關(guān)給負載供電。 三端口UPS又分成在線互動式、Delta變換型和三端口結(jié)構(gòu)方式。在線互動 式當電源電壓在180-240V時，直接供電，在150-180V或240276V時采用變壓器抽頭穩(wěn)壓方式穩(wěn)壓，其余范圍采用逆變器供電;Delta變換型在電源電壓波動小于士15%,頻率波動小于土3HZ時采用串聯(lián)補償變壓器交流穩(wěn)壓控制技術(shù)方式穩(wěn)壓，其他范圍使用逆變器供電;三端口結(jié)構(gòu)方式利用鐵磁諧振變壓器的諧振原理穩(wěn)壓?？梢钥闯鏊鼈冎皇欠€(wěn)壓方式不同，但有一個共同點:都有一個雙向變換器在市電正常時整流給電池充電，市電質(zhì)量差到一定程度時逆變給負載供電。從上面介紹的UPS種類來看，在線式UPS的性能是最好的,下面設(shè)計就選用在線式結(jié)構(gòu):系統(tǒng)設(shè)計3.1系統(tǒng)技術(shù)性能指標系統(tǒng)容量 系統(tǒng)設(shè)計功率 3.35KVA 帶負載能力 系統(tǒng)過載120% 運行一分鐘 交流輸入 標稱電壓 220V110% 標稱頻率 50Hz5% 相數(shù) 1相 旁路輸入 標稱電壓 220V110% 標稱頻率 50Hz5% DC系統(tǒng) 標稱DC電壓 218V 截止電壓 165相數(shù) 1相 標稱電壓 220V5% 標稱頻率 50Hz0.5 交流輸出 輸出波形 正弦波 3.2總體設(shè)計方案系統(tǒng)主要由UPS主電路拓撲結(jié)構(gòu)、主控單元、各種系統(tǒng)信號檢測電路、保護電路、充電器、逆變驅(qū)動、輔助電源、鍵盤和顯示、遠程通信接口等電路組成。3.2.1 3.75kVA數(shù)字化在線式單相UPS的系統(tǒng)總體設(shè)計方案:3.2.2 UPS主電路拓撲結(jié)構(gòu)方案:UPS電源主電路拓撲結(jié)構(gòu)是UPS的功率組成部分。其山市電輸入整流橋B1.直流母線BUS.直流母線限流電阻R1、直流穩(wěn)壓濾波電容C1.1GBT功率逆變橋,輸出變壓器T1及輸出濾波電容C2等電路組成。其中由四個絕緣柵極型晶體管IGBT組成的逆變橋(S1-S4)和輸出變壓器T1及輸出濾波電容C2組成的UPSiE 弦逆變電源是UPS設(shè)計中的主要被控對象3.2.3主控制單元組成方案其相應(yīng)的功能組成如下: (1)產(chǎn)生驅(qū)動IGBT模塊的脈沖信號 (2)對IGBT模塊進行瞬時保護 (3)使UPS輸出電壓穩(wěn)定、改善UPS輸出波形 (4)對電池狀態(tài)及充放電參數(shù)進行監(jiān)控 (5)與外圍接口電路(CPLD)一起共同完成鍵盤輸入與LCD顯示功能 (6)提供UPS系統(tǒng)運行狀態(tài)的遠程監(jiān)控接口3.3 系統(tǒng)主要元、部件參數(shù)選擇與設(shè)計3.3.1電力電子模塊 電力電子模塊是構(gòu)成UPS逆變器的關(guān)鍵部件之一，它的質(zhì)量優(yōu)劣對系統(tǒng)性能 影響較大。以本設(shè)計功率335KVA計算，輸出功率因數(shù)為0.8，直流母線電壓大約為220V，則需選擇的電力電子模塊的主要參數(shù)如下:(1)BVceo(器件擊穿電壓) BVceo=(3-4)V, =(3-4)x11OV =330-440V 上面等式前的系數(shù)是考慮了系統(tǒng)3-4倍的裕量,，Va取110V是因為一個橋臂上有兩只電力電子器件串聯(lián)共同分壓。根據(jù)計算，選擇BVceo為V600.(2)Icat(最大通流電流) 1cm=Po/&E 考慮到蓄電池放電終了時，仍能維持滿載輸出:另外考慮到占空比S 為0.3時，也能維持滿載輸出，則Icm= 3xl000/(0.3xl6xl0.5)=60A3.3.2 主控芯片模塊 考慮到數(shù)字化控制系統(tǒng)的快速性，方案中所選DSP主控芯片為TI(Texas Instruments)公司的TMS320LF2407芯片，它具有高速信號處理和數(shù)字控制功能所必須的結(jié)構(gòu)特點: (1)40MHz的內(nèi)部時車.下卜，指令周期僅為25ns; (2)高達32K的FLASH程序存儲空間; (3)16K字x16位的閃速EEPROM(FLASHEEPROM); (4)兩個事件管理模塊(Event-ManagerModule) 。12路CMP(PWM輸出); 。3個16位定時器; 。3個具有死區(qū)控制的16位全比較單兀，3個16位單比較單元; (5)十位A/D轉(zhuǎn)換器(最小轉(zhuǎn)換時間僅為500ns);3.4 控制器的設(shè)計原理與設(shè)計過程3.4.1 控制結(jié)構(gòu)原理:為了結(jié)合實際設(shè)計的情況、簡化設(shè)計，我在上述分析上述各控制器策略的基礎(chǔ)上，將數(shù)字伺服系統(tǒng)的控制原理運用于單相UPS正弦逆變器控制設(shè)計中，設(shè)計了自己的單相UPS正弦逆變控制器。其設(shè)計的基本思想是:將UPS的逆變電源看作一個參考正弦波的隨動系統(tǒng)，即其輸出始終跟隨標準正弦波，設(shè)計中將控制系統(tǒng)中分為內(nèi)、外兩環(huán)。在被控對象數(shù)學模型分析中，將輸出負載電流視為對系統(tǒng)的擾動，通過內(nèi)環(huán)狀態(tài)反饋來消除擾動.實現(xiàn)輸出的穩(wěn)定，減少輸出電壓的總諧波畸變率(THD)，同時根據(jù)數(shù)字無差拍控制的原理通過狀態(tài)反饋將系統(tǒng)極點配置在零點，以實現(xiàn)輸出對參考正弦波的快速跟隨，從而提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能,實現(xiàn)系統(tǒng)的無差拍響應(yīng).在三外環(huán)路的控制中，利一個簡單的積分器來消除系統(tǒng)輸出的睜態(tài)誤差，從而提高了系統(tǒng)的靜態(tài)響應(yīng)性能。綜合上述，單相UPS逆變控制器結(jié)構(gòu)原理圖如圖:圖中 的 E 為直流母線電壓和輸出變壓器的變比之積，相當于全橋逆變模塊( 此時的輸入為PWM平均電壓輸入)和輸出變壓器對控制量的功率放大單元。將反饋電壓衰減220萬倍一方面是為了作歸一化處理，另一方面相當于逆變輸出電壓檢測中對反饋信號進行的降壓處理。r(k)為單位參考正弦波。圖中 可 以 看出，此控制器由兩部分組成。一是由狀態(tài)反饋組成的內(nèi)環(huán)，它的作用在于對系統(tǒng)的鎮(zhèn)定(無負載的情況下)和減少負載電流對輸出電壓的影響，從而達到穩(wěn)定輸出電壓,提高系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)性能的目的;系統(tǒng)的外環(huán)是由輸出反饋與一個誤差積分器組成的。積分器的作用相當重復(fù)控制器的作用，用以減少系統(tǒng)的靜態(tài)誤差同時穩(wěn)定系統(tǒng)輸出頻率及相位。之所以沒有使用重復(fù)控制器，是因為積分器的結(jié)構(gòu)簡單卻能得到令人滿意的效果。由閉環(huán)狀態(tài)反饋系統(tǒng)圖可得，系統(tǒng)的輸入方程為:令,則積分器的方程為:于是:同理可推得:對于整個閉環(huán)系統(tǒng)，可以得到下列狀態(tài)方程和輸出方程式中所以，如何來確定參數(shù)K和K:是控制系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵.對于階躍輸入r(k)=r響應(yīng)，當k趨向無窮大時，x(k),v(k),io(k)趨向常數(shù)。將k=。代入上述狀態(tài)方 程，可得定義:則由式3,27和式3.29可得定義:則3.31式可以改寫為式中方程式333與3.34表現(xiàn)為標準的狀態(tài)空間方程形式，如圖3.12所示。其有兩個輸入端，一個是系統(tǒng)自身的狀態(tài)反饋;另一個是負載誤差電流，其相當于系統(tǒng)的干擾輸入項。根據(jù)狀“態(tài)反饋IC矩陣是基于由干擾引起的誤差很快減小到零的原則建立的”這一原理，增益矩陣K可以用極點配置方法求出。閉環(huán)狀態(tài)反饋系統(tǒng)圖數(shù)字控制系統(tǒng)的無差控制原理指出，當將系統(tǒng)的極點配置在原點時，系統(tǒng)的響應(yīng)是無差拍的。這樣，期望的狀態(tài)反饋增益矩陣無可以由Ackermann公式得到:進而可以求得UPS正弦逆變控制系統(tǒng)的參數(shù)K,Ki.3.4.2 系統(tǒng)控制執(zhí)行電路 UPS系統(tǒng)組成中，為完成一定的控制功能，必須備有一套系統(tǒng)控制執(zhí)行電路。系統(tǒng)電源啟動電路圖圖5.9為系統(tǒng)電源啟動電路.當圖中RUN與OFF相互短接時，引起Q9導(dǎo)通 進而Q4,Q5導(dǎo)通，系統(tǒng)工作電源啟動。二極管D23送出直流電池電壓。系統(tǒng)電源關(guān)斷電路圖由于UPS在電池供至電放電終了時，整個系統(tǒng)必須關(guān)機;因此系統(tǒng)電源開啟后應(yīng)能被控制關(guān)斷。當控制器檢Aa到電池電壓低時(低于165v)，送出BATLL電池 電壓低信號，經(jīng)比較器U15放大觸發(fā)U13復(fù)位。觸發(fā)器U13的友泣將使月圖cn Gti的光禍U1TLP521的3,4腳導(dǎo)通從而關(guān)斷Q9關(guān)斷，進而Q4,Q5也被關(guān)斷,系統(tǒng)供電中止。3.5 小結(jié): 本文基于數(shù)字伺服控制算法的UPS正弦逆變器控制策略, 進而提出了一套基于DSP的單相在線式數(shù)字化UPS的設(shè)計方案與設(shè)計方法.為