UPS不間斷電源畢業(yè)設計

1、摘 要隨著計算機技術、網絡技術、通信技術的發(fā)展，國民經濟、國防軍工、政府部門的各個領域要保障計算機信息網絡系統(tǒng)的安全、可靠運行，就離不開UPS不間斷電源，這已成為信息業(yè)界乃至各行各業(yè)的共識。根據UPS不間斷供電的原理，本文以提高UPS的可靠性為基本點，從UPS電源裝置的結構和形式來考慮其設計方案。整個UPS主電源裝置由整流/充電器、逆變器、靜態(tài)旁路、維修旁路等部分組成。整流/充電器(包括蓄電池)為UPS提供在線工作的能量輸入；逆變器為UPS提供在線工作的高質量的穩(wěn)壓穩(wěn)頻的交流電輸出；靜態(tài)旁路為UPS在整流/充電器或者逆變器故障情況下提供旁路工作電源，逆變器供電和靜態(tài)旁路供電之間可實現(xiàn)不間斷供電

2、切換；維修旁路為UPS定期檢修或故障維修時提供旁路電源?；陔娫醇夹g的高頻化、模塊化、數字化、綠色化的發(fā)展方向，本文結合現(xiàn)代電力電子技術以及信息處理技術的最新發(fā)展，利用微機作為控制核心，研究和開發(fā)大功率(10kVA以上)在線式智能UPS不間斷電源。關鍵詞： 不間斷電源 微機控制 電力電子技術 智能化 ABSTRACTWith the development of the computer technology, the network technology, communication technology, in all the fields of the national economy,

3、 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 of rectifier, charger, inve

4、rter, 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 power supply when rectifier,

5、 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, digitalization, and greenness

6、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.Keywords: UPS Control by microproce

7、ssor Power Electronics Technology Intelligent目 錄第一章 概述11.1 UPS的發(fā)展11.1.1 UPS的發(fā)展歷程 11.1.2 UPS的發(fā)展前景 31.2 本課題研究的目的和意義 41.3 本課題的任務和要求 51.3.1 本課題的任務51.3.2 本課題的要求5第二章 系統(tǒng)整體設計方案72.1 UPS電源不間斷供電的原理72.1.1 負載間斷供電的原因72.1.2 不間斷供電的原理72.2 系統(tǒng)整體設計原理框圖 92.3 整流/充電器設計方案92.4 逆變器設計方案102.5 旁路電源設計方案11第三章 整流/充電器的設計123.1 整流/充電

8、器主回路設計 123.1.1 整流變壓器的設計 133.1.2 直流濾波電抗器和濾波電解電容的設計 143.1.3 主回路電路 153.2 整流/充電器控制設計 163.2.1 微處理器與16位單片機 163.2.2 整流/充電器的微機控制系統(tǒng)183.2.3 整流/充電器的控制軟件設計23第四章 逆變器的設計 244.1 PWM逆變器的原理244.1.1 逆變電路及其控制方式244.1.2 PWM逆變器的基本原理及PWM波的生成方法 264.2 UPS逆變器主回路設計294.2.1 PWM型三相橋式IGBT逆變電路 294.2.2 逆變器輸出變壓器和靜態(tài)開關334.2.3 逆變器主回路電路33

9、4.3 UPS逆變器控制電路設計344.4 UPS逆變器控制軟件設計37第五章 UPS旁路電源設計 445.1 靜態(tài)旁路的基本原理 445.2 切換與控制技術 445.3 UPS靜態(tài)旁路主電路465.4 維修旁路 47第六章 UPS系統(tǒng)抗干擾設計 486.1 干擾源 486.2 干擾對UPS電源的影響486.3 EMC與抗干擾設計496.3.1 EMC簡介 496.3.2 抗干擾的方法506.3.3 UPS電源抗干擾措施 50結論53致謝55參考文獻 56附：大功率UPS供電系統(tǒng)原理框圖及各部分設計方案圖第一章 概 述自從電子設備特別是計算機問世以來，電源問題一直是人們十分關心的問題。對于一些

10、特殊位置的重要設備，人們不但關心其供電電源本身的性能指標，更注重供電電源的質量，即供電的穩(wěn)定性和不間斷性。因為這些設備的電源一旦出現(xiàn)不穩(wěn)定或者消失，就將造成非常大的損失，甚至無可挽回的損失。所幸的是不間斷電源UPS(Uninterruptible Power System)的出現(xiàn)，為解決這個問題提供了廣闊的前景。1.1 UPS的發(fā)展1.1.1 UPS的發(fā)展歷程最初的UPS是本世紀六十年代初由旋轉電動機供應能量的動態(tài)UPS，即不間斷是靠動能維持。這種早期UPS的輸出穩(wěn)定是靠慣性飛輪對短時間電壓突變和干擾無反應；不間斷性是靠斷電后飛輪的慣性延長供電時間。當然這種UPS的后備時間是很短的(一般不超過

11、5秒)，于是人們開始使用備用蓄電池組，這是早期UPS的典型結構，框圖如圖1-1所示。這樣的UPS雖然可以靠增大蓄電池容量來延長后備時間，但轉換效率低，于是出現(xiàn)了內燃式UPS系統(tǒng)，這種UPS靠內燃機提供斷電后的能量。動態(tài)UPS設備龐大笨重、操作不夠靈活、而且效率低、噪聲大。整流器直流電動機交流發(fā)電機設備蓄電池市電圖1-1 早期UPS典型框圖隨著電力電子學(功率電子學)的發(fā)展，為實現(xiàn)大功率的電能轉換，于是出現(xiàn)了靜態(tài)UPS，它的主電路和控制電路均采用半導體器件，它也是目前絕大多數概念中的UPS，其典型框圖如圖1-2所示。其基本原理是：市電輸入經整流器將交流電變成直流電，一方面給蓄電池組充電，另一方面

12、為逆變器提供能量，再將直流電變成交流電經轉換開關送到負載；當逆變器發(fā)生故障時，另一路備用電源(旁路電源)經過轉換開關實現(xiàn)向負載供電。整流器逆變器轉換開 關負載蓄電池 組旁路電源市電圖1-2 靜態(tài)UPS典型框圖靜態(tài)UPS的工作方式有在線式和后備式(Online and Offline)，兩者主體結構大體相同，只是后者在市電正常時工作在旁路(Bypass)，而前者只有當逆變器故障或過載時才由旁路電源供電。一般來說，從性能上講，在線式優(yōu)于后備式;從容量上講，后備式一般不大于3KVA，而在線式不受此限制，目前單機容量可以做到600KVA以上，比如M.G, EXIDE, SOCOMEC等公司。UPS的裝

13、機容量正不斷擴大，并聯(lián)成為擴大容量或者冗余系統(tǒng)的必然方法。比如M.G, EXIDE等公司的UPS機內信號用微機處理、通訊采用普通信號，而SIEL公司采用光纖通訊OSC系統(tǒng))，從而實現(xiàn)多臺UPS的同相同幅、均負載的功能。由于單相進單相出給市電配電帶來極大困難，于是出現(xiàn)了三相入單相出(3/1)的UPS，其最大容量可達60KVA以上，這種單相輸出的UPS在切換到旁路時、滿負載情況下市電對應的一相將嚴重超載，因此廠家推出了三相入三相出的UPS產品，而且有三相負載100%不平衡產品，如IPM, SOCOMEC, BORRI, MEISSNER, SAVIN,VICTRON等公司的UPS產品。為改善后備式

14、UPS的供電質量，人們研制了凈化UPS，即將凈化電源加在旁路電源上，如國產寶合UPS產品。結合后備式UPS效率高和在線式UPS供電質量高的優(yōu)點，人們提出了三端口UPS。它使得離線式和在線式有機結合在一起，產品如APC、BEST、 DELTEC、休康等。近期又出現(xiàn)了不間斷蓄電池系統(tǒng)UBS(Uninterrupted Battery System)，見圖1-3所示。它結合了動態(tài)UPS和靜態(tài)UPS的優(yōu)點，只是噪聲稍大，主要應用于特殊場合，如野外、地下室等環(huán)境惡劣的場所。柴油發(fā)電 機蓄電池UPSOUT圖1-3 UPS典型框圖1.1.2 UPS的發(fā)展前景從以上UPS的發(fā)展歷程可看出，UPS從當初單一的動

15、態(tài)存儲式到今天多類型多品種動態(tài)、靜態(tài)、動靜結合、在線式、后備式(離線式)、后備在線交叉式等。隨之，UPS的應用領域也從當初單一的計算機用戶發(fā)展到今天計算機系統(tǒng)、網絡系統(tǒng)在內的能源(如電力)、醫(yī)藥、農林、交通、天文、地理、通訊系統(tǒng)(如網絡通訊)等領域；后備時間從當初的幾秒鐘到今天的幾小時、幾十小時甚至更常的時間；特別是從技術內含意義上講，從當初單一的機械式到今天包羅了當代全部的電子技術:從微電子學到功率電子學，從線性電路到數字電路，從計算機硬件到軟件，從電信號通訊到光纖通訊以及機電一體化技術。隨著微電子技術和電力電子技術的不斷發(fā)展，電源技術的高頻化、模塊化、數字化、綠色化成為發(fā)展趨勢，UPS不間

16、斷電源也不例外。電力電子功率器件的高頻化和模塊化使得UPS電源產品的體積和重量大大減小，而可靠性和效率得以提高，可帶來顯著節(jié)能、降耗的可觀經濟效益。微處理器軟硬件的引入，可以實現(xiàn)對UPS的智能化管理，進行遠程維護和遠程診斷。從而為UPS電源產品的數字化、智能化提供了堅實的基礎。隨著人們對環(huán)境保護意識的加強，電源系統(tǒng)的綠色化概念被提出。所謂電源綠色化首先是顯著節(jié)能，因為節(jié)電可以減少發(fā)電對環(huán)境的污染；其次是電源不能(或少)對電網產生污染。事實上許多功率電子節(jié)能設備往往是電網的污染源：向電網注入嚴重的諧波電流，使得總的功率因素下降，使電網電壓產生毛刺尖峰甚至畸變。20世紀末各種有源濾波器和有源補償器

17、的方案誕生，有了功率因數校正PFC（Power Factor Corrector)方法，為21世紀UPS電源產品的綠色化奠定了基礎。由此可看出，UPS已當之無魄成為當代高科技成員，而且正隨著電力電子技術、計算機技術、網絡技術等相關技術的發(fā)展而不斷發(fā)展。1.2 本課題研究的目的和意義早期的UPS產品因電子技術及相關技術、工藝水平等方面的限制，備用時間短，智能性差，所以主要作為計算機的備用電源，其它行業(yè)涉及較少，因而普及率很低。但是，隨著微型計算機應用的日益普及和信息處理技術的不斷發(fā)展，人們對供電的質量要求越來越高。這是因為在微型計算機特別是企、事業(yè)單位的計算機網絡運行期間供電的中斷，將會導致隨機

18、存儲器中數據的丟失和程序的破壞，有時甚至會使磁盤盤面及磁頭遭到損壞，造成難以彌補的損失。不但如此，隨著國民經濟的發(fā)展，生產力水平的提高各行各業(yè)的許多關鍵設備對電源的要求也是如此。于是高性能、高可靠性UPS越來越受到人們的關注。從國防、航天、科研到醫(yī)療衛(wèi)生、工農業(yè)生產、交通運輸，從銀行證券到商貿銷售，從通訊行業(yè)直至以信息高速公路為代表的新興信息產業(yè)(IT)，無不用到UPS不間斷電源。而且，隨著電子技術的發(fā)展，特別是計算機技術及計算機網絡技術的發(fā)展，人們對UPS的要求越來越高：不但要求供電質量高，而且要求智能化，這也是科學技術發(fā)展的必然趨勢。人們希望將現(xiàn)代電子技術、信息技術、控制技術、計算機網絡技

19、術等UPS相關技術應用于UPS不間斷電源，使UPS電源供電系統(tǒng)變得越來越完善，對各種性質的負載適應性更強，產品種類更齊全。實際上，UPS經過近四十年的發(fā)展至今，性能指標基本相似，不同點在于功能上的拓寬、創(chuàng)新及可靠性的高低。PWM(脈寬調制)技術和功率晶體管及組合管、功率MOS管、IGBT等己被UPS普遍采用，從而降低了UPS的可聞噪聲，提高了效率和可靠性。特別是自80年代以來，微處理器技術、計算機技術、網絡工程的迅猛發(fā)展，并引入UPS領域，大大拓寬了UPS的功能。顯示方式從數碼顯示到液晶顯示，使得人機“對話”更加方便。利用CPU的強大處理功能，可做到自動診斷、自動開關機、自動打印運行記錄，起到

20、監(jiān)控、管理系統(tǒng)的作用。隨著UPS在計算機網絡中的應用不斷發(fā)展，UPS不再是單純供電、僅僅保護服務器，而是強調以整個網絡為保護對象。用戶希望UPS保護的對象不再是特定的運算設備為主，而是讓網絡在電源出現(xiàn)異常時，仍然可以繼續(xù)工作而不中斷。因此，UPS監(jiān)控防護軟件是UPS的新發(fā)展，這種軟硬件的新搭配有助于大幅度提高UPS的功能，使其趨向人性化；同時大大拓寬了UPS在計算機及網絡中的應用。智能UPS就是在這種形勢要求下發(fā)展起來的。所謂智能UPS就是將傳統(tǒng)UPS通過與PC上位機相連的硬件接口，結合特殊設計的軟件(稱為監(jiān)控軟件)以提供電源和資料的雙重保護。因此監(jiān)控軟件是UPS智能化的關鍵部分。目前UPS各

21、大廠家都將UPS的監(jiān)控軟件作為產品竟爭力的一個重要籌碼。UPS不間斷電源本身是集數字與模擬技術、數字通訊技術、電力電子技術、微處理器及軟件編程等技術于一體的密集型電子產品。另外，隨著微處理器和計算機應用的普及，將其引入UPS系統(tǒng)，研制智能UPS是UPS發(fā)展的必然趨勢。UPS的發(fā)展，并由此推動與之相關技術的發(fā)展，這也是我選擇本課題的初衷之一。1.3 本課題的任務和要求1.3.1 本課題的任務本課題的任務是研究設計出新一代微機控制的可應用于網絡的20KVA的智能UPS系統(tǒng)。UPS主電源包括整流/充電器、逆變器、旁路電源(靜態(tài)旁路電源和維修旁路電源)三大部分組成。1.3.2 本課題的要求1. UPS

22、輸入設計要求:(1)輸入電壓:380V10%(三相四線制)，頻率50HZ15%；(2)輸入容量能同時滿足蓄電池均充和逆變器滿載運行要求；(3)功率因0.8.2. UPS輸出設計要求(1)三相輸出電壓380V2%,輸出頻率500.5%，并在一定范圍內可調（電壓正負5%，頻率正負2HZ)；(2)輸出功率大于額定功率（20KVA）；(3)過載能力125%-150%；(4)諧波失真度0.75，總功率因數0.8；(2)軟啟動功能；(3)逆變器與后備靜態(tài)旁路鎖相同步，兩者切換時間100us；(4)具有功能指示和故障報警功能；(5)具有自保護功能；(6)具有RS232通訊接口，可遠程監(jiān)控、管理；第二章 系統(tǒng)

23、整體設計方案UPS不間斷電源裝置不間斷供電的含義就是指當交流輸入電源（市電）發(fā)生異常或斷電時，電源裝置能繼續(xù)向負載供電，而且能保證供電質量，使負載供電不受影響。實現(xiàn)此目的的交流不間斷UPS電源的基本組成如圖2-1所示:整流器逆變器蓄電池市電負載圖2-1 UPS基本組成框圖在此基本組成電路中，當市電發(fā)生斷電或異常時，關鍵在于使用蓄電池放電，以蓄電池代替整流器，向逆變器提供直流輸入從而保證負載供電的不間斷和質量。如果深入地擴展分析，要保證負載的不間斷供電和負載的供電質量，就必須增強UPS電源裝置的可靠性，因為只有電源裝置的可靠性提高了，才能使負載供電不間斷和質量得到充分保證，這就要從UPS電源裝置

24、的結構和形式來考慮其設計方案。下面在分析不間斷供電的原理的基礎上，提出本課題的整體設計方案。2.1 UPS電源不間斷供電的原理2.1.1 負載間斷供電的原因造成負載間斷供電的原因有很多，概括起來，主要有:1）交流輸入電源（市電）突然發(fā)生停電。造成這種突然停電的原因較多，如：用戶發(fā)生故障或事故，造成電源跳閘；雷擊造成短路而跳閘，或者由于雷擊引起輸電線斷裂；鳥害引起斷裂而跳閘；臺風或龍卷風將輸電線刮斷等。2）交流輸入電源發(fā)生瞬間停電。3）電源裝置發(fā)生故障而中斷供電。因此，解決負載不間斷供電須從以上三方面主要原因入手。2.1.2 不間斷供電的原理從UPS基本組成原理圖2-1可看出，(1)在交流輸入電

25、源正常的情況下，整流器一方面為逆變器提供直流輸入電壓，同時另一方面向蓄電池充電，使蓄電池儲存能量；一旦交流輸入電壓發(fā)生異?；驍嚯?、或者整流器發(fā)生故障時，整流器就無直流輸出，這時蓄電池自動代替整流器向逆變器提供直流輸入電壓，逆變器仍能正常工作。當市電恢復正?；蛘哒髌鞴收吓懦?，恢復整流器供電，這樣負載得到連續(xù)供電，不會產生間斷供電的現(xiàn)象。(2)當逆變器發(fā)生故障時，很明顯，圖2-1所示結構的UPS就不能實現(xiàn)負載的不間斷供電。解決的辦法有兩個：一是提供逆變器的備用單元；二是提供靜態(tài)旁路輔助電源。具體來說:a.如果有逆變器的冗余備用單元，當逆變器故障時，通過快速開關立即切換至備用單元，保證負載的不間

26、斷供電，這時負載得到的仍是穩(wěn)壓穩(wěn)頻的交流電；b.如果有靜態(tài)旁路輔助電源(或稱靜態(tài)旁路電源)，當逆變器故障時，通過靜態(tài)開關迅速切換至靜態(tài)旁路電源，向負載供電，不過，這時負載得到的是市電，供電質量比較差，無穩(wěn)壓穩(wěn)頻性能，但保證了負載不間斷供電。一旦逆變器故障排除，即可恢復運行。(3)如果市電交流輸入不正常的同時，逆變器又發(fā)生故障，這時要保證負載的不間斷供電，可采用既有逆變器備用單元，又有靜態(tài)旁路電源的設計方案。當交流輸入恢復正?；蛘吣孀兤鞴收吓懦ㄟ^靜態(tài)旁路電源向負載供電(如果市電輸入正常的話)；或者通過逆變器向負載供電(如果逆變器故障排除的話)。這種方案可保證負載的供電不間斷。(4)電源裝置根

27、據實際情況需要定期檢修，這時必須斷開逆變器和靜態(tài)旁路，但仍然要保證負載供電的不間斷，這時可采用增加維修旁路電源的方案。當電源裝置維修時，通過維修旁路開關切換至維修旁路電源，此電源取自市電；一旦維修完畢，即切換至逆變器供電或靜態(tài)旁路電源供電。綜上所述，不間斷供電的原理實質就是從電源裝置的組成結構上考慮如何實現(xiàn)負載的不間斷供電:采用冗余結構或者其他可靠性設計方案。本課題根據1.3的設計要求和技術指標，從不間斷供電的原理出發(fā)，提出下面的整體設計方案。2.2 系統(tǒng)整體設計原理框圖UPS不間斷電源設計的基本原理是將輸入的交流電整流轉換為直流電，一方面為備用蓄電池充電，另一方面再將其逆變轉換為穩(wěn)壓穩(wěn)頻的交

28、流電。設計的基本點有兩個：一是UPS輸出的穩(wěn)定性，即輸出電壓和頻率都必須保持穩(wěn)定(在一定的額定精度內)；二是UPS輸出的不間斷性，即要能實現(xiàn)不間斷供電。整個設計緊緊圍繞這兩個要點進行的：(1)蓄電池(包括充電器)是電網斷電或者電網電壓嚴重畸變時為負載供電的能量來源；(2)逆變器是UPS輸出穩(wěn)壓穩(wěn)頻的交流電的核心組成，也是整個UPS核心，采用冗余備用單元也是為了保證負載供電的不間斷；(3)旁路輔助電源(包括維修旁路電源和靜態(tài)旁路電源)是為維修、檢修UPS，或者逆變器故障的情況下實現(xiàn)不間斷供電的輔助電源。根據以上所述，提出如下設計原理框圖(圖2-2)：靜態(tài)開關靜態(tài)開關隔離變壓器整流/充電器蓄電池逆

29、變器1逆變器2負載維修旁路電源靜態(tài)旁路電源市電輸入輔助電源圖2-2 系統(tǒng)整體設計原理框圖下面以此原理框圖從整流器/充電器、逆變器、旁路輔助電源三方面分析本設計方案。2.3 整流/充電器設計方案本設計中整流器和充電器合二為一，這主要是從功率大這個因素考慮的。為實現(xiàn)大功率整流和充電的需要，設計中借助于可控整流器件SCR，采用三相全控橋式整流充電電路，從而大大提高了可靠性、降低了造價?？刂齐娐凡捎?6位INTEL96系列的80C196單片機，控制簡潔、方便、可靠。主回路電路示意圖見圖2-3所示。如圖2-3所示，三相四線380V交流電壓經空氣開關KK、快速熔斷器KRD、整流變壓器降壓隔離、再經三相全控

30、橋式整流；整流輸出經電感L、電容C濾波，LEM霍爾電流傳感器，熔斷器RD，接觸器JQ接至220V蓄電池。微機(80C196單片機系統(tǒng))控制回路由主控、測量、同步、脈沖輸出、信號輸入、信號輸出及電源等部分組成。圖2-3 整流/充電器設計方案2.4 逆變器設計方案逆變器的功率單元采用IGBT組成的三相橋式逆變電路；IGBT驅單元采用日本富士公司生產的EXB841驅動芯片組成的驅動電路；逆變控制系統(tǒng)設計采用冗余設計方案： 兩套由INTEL公司生產的16位微處理器80C196MC組成的控制系統(tǒng)1#和控制系統(tǒng)2# (兩者互為備用)共用一組功率單元及其驅動單元。如圖2-4所示，逆變器的輸入來自整流/充電器

31、的直流輸出，經三相IGBT全控逆變橋，在逆變控制系統(tǒng)SPWM控制方式下產生SPWM脈沖波輸出，再經特殊設計的隔離變壓器(原邊為三角形接法，副邊為星形接法)隔離、濾波后產生穩(wěn)壓穩(wěn)頻的正弦交流電輸出。其中K2為快速晶閘管組成的靜態(tài)開關，是為實現(xiàn)負載不間斷供電而設置的轉換開關。圖2-4 逆變器設計方案2.5 旁路電源設計方案旁路電源是UPS不間斷電源不可缺少的部分，它分為靜態(tài)旁路電源和維修旁路電源。靜態(tài)旁路是指利用靜態(tài)開關(一對反并聯(lián)的快速晶閘管組成)來實現(xiàn)逆變器供電和旁路供電之間的同步切換。因為快速繼電器的動作時間至少為幾毫秒，不能滿足不間斷供電的要求，而靜態(tài)開關的導通和關斷時間僅為數十微秒，因此

32、可實現(xiàn)負載的不間斷供電。維修旁路電源是為電源裝置檢修、維修時的備用電源。旁路電源一般取自市電電網。本UPS旁路系統(tǒng)設計方案如圖2-5所示，圖中只畫出了一相的電路示意圖。圖2-5 UPS旁路電源設計方案第三章 整流/充電器的設計整流/充電器在UPS交流不間斷電源裝置中的作用主要有兩個：一是將交流電整流為直流電，經濾波供給逆變器；二是給蓄電池提供充電電壓，對蓄電池進行充電。整流器電路形式有很多，典型整流電路有：三相或單相橋式不可控整流電路、三相或單相橋式半控整流電路、三相或單相橋式全控整流電路、帶平衡電抗器的12脈波整流電路等。大功率UPS不間斷電源的整流/充電電路一般選用可控整流電路，這是基于整

33、流器和充電器合為一體的設計考慮。具體來說：(1)通常希望逆變器能得到一個電壓穩(wěn)定的電源。但是由于種種因素的影響，比如市電電壓變化頻繁，有時低于380V(三相交流電輸入)，甚至低達340V；有時高于380V，甚至高達420V等等，如果采用不可控整流電路，將使得整流器的直流輸出不能保持穩(wěn)定。只有采用可控整流電路，同時采用必要的負反饋環(huán)節(jié)，自動地調節(jié)脈沖相位，才能保證整流器的直流輸出電壓的穩(wěn)定。(2)蓄電池充電電壓必須能夠調節(jié)。不可控整流電路不能提供蓄電池通常狀態(tài)下的浮充電壓和過放電以后的均充電壓(均衡充電電壓)兩種不同大小的電壓。因此采用可控整流電路比較好。在可控整流電路中，典型應用電路是三相橋式

34、全控整流電路。3.1 整流/充電器主回路設計本設計中的整流/充電電路采用常見的三相橋式全控整流電路。其電路的基本原理這里不再詳細說明。原理電路如下，圖中KPl6為晶閘管。圖3-1 三相橋式全控整流電路原理圖3.1.1 整流變壓器的設計由前面所述可知，三相電網電壓經空氣開關和快速熔斷器后，接在一星形/三角形接法的變壓器的原邊。此變壓器屬整流變壓器，不同于一般的電力變壓器。1.整流變壓器在此設計中的作用整流變壓器在設計中的作用有三：(1)它可擴大整流電路中晶閘管控制角的調節(jié)范圍，提高調節(jié)性能。(2)起隔離作用。它使整流電路與電網電源隔離開來，使它們之間不發(fā)生電的直接聯(lián)系，這樣可減輕電網對整流/充電

35、電路的干擾和影響，同時也減少了整流/充電電路對電網上其他用電設備的干擾。(3)降壓作用。整流變壓器將電網電壓變換成與負載相匹配的電壓，這有助于提高晶閘管整流器的性能。一般清況下，整流器的副邊次級電壓低于原邊初級電壓，因此這里的整流變壓器屬降壓變壓器。它的接線方式要與同步變壓器接線相配合，以滿足主回路電路與同步電壓之間的相位關系。2.整流變壓器在設計上與一般電力變壓器的區(qū)別整流變壓器在設計上不同于一般的電力變壓器：(1)接線方式上有嚴格要求。初級和次級繞組中要有一個接成三角形，一般以初級繞組接成三角形的居多，這樣可避免供電電壓波形的畸變；也可避免負載發(fā)生不平衡時出現(xiàn)中心點浮動。在三相四線制接法的

36、輸入中，整流變壓器只有接成星形/三角形。本設計中就屬這種情況。(2)要求具有較高的絕緣強度。這是因為晶閘管整流電路發(fā)生過電壓的機會比較多。(3)要求適當增大變壓器的導線截面積，這是因為晶閘管整流電路較易發(fā)生短路而產生過電流。基于(2)(3)的原因，使得整流變壓器的體積比同等容量的電力變壓器體積要大。3.容量和變比設計根據本設計中UPS的功率(20KVA)整流變壓器的容量可選1.5倍UPS額定功率即30KVA，變比要根據蓄電池的電壓而定。3.1.2 直流濾波電抗器和濾波電解電容的設計在圖3-1中，P1、N1兩端的整流輸出為脈動的直流電壓，在這種直流電壓中還含有較多的交流成分，它不利于逆變器的工作

37、和蓄電池的充電，所以不能直接送往逆變器和為蓄電池充電，必須經過濾波。1.濾波電抗器LL的作用可歸結為以下三個方面：(1)平波作用。整流電壓里含有對逆變器和蓄電池不利的交流成分，利用電抗器既能儲存能量又能放出能量的特點，在電路中接入電抗器L減小整流電壓脈動程度，起到平波作用。(2)續(xù)流作用。當整流器的晶閘管控制角增大到一定值后，在某段時間內橋式整流電路中各元件均不導通，此時整流器輸出電壓為零，輸出電壓的波形出現(xiàn)了不連續(xù)，輸出電流也就出現(xiàn)了不連續(xù)。這必將影響逆變器和蓄電池的供電連續(xù)勝。如果接入了電抗器L，在這段時間內電抗器將通過續(xù)流二極管所提供的通路，把它儲存的能量釋放出來，供給逆變器和蓄電池，形

38、成導通回路，保證輸出電流的連續(xù)性。(3)限制短路電流上升率的作用。當直流側發(fā)生短路時，直流回路中的電流將猛然增大，危及晶閘管和硅整流元件如整流二極管。利用電抗器上電流不能突變的特點，在電流中接入電抗器后可限制短路電流的上升率，從而起動保護整流器的作用。2.濾波電容C電容C是大容量、高耐壓濾波電解電容，起平滑濾波作用。3.L和C的選用設計直流濾波器所用L和C的大小根據整流/充電器的容量合理計算，這里我們根據經驗來取值。L-考慮電感量大小和電流，選1mH/600A。C-考慮大小和耐壓值，選6800uF/450V兩片。3.1.3 主回路電路綜上所述，本整流/充電器的主回路電路如圖3-2所示。在圖3-

39、2主回路電路中。圖中各元件說明如下：圖3-2 整流/充電器的主回路電路圖KK-空氣開關;ZB-整流變壓器，接法為Y/11；RD1-3-整流輸入端保護熔斷器；RD4-整流輸出端保護熔斷器；YR1-3-整流輸入端壓敏電阻保護；YR4-整流輸出端壓敏電阻保護；S1-6-整流器件：晶閘管SCR；RI-6-晶閘管阻容吸收電阻；Cl-6-晶閘管阻容吸收電容；LEM-霍爾電流傳感器；L-濾波電感；C7, C8-兩個完全相同的濾波電解電容；BI-蓄電池組；A-直流電流表；V-直流電壓表。在圖3-2中，整流器件晶閘管SCR的參數應根據UPS的容量和蓄電池的端電壓大小來選取。其阻容吸收電路的電阻和電容可根據經驗公

40、式選取。3.2 整流/充電器控制設計設計好整流/充電器的主回路電路后，進一步的工作就是設計控制電路?？刂齐娐肥钦鞒潆娖鞯暮诵模驗闊o論是整流直流輸出作為逆變器的輸入的控制，還是給蓄電池充、放電的控制，必須保證控制可靠、穩(wěn)定、有序。因此對控制電路的要求如下：(1)晶閘管的觸發(fā)控制電路要輸出與主回路電路相同步的觸發(fā)脈沖；(2)能調節(jié)整流輸出大小，以滿足對蓄電池充電的要求；(3)保證整流輸出的穩(wěn)定，以利于逆變器和蓄電池的工作；(4)整流器的起動要平穩(wěn)，因而要控制起動速度，限制起動電流；(5)抑制過載電流，要有限流保護和過、欠壓保護。根據上述要求，并緊密聯(lián)系當前國內外保護、控制領域的發(fā)展形勢，設計了

41、以微機控制為核心的整流/充電控制系統(tǒng)。3.2.1 微處理器的選擇現(xiàn)在市場上應用最為普遍的是8位單片機，但是在一些比較復雜的系統(tǒng)中，它就不得不讓位與16位單片機。在本設計中我選用MCS-96系列單片機，它除了適用于一般的信號處理系統(tǒng)外，對于要求實時處理、實時控制的各類自動控制系統(tǒng)如工業(yè)控制系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)、分布式控制系統(tǒng)、變頻調速系統(tǒng)等以及高級智能系統(tǒng)如高級智能儀器、高性能的計算機外部設備控制器、辦公自動化設備控制器等都有其特有的優(yōu)勢。它在下列幾個方面顯示出其優(yōu)越的性能和特點：(1)CPU的算術邏輯單元不采用常規(guī)的累加器結構，改用寄存器-寄存器結構，CPU操作直接面向256字節(jié)甚至512字節(jié)的寄存

42、器，消除了一般CPU結構中的累加器如51系列單片機等的瓶頸效應，大大提高了操作速度和數據吞吐能力。(2)256或512字節(jié)寄存器中除了前端少量專用寄存器外，其余字節(jié)均為通用寄存器。這樣多數量的通用寄存器就有可能為各中斷服務程序中的局部變量指定專門的寄存器，免除了指定服務過程中保護寄存器現(xiàn)場和恢復寄存器現(xiàn)場所支付的軟件開銷，并大大方便了程序的設計。(3)指令系統(tǒng)執(zhí)行更快、效率更高?？梢詫Х枖岛筒粠Х枖颠M行操作；還有符號擴展、數據規(guī)格化(用于浮點運算)等指令。另外，三操作數指令大大提高了指令效率。(4)在8OC196KC及其以后的芯片中，增加了一個外設事務服務器PTS,專門用于處理外設中斷事

43、務，它和普通中斷服務過程相比，PTS服務大大減少了CPU的軟件開銷。(5)內部帶有四路以上的模/數轉換器(A/D)，8OC196MC具有多達13路A/D，而且KB以后的芯片轉換位數8位和10位可選。A/D轉換器集成于芯片內部，大大增強了信號采樣電路的抗干擾能力，提高了電路的可靠性。(6)具有高速輸入口HSI和高速輸出口HSO或者比較/捕獲 COMPARE/CAPCOMP，它們對于處理與時間有關的事件以及某些特殊輸出提供了極大的方便。當然，MCS-96 系列單片機具有一般單片機所具有的全部外設裝置：振蕩器和時鐘發(fā)生器、定時器計數器、標準輸入/輸出口、全雙工異步或同步串行輸入/輸出口、監(jiān)視定時器(

44、Watchdog)、片選輸出等。由此可看出，MCS-96系列16位單片機具有更豐富的軟、硬件資源，具有更高的性能，它更適用于一些較復雜的系統(tǒng)中?；谝陨显颍菊n題中整流/充電器的控制電路采用了以80C196KC單片機為主控的微機控制系統(tǒng)。它主要由主控、測量與采集、脈沖輸出與同步、信號輸出以及電源等部分組成?？刂齐娐方M成框圖如圖3-3。80C196單片機主控系統(tǒng)小型開關電源模塊測 量同 步給 定脈沖輸出保護出口信號輸出+24V（Vp）GND-15V+15VVSS+5V（VCC）AC220V或DC220V圖3-3 整流/充電器的控制電路組成框圖3.2.2 整流/充電器的微機控制系統(tǒng)1.整流/充電

45、器的控制原理在UPS不間斷電源中的整流器，除了供給逆變器直流輸入外，還須完成對蓄電池的常規(guī)充電、快速充電、浮充電的功能。因此整流器的輸出是隨著UPS不間斷電源工作狀態(tài)的變化而變化。下面具體說明如何調節(jié)整流電路的輸出。在圖3-1中，在接上負載后的整流輸出的大小為: （3-1）其中，為整流器輸出的直流電源平均值；為整流變壓器初級線電壓；為整流變壓器次級相電壓；為晶閘管控制角，即晶閘管觸發(fā)脈沖相位，是對應于觸發(fā)脈沖出現(xiàn)的時刻距自然換相點的電角度，又稱為延遲角。從公式3-1可看出，調節(jié)晶閘管的控制角即可調節(jié)整流輸出。整流器提供給逆變器的直流輸入必須是穩(wěn)定的，這樣才能有利于逆變器的正常工作，為此在設計中

46、引入了電壓負反饋并采用了PID控制算法。即通過電壓傳感器對整流輸出電壓進行取樣，與期望值進行比較，根據差值進行PID控制，從而實現(xiàn)整流輸出的穩(wěn)定。2.主控電路設計基于80C196單片機豐富的內部資源，整流/充電器主控電路以80C196芯片為核心，只擴展了一片程序存貯器27C64,輔以地址鎖存器74HC373，復位電路、參考電壓電路及振蕩電路。程序存貯器的片選信號直接取自80C196的地址線AD15，地址范圍為:2000H-3FFFH。復位電路見圖3-4。工作原理是:復位電路接收到硬件或軟件復位信息(上電復位、監(jiān)視定時器溢出、執(zhí)行復位指RST)后，都會使單片機RESET引腳的電位變低。圖3-4所

47、示的復位電路具有上電復位功能。上電時通過R, C通路向電容C充電使單片機RESET引腳保持在低電平狀態(tài)，隨著復位電容充電電壓的升高，RESET引腳電位變成高電平，完成上電復位。圖中的二極管D為復位電容C在掉電的情況下提供了一條迅速放電的通路，這樣可保證芯片的反復上電的情況下可靠地復位。圖3-4 80C196單片機復位電路參考電壓電路是為采樣A/D轉換電路提供參考基準電壓。通過電阻降壓、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓獲得?；鶞孰妷涸床捎肔M336-5.OV，它是一種新型帶隙基準電壓源，具有溫度系數小、動態(tài)阻抗低、工作電流范圍寬等優(yōu)點。應用電路見圖3-5。其中振蕩電路晶振頻率采用8MHZ,振蕩電容選33pF。圖3-5

48、 參考電壓電路3.脈沖輸出與同步電路設計如圖3-1中，為了保證整流橋在合閘上電后共陰極組和共陽極組各有一個晶閘管導通，或者由于電流斷續(xù)后能再次導通，必須對兩組中應導通的一對晶閘管同時施加觸發(fā)脈沖。為此可有兩種觸發(fā)方式：寬脈沖觸發(fā)方式和雙窄脈沖觸發(fā)方式。寬脈沖觸發(fā)是指使每個觸發(fā)脈沖的寬度(一般取-)；雙窄脈沖觸發(fā)是指在觸發(fā)某一號晶閘管的同時給前一號晶閘管補發(fā)一個脈沖，相當于用兩個窄脈沖等效替代大于的寬脈沖。雙窄脈沖觸發(fā)方式中，在一個周期內對每個晶閘管需要連續(xù)觸發(fā)兩次，兩次脈沖前沿的間隔，這種觸發(fā)方式雖然比較復雜，但它可減少觸發(fā)電路的輸出功率，減小脈沖變壓器的鐵心體積。寬脈沖觸發(fā)方式中雖然脈沖次數

49、減少一半，但是為了不讓脈沖變壓器飽和，其鐵心體積必然做得大些，繞組匝數多些，因而漏感增大，導致脈沖前沿不夠陡，增加去磁繞組可改變這個情況，但又使裝置復雜化。因此，在本整流器觸發(fā)控制設計中，采用了雙窄脈沖強觸發(fā)方式。脈沖來自單片機8OC196的高速輸出口(通過編程產生六路觸發(fā)脈沖波)。80C196單片機的高速輸出口HSO為晶閘管觸發(fā)脈沖的產生提供了極大的方便。HSO應用于按程序設定的時間去觸發(fā)某一事件，要求CPU的開銷極少，因此速度塊。利用HSO可產生寬度和周期符合晶閘管觸發(fā)要求的脈沖。方法即是通過設定HSO.x的正跳和負跳時間。利用80C196單片機的產生六路晶閘管觸發(fā)脈沖的原理就是按照整流電

50、路中晶閘管觸發(fā)導通的規(guī)律，在一周期內編程產生六路具有一定寬度和周期的雙脈沖，再經功率放大電路、隔離電路以及脈沖變壓器得到符合晶閘管觸發(fā)要求的觸發(fā)脈沖。晶閘管觸發(fā)脈沖必須是具有一定寬度、幅值和陡沿的脈沖信號。一般來說，觸發(fā)脈沖寬度為400uS，幅值10V左右，而且前沿要陡峭。晶閘管觸發(fā)電流一般為mA級，而單片機輸出口驅動電流只有幾百uA，因此必須進行功率放大，本設計中采用驅動能力較強的MC1413芯片。經驅動后的驅動電流可達幾百mA。采用光電隔離是避免單片機弱電工作電路不受主回路強電電路的干擾。采用脈沖變壓器是基于匹配晶閘管門極觸發(fā)電壓的考慮。脈沖輸出電路如圖3-6所示。本節(jié)一開始，在控制電路要

51、求中就提出晶閘管的觸發(fā)脈沖必須與主回路電路相同步，因此要設計同步電路以保證觸發(fā)脈沖與主回路的同步。同步電路取自主回路三相輸入的A相，它經濾波、比較產生同步脈沖信號，見圖3-7所示。圖3-6 脈沖輸出電路圖3-7 同步電路4.測量與信號采集電路設計信號采集與測量包括開關量和模擬量的采集和測量。信號采集是針對80C196 單片機而言的，為實現(xiàn)測量結果的顯示及保護等功能，必須有采集計算電路。利用80C196單片機的8路10位A/D 模/數轉換器以及CPU的計算處理功能，可方便地處理測量結果和保護整定。但是，進入單片機的信號必須是經過調理的信號，它要求符合以下條件：(1)信號必須是非負的，而且幅值不能

52、超過5V；(2)進入單片機輸入口的信號是電壓信號；(3)輸入信號不能干擾單片機的正常工作。因此，進入單片機的信號必須經過適當的處理。對于電信號有電壓和電流信號，在進入單片機之前電流信號要轉換為電壓信號，利用電阻即可實現(xiàn)；對于高壓、交變信號要轉換成低壓非負信號才能進入單片機。 模擬電壓信號有交流電壓信號和直流電壓信號，對應單片機的采集方法有交流采集和直流采集。不管哪種采集方法，進入單片機的信號都必須符合上面提出的三個要求。因此，對于交流信號，還要考慮將交變的信號轉換為非負信號的問題。在本整流/充電器的設計中，采用直流采樣。交流輸入電壓的過、欠壓保護均通過整流后的整流輸出值進行整定保護。因此本設計

53、中模擬采集量包括整流輸出電壓和電流。它們是通過霍爾電壓、電流傳感器傳送來的，它們有降壓、隔離的功能。從傳感器傳送來的信號因含有諧波等干擾信號，不能直接進入單片機，須經過濾波、緩沖等環(huán)節(jié)。濾波采用R、 C濾波，緩沖采用電壓跟隨器，如圖3-8所示。圖3-8 直流采樣電路5.信號輸出電路設計信號輸出包括狀態(tài)信號輸出如開關量的輸出、指示燈的狀態(tài)。開關量輸出有保護繼電器、光字牌、調壓開關等。與開關量的輸入類似，開關量的輸出要有光電隔離、驅動等環(huán)節(jié)。開關量輸出的典型電路見圖3-9。圖3-9 開關量輸出電路指示燈是利用發(fā)光二極管的點亮與熄滅兩種二選狀態(tài)來指示裝置各部分的工作正常與否，如Vcc、Vp、交流或直流輸入電源的有無。裝置的過、欠壓保護、過流保護、同步保護是通過指示燈和繼電器同時進行的，一方面指示故障類型，另一方面保護繼電器動作，保護裝置。6.工作電源設計裝置的工作電源對整個裝置工作的重要性是不言而喻的，因為一旦工作電源出現(xiàn)故障，整個裝置就陷入癱瘓狀態(tài)，正常工作就無從談起。因此工作電源必須可靠、精確。本整流/充電器的工作電源設計采用以小型開關電源模塊為中心的設計方案。此小型開關電源模塊可輸出+5V(Vss), +15V、-15V、 +24V(GND)等幾種裝置必須的工作電壓。它的輸入為交流220V或直流220V?；谡麄€裝置控制電路工作功率的考