三相10KVAUPS電源初步設(shè)計(jì)

1、第一章 緒 論1.1 電力電子技術(shù)概況電力電子技術(shù)有廣泛的應(yīng)用，其中ups是一種含有儲(chǔ)能裝置，以逆變器為主要組成部分的恒壓、恒頻的不間斷電源。當(dāng)市電正常時(shí)，ups將市電穩(wěn)壓或穩(wěn)壓、穩(wěn)頻后供負(fù)載使用，同時(shí)向機(jī)內(nèi)電池 充電；當(dāng)市電中斷時(shí)（異常時(shí)），ups立即在4-10ms內(nèi)或“零”中斷時(shí)間內(nèi)將蓄電池的電源通過逆變轉(zhuǎn)換的方式向負(fù)載繼續(xù)供應(yīng)電力，使負(fù)載維持正常的工作，以便保存資料并保護(hù)負(fù)載的軟硬件不受損壞。從原理上來說，ups是一種集數(shù)字和模擬電路,自動(dòng)控制逆變器與免維護(hù)貯能裝置于一體的電力電子設(shè)備； 從功能上來說，ups可以在市電出現(xiàn)異常時(shí),有效地凈化市電；還可以在市電突然中斷時(shí)持續(xù)一定時(shí)間給電腦等

2、設(shè)備供電,使你能有充裕的時(shí)間應(yīng)付； 從用途上來說，隨著信息化社會(huì)的來臨，ups廣泛地應(yīng)用于從信息采集、傳送、處理、儲(chǔ)存到應(yīng)用的各個(gè)環(huán)節(jié)，其重要性是隨著信息應(yīng)用重要性的日益提高而增加的。不間斷電源 (ups) 在將關(guān)鍵負(fù)載（例如計(jì)算機(jī)、通信系統(tǒng)、醫(yī)療/生命支持系統(tǒng)和工業(yè)控制）連接至公共電網(wǎng)方面扮演著重要角色。它們旨在為主要處于任何正?；虍惓?shí)用電源條件下的負(fù)載提供清潔、持續(xù)的電源。在各種 ups 拓?fù)浠蚺渲弥?，在線 ups，也稱為反向器首選 ups，可為負(fù)載提供最佳的線路調(diào)節(jié)性能和最強(qiáng)大的保護(hù)以防止出現(xiàn)公共電源問題。它可以在多條輸入線路條件下提供穩(wěn)定的正弦輸出電壓。從公共電力線獲得電源后，它將保

3、持正弦輸入電流處于高輸入功率因素。這些增強(qiáng)的輸入/輸出特性使在線 ups 成為許多應(yīng)用領(lǐng)域中的理想解決方案。但是，由于使用多個(gè)電源轉(zhuǎn)換級(jí)和相關(guān)的模擬控制器，在線 ups 從傳統(tǒng)意義上說已經(jīng)成為最復(fù)雜和最昂貴的系統(tǒng)類型。除模擬控制器之外，在線設(shè)計(jì)還需要使用低端微控制器以提供與主機(jī)計(jì)算機(jī)的簡便連接，以便建立交互式通信并對系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)監(jiān)控。這些基于多個(gè)模擬和數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)導(dǎo)致組件集成度降低和系統(tǒng)成本增加?？梢杂糜趯?shí)現(xiàn)高度集成的高性能微控制器現(xiàn)已推出，但是它們未必能提供經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。當(dāng)今的低成本、高性能 dsp 控制器。其中包括：模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (adc)、pwm 輸出、定時(shí)器、保護(hù)電路、串行通信

4、和其它功能。這些部件的高 cpu 帶寬 和集成電力電子外設(shè)使實(shí)現(xiàn)在線 ups 的全面數(shù)字控制成為可能。包括作為指令的乘法累加 (mac)，都是單周期。因此，可以高速執(zhí)行多種控制算法，從而 使實(shí)現(xiàn)所需的高采樣速率成為可能，以便獲得良好的動(dòng)態(tài)反應(yīng)。這也 使得能夠在單芯片中實(shí)現(xiàn)在線 ups 的多控制環(huán)路。從而提高集成度并降低系統(tǒng)成本。數(shù)字控制還為每個(gè)控制器帶來可編程性、抗噪聲干擾和避免冗余電壓及電流傳感器的使用等優(yōu)點(diǎn)。由于組件變少了，系統(tǒng)將需要更少的工程時(shí)間并且可以變得更小巧、更可靠。與傳統(tǒng)模擬控制相比，dsp 控制提供了另一個(gè)巨大優(yōu)勢 - 軟件。額外的 dsp 帶寬可用于實(shí)施更復(fù)雜的算法以及與主機(jī)

5、系統(tǒng)和 i/o 器件（例如 lcd 顯示屏）進(jìn)行通信。dsp 可編程性意味著可以使用增強(qiáng)的算法更新系統(tǒng)以提高可靠性。1.2 本次設(shè)計(jì)的內(nèi)容本次設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是三相10kva ups電源，其本原理是當(dāng)市電正常時(shí)，市電經(jīng)整流器整流為直流給蓄電池充電，可保證蓄電池的電量充足。一旦市電異常乃至停電，即由蓄電池向逆變器供電，蓄電池的直流電經(jīng)逆變器變換為橫品恒壓交流電繼續(xù)向負(fù)載供電，因此從負(fù)載側(cè)看，供電部受短期市電停電的影響。三相10kva ups電源設(shè)計(jì)包括方案的經(jīng)濟(jì)技術(shù)論證、整流電路的設(shè)計(jì)、逆變電路的設(shè)計(jì)、蓄電池容量的確定及選擇、通過計(jì)算選擇器件的具體型號(hào)、驅(qū)動(dòng)電路的選擇或設(shè)計(jì)以及繪制相關(guān)電路圖。第二

6、章 電路的設(shè)計(jì)2.1 總體設(shè)計(jì)方案在正常情況下，即電源由市電提供，市電經(jīng)過整流器整流為直流，存儲(chǔ)到蓄電池中作為備用電源，而后再經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)變成交流電提供給負(fù)載。但是由于逆變器容易發(fā)生故障，所以在電路旁側(cè)加一旁路電源，以便解決當(dāng)逆變器發(fā)生故障不能將市電輸送給負(fù)載的難題。系統(tǒng)的方框圖如圖2.1所示圖2.1ups電源設(shè)計(jì)方框圖各部分電路說明如下：1、整流電路：把交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的電路。大多數(shù)整流電路由變壓器、整流主電路和濾波器等組成，2、儲(chǔ)能電路：本設(shè)計(jì)方案要求采用蓄電池儲(chǔ)能。功率為10kva，取ups電源的功率因數(shù)為0.8，蓄電池串聯(lián)后的電壓近似等于整流電路輸出電壓可知：需要11個(gè)12v蓄電池

7、串聯(lián)組成。所以蓄電池所需伏安數(shù)x：x=60.60a 所以延時(shí)1小時(shí)得用60.60ah的電池，現(xiàn)在需要延時(shí)10分鐘，則需要10.10ah的電池。 因此所選擇的蓄電池滿足上述條件即可。3、逆變電路：在驅(qū)動(dòng)信號(hào)的控制下，將直流電源轉(zhuǎn)換成頻率和電壓可以任意調(diào)節(jié)的交流電源。2.1.1 主電路的設(shè)計(jì)1整流電路作品設(shè)計(jì)的整流電路采用三相橋式全控整流電路，如圖2.2所示。這種電路的參數(shù)隨著負(fù)載的變化而變化。對于共陰極組的三個(gè)晶閘管，陽極所接交流電壓值最高的一個(gè)導(dǎo)通。而對于共陽極組的三個(gè)晶閘管，則是陰極所接交流電壓值最低的一個(gè)導(dǎo)通。這樣，任何時(shí)刻共陽極和共陰極組中各有一個(gè)晶閘管處于導(dǎo)通狀態(tài)，施加于負(fù)載上的電壓為

8、某一線電壓。輸出都端部的電容起到了濾波作用。圖2.2 三相橋式全控整流電路晶閘管參數(shù)：保證電流連續(xù)的最小電感：l=0.693（mh） （2-1）晶閘管的電流有效值： （2-2）晶閘管通態(tài)平均電流： （2-3）晶閘管的電流值： （2-4）變壓器參數(shù)：變壓器二次側(cè)電流： （2-5）變壓器原邊電流： （2-6）根據(jù)逆變電路可求出整流電路的輸出電壓和輸出電流，輸出電壓=126.67v, 輸出電流=3.91a 根據(jù)三相橋式求法可以求得晶閘管通態(tài)平均電流： 晶閘管的電流有效值： 晶閘管的額定電流：i=*(1.52)=（2.162.88）a晶閘管的額定電壓：u=(23)=(620.55930.83)v變壓器

9、二次側(cè)電流：變壓器二次側(cè)電壓：變壓器變比為：=1.28額定功率：p=*=296.40*2.61=773.60w變壓器原邊電流：保證電流連續(xù)的最小電感：l=0.693（mh）=0.693*85.58mh這樣既可確定各器件的選擇。整流電路中，主要應(yīng)用的是晶閘管進(jìn)行的整流，而晶閘管和二極管的最大不同之處是晶閘管工作需要一些附加條件當(dāng)晶閘管承受反向電壓時(shí)，無論門集是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不導(dǎo)通。當(dāng)晶閘管承受正向電壓時(shí)，僅在門集有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能導(dǎo)通。晶閘管一旦導(dǎo)通，門集便失去控制作用，無論門集觸發(fā)電流是否還純在，晶閘管都保持導(dǎo)通。若要使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，只能利用外加電壓和外電路的作用使流過

10、晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。綜上，我們需要給晶閘管加以觸發(fā)電路，觸發(fā)電路電路圖如圖2.3所示圖 2.3 觸發(fā)電路2逆變電路對于三相輸出的逆變器，三相負(fù)載的平衡是一個(gè)必須考慮的重要問題，目前性能較好的大中型ups都要求具備三相100%不平衡的功能。為了適應(yīng)三相負(fù)載不平衡的需要，三相逆變器采用三個(gè)單項(xiàng)橋分別變換，然后再把輸出按120°的相位差組合起來的方式，如圖2.2.2所示。每相各有一個(gè)單項(xiàng)橋是逆變器，每個(gè)單項(xiàng)橋式逆變器需用四個(gè)開關(guān)管。因此總共需要12個(gè)開關(guān)器件，節(jié)后復(fù)雜。帶來的好處是：三個(gè)單項(xiàng)逆 變器工作獨(dú)立，其輸出互不影響，實(shí)際上三個(gè)單相逆變器并聯(lián)，只是相位不同。這樣可

11、以允許三相負(fù)載100%不平衡，三相嚴(yán)重不平衡也不會(huì)對任一逆變器輸入產(chǎn)生影響。圖2.4逆變電路圖2.4中各相逆變器結(jié)構(gòu)相同，為全橋逆變電路。采用高頻spwm技術(shù)，功率開關(guān)管選用igbt，開關(guān)頻率為30hz。通過正弦波 控制信號(hào)與三角波比較的方法，得到基波為50hz的spwm波，再經(jīng)濾波器濾除高頻，可輸出低失真的50hz正弦波。整流晶閘管的選?。壕чl管的電壓額定值： （2-7）其中為電壓波形系數(shù)，為安全系數(shù)晶閘管的電流額定值： （2-8）開關(guān)器件的選擇:電壓額定值： （2-9）電流額定值: （2-10）設(shè)計(jì)要求ups電源的功率s=10kva，功率因數(shù)為0.8， 輸出交流電壓uo=380v 。則可以

12、計(jì)算出 io=11.75a根據(jù)晶閘管的電壓額定公式可求出，晶閘管的額定電壓值，并確定晶閘管的選取 根據(jù)晶閘管的電流額定公式可求出，晶閘管的額定電流值，并確定晶閘管的選取 根據(jù)所求參數(shù)確定相應(yīng)器件的選取3整體電路市電經(jīng)過三相橋式全控整流電路進(jìn)行整流，將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，給蓄電池充電，同時(shí)經(jīng)過逆變器將直流轉(zhuǎn)換回交流給負(fù)載供電，此時(shí)負(fù)載得到的交流電壓比市電電壓質(zhì)量高，即使市電發(fā)生質(zhì)量問題，也能獲得正常的恒壓恒頻的正弦波交流輸出，并且具有穩(wěn)壓穩(wěn)頻的功能，因此也稱為穩(wěn)壓穩(wěn)頻電源。同時(shí)，如果主回路發(fā)生故障，有旁路電源做為備用，這樣，便提高了供電的可靠性。整體設(shè)計(jì)電路圖如圖2.5所示。圖2.5 整體設(shè)計(jì)電

13、路圖2.2.2 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)有些用戶會(huì)認(rèn)為，ups的負(fù)載能力越大，對負(fù)載的保護(hù)效果會(huì)越好，于是在購買時(shí)選用了高價(jià)格高負(fù)載能力的產(chǎn)品。而用戶在實(shí)際應(yīng)用時(shí)的負(fù)載只是ups額定的30%甚至更少，其實(shí)這樣亦會(huì)影響到ups的使用壽命，畢竟其所帶的電池組很多時(shí)候都不能完全正常地進(jìn)行工作。當(dāng)然也不是說100%的額定負(fù)載是最好的，如果這樣，ups出現(xiàn)任何小問題都會(huì)造成很大的損壞，實(shí)際操作表明選擇50%80%的負(fù)載為最佳。1：過電壓保護(hù)晶閘管的過電壓能力較差，當(dāng)它承受超過反向擊穿電壓時(shí)，會(huì)被反向擊穿而損壞。如果正向電壓超過管子的正向轉(zhuǎn)折電壓，會(huì)造成晶閘管硬開通，不僅使電路工作失常，且多次硬開關(guān)也會(huì)損壞管子。因

14、此必須抑制晶閘管可能出現(xiàn)的過電壓，常采用簡單有效的過電壓保護(hù)措施。對于晶閘管的過電壓保護(hù)可參考主電路的過電壓保護(hù)，我們使用阻容保護(hù)，電路圖如圖2.6圖 2.6過電壓保護(hù)電路.晶閘管阻容吸收元件參數(shù)可按表表2.1所提供的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取，電容耐壓一般閘管額定電壓1.11.5倍。表2.1過電壓保護(hù)電路原件選擇參數(shù)晶閘管額定電流it(av)/a1000 500 200 100 50 20 10電容c/uf 2 1 0.5 0.25 0.2 0.15 0.1電阻r/歐姆2510204080100所以選用電容為0.1f，電阻為100歐姆。2：晶閘管的過電流保護(hù)常見的過電流保護(hù)有：快速熔斷器保護(hù)，過電流繼電器

15、保護(hù)，直流快速開關(guān)過電流保護(hù)。 快速熔斷器保護(hù)是最有效的保護(hù)措施；過電流繼電器保護(hù)中過電流繼電器開關(guān)時(shí)間長（只有在短路電流不大時(shí)才有用；直流快速開關(guān)過電流保護(hù)功能很好，但造價(jià)高，體積大，不宜采用。因此，過電流保護(hù)選用快速熔斷器如圖2.7。圖 2.7過電流保護(hù)電路對于晶閘管的過電流保護(hù)，快速熔斷器的熔體采用一定的銀質(zhì)熔絲，周圍充英砂填料，構(gòu)成封閉式熔斷器。選擇快熔，要考慮一下幾點(diǎn)：（1）快熔的額定電壓應(yīng)大于線路正常工作電壓；（2）快熔的額定電流應(yīng)大于或等于內(nèi)部熔體的額定電流；（3）熔體的額定電流是有效值。對于快速熔斷器的選擇，要選擇晶閘管額定平均電流的1.2-1.5倍。2.3 元器件型號(hào)選擇經(jīng)過

16、計(jì)算分析和查找有關(guān)資料選擇如下器件：1蓄電池選擇ifr32900e型12v 15ah蓄電池。2整流電路晶閘管選擇3ct3型。3整流電感選擇80mh的。4整流變壓器選擇變s11-1000/10型。5逆變電路晶閘管選擇3ct20型。6對整流電路過電壓保護(hù)電路中選電容0.1f，電阻為100歐姆。對逆變電路電容選擇0.15f，電阻80歐姆。7電流保護(hù)電路選擇117ksz型快速熔斷器。2.4 系統(tǒng)仿真1：整流部分 采用三相橋式全控整流電路，通過matlab仿真取以下波形圖2.8整流輸入三相線電壓波形圖2.9 a=60度輸出電壓2.10輸出電流圖2：逆變部分 本設(shè)計(jì)選擇三相全橋逆變電路，三相逆變器采用三個(gè)

17、單項(xiàng)橋分別變換，然后再把輸出按120°的相位差組合起來的方式。圖2.11逆變部分仿真波形第三章 課程設(shè)計(jì)總結(jié)經(jīng)過數(shù)日的研究，我終于完成了我的課程設(shè)計(jì)。本次課程設(shè)計(jì)讓我體會(huì)頗深，知道了理論聯(lián)系實(shí)際的重要性。平日的學(xué)習(xí)中，我總是馬馬虎虎，理論上大概過得去就可以，而且做題時(shí)只要思路明確即可，不用考慮很多實(shí)際問題，但是在實(shí)際的問題上，卻絲毫馬虎不得，萬事都得考慮好因因果果，否則一旦配合不好，即達(dá)不到預(yù)期結(jié)果。本次課設(shè)題目是10kva ups電源初步設(shè)計(jì)。剛開始，我很困惑，不知從何下手，經(jīng)過大量資料的翻閱，大概得到了整體電路設(shè)計(jì)的方案。但是定量的要求卻完全達(dá)不到，后來經(jīng)過老師所給材料，找到突破

18、口。經(jīng)歷了一次又一次的失敗，我積累了許多寶貴的經(jīng)驗(yàn)。在經(jīng)過了數(shù)天的努力，終于達(dá)到了本次課設(shè)題目的要求，完成了本次課程設(shè)計(jì)。課設(shè)的過程是艱辛的，但是收獲是巨大的。首先，我們再一次的加深鞏固了對已有的知識(shí)的理解及認(rèn)識(shí)；其次，我們第一次將課本知識(shí)運(yùn)用到了實(shí)際設(shè)計(jì)，使得所學(xué)知識(shí)在更深的層次上得到了加深。再次，因?yàn)檫@次課程設(shè)計(jì)的確在某些方面存有一定難度，這對我們來講都是一種鍛煉，培養(yǎng)了我自學(xué)、查閱搜集資料的能力；再有，課程設(shè)計(jì)過程中，我們曾經(jīng)面臨過失敗、品味過茫然，但是最終我們還是堅(jiān)持下來了，這就是我們意志、耐力和新年上的勝利，在今后的日子里，它必將成為我們的寶貴財(cái)富。它是對我們綜合性訓(xùn)練，培養(yǎng)我運(yùn)用課程中所