不间断电源设计_毕业设计

不间断电源设计

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能够影响到电网的供电质量。一套好的UPS系统可以提高运行的稳定性，随着单片机，DSP等的应用，UPS已经可以实现全数字化和智能化。同时，电力电子器件的飞速发展也为主功率部分的简化以及先进控制策略的应用提供了必要条件。目前，以电力电子器件组成的逆变器，以单片机为控制核心的UPS电源已普遍应用于我国的各行各业，而本课题就是以IGBT组成的逆变器，以单片机为控制核心的不间断电源为基础展开研究和设计的。

目录

摘要 (1)

ABSTRACT ............................................................. 错误！未定义书签。

1.绪论 (3)

1.1引言 (3)

1.2UPS发展现状 (3)

1.3不间断电源UPS的分类和结构 (3)

1.3.1动态UPS工作原理............................... 错误！未定义书签。

1.3.2静止式UPS (4)

1.4本设计技术参数 (6)

2.UPS总体结构和整流、逆变主电路 (7)

2.1UPS总体结构 (7)

2.2UPS整流、逆变主电路的设计 (7)

2.2.1三相电源变压器 (8)

2.2.2三相不控整流桥 (8)

2.2.3单相倍频逆变桥 (9)

2.2.4阻容吸收装置 (10)

3.控制电路 (11)

3.1正弦脉宽调制电路 (11)

3.2驱动电路 (13)

3.3调整电路 (14)

4.转换开关 (17)

4.1转换开关的主电路 (17)

4.2触发电路 (19)

4.3控制电路 (21)

5.充电电路 (23)

5.1充电电路的主电路 (23)

5.2充电电路的控制电路 (25)

5.3充电过程 (28)

6.保护电路 (30)

6.1过压保护 (30)

致谢 (35)

参考文献 (33)

附录一:整流逆变主电路 (34)

附录二：触发电路 (34)

附录三：控制电路 (35)

附录四：充电电路 (37)

1.绪论

1.1 引言

现代社会中，电能是一种使用最为广泛的能源，其应用程度是衡量一个国家发展水平的重要标志之一。随着科学技术的发展，人类社会对电能的需求正日益增加，同时对电能质量以及供电安全性的要求也越来越高。例如，在银行、证券、通信、工业自动化生产线、办公自动化、医疗、甚至物业管理等各行业中，供电故障将有可能对其带来巨大的经济损失。特别是随着Internet高速发展和信息化、网络化建设步伐的加快，数据安全成为各行业普遍关注的问题，然而供电的故障对数据的安全性将无疑是致命的。使用不间断电源(UPS, Uninterruptible Power System),确保关键用电设备的安全性是解决上述问题的最重要的方法之一。这也使得全社会对不间断电源的需求日益增加。

1.2 UPS发展现状

自二十世纪六十年代出现了一种新型的交流不间断供电系统以来。以美国为代表的发达国家相继开始了对UPS的生产、研究工作。发展至今，己研究、制造出形形色色、种类繁多的各式UPS。其被广泛的应用于金融、电信、政府部门、邮政、税务等企事业单位。

同一切先进技术一样，在广大市场的需求下，在各种先进控制技术的强力推动下，UPS也正在不断的朝着自己的方向发展。目前，国内外学者都对UPS开展了广泛的研究工作，各种先进的控制技术被引入。在此基础上，许多国外知名UPS 生产厂商，如山特、梅兰日兰、APC等，纷纷利用自己的技术优势推出了多款集数字化、智能化、网络化于一身的新一代UPS。

作为UPS消费大国的中国，不论是大功率市场还是小功率市场，我国的国产UPS市场占有率都小于50%,甚至30%都不到。由此可见，与国外相比，我国在UPS 研究与生产领域都还处于一个弱势阶段。

1.3不间断电源UPS的结构

所谓不间断电源就是当交流电网输入发生异常或中断时，它可以继续向负载

供电，并能够保证供电质量，使负载供电不受影响。这种供电装置称为不间断电源装置，或者称为不间断供电系统，简称UPS(Uninterruptible Power System)。不间断供电装置依据其向负载提供的是交流还是直流可分成两大类型，即直流不间断供电系统和交流不间断供电系统，但习惯上人们总是将交流不间断供电系统简称为UPS。正因为如此，本书也沿用这一习惯称呼而将交流不间断电源简写为UPS。

1.3.2 UPS

静止式UPS的经典方案如图1-2所示，其原理是：电网正常时，市电经整流器变成直流，再经逆变器将直流变成交流，后经转换开关送给负载；在电网异常时，由蓄电池给逆变器提供直流电能，经逆变器变成交流后送给负载；当整流器、逆变器或蓄电池等单元出现故障时，可经过转换开关将市电旁路给负载。

图1-1 动态UPS结构图

对静止型UPS而言，按其工作方式又可分为在线式(online)和后备式(offline)两种，但无论是后备式还是在线式UPS，其基本结构大体相同，只是在工作方式上和为负载供电的质量上有一定的差异。下面就图1-2来简要说明在线式和后备式UPS的异同点，同时说明在线式和后备式的含义。

（1）在线式UPS工作过程

在线式UPS的工作过程是，电网正常供电时，交流电经输入变压器后，一方面经充电器给蓄电池充电，另一方面经整流器变成直流后送至逆变器，经逆变器变成交流后再通过输出变压器，最后经转换开关(K接4点)送给负载。此时的电能流向如下：

电网输入变压器整流滤波逆变器输出变压器转换开关负

载

蓄电池组

蓄电池

图1-2 经典型UPS结构框图

电网供电异常时(过压、欠压、断电)，保护电路(图1-2中未画出)将切断输入市电与UPS的联系，让蓄电池为逆变器提供直流电能，此时的能量流向如下：蓄电池组逆变器输出变压器转换开关负载

由上述可见，在线式UPS就是指电网正常供电时，电网一方面对蓄电池充电，另一方面经过UPS内部处理和变换后再送给负载；电网停电或供电异常时，由蓄电池向逆变器提供电能，保证负载供电不间断。在电网供电转为电网中断、蓄电池供电时，负载供电没有任何中断。当然，这是UPS内部无任何故障时的情况。若UPS内部任何一个单元出现故障，则控制电路可使转换开关由K接A点转换为B 点，即实现旁路输出。这样的转换一是有转换时间(供电有间断)，二是此时市电必须不中断，否则负载供电就无保障了。为了使转换过程不影响负载工作，应该使转换时间尽可能短，考虑到较大的滤波电容的储能作用，转换时间一般应小于3ms。目前，功率稍大一些的UPS为了缩短转换时间，大都采用静态无触点电子开关，这就大大缩短了转换时间。

（2）后备式UPS工作过程

后备式UPS的工作过程是：电网供电正常时，电网一方面经变压器至充电器给蓄电池组充电；另一方面经变压器和旁路开关(K接B点)送给负载。此时的电能流向如下：

负载

充电器蓄电油组

供电异常时，控制电路立即切断电网与负载的联系，同时起动逆变器并使K 由接B转为接A，继续由蓄电池提供电能向负载供电。此时的电能流向如下：

蓄电池组逆变器输出变压器转换开关负载

这时的能量流向和在线式是一样的，只是转换为蓄电池输送电能这个过程和在线式UPS有区别，即在线式UPS当电网异常转为蓄电池提供电能时不存在转换时间，而后备式UPS存在一定的转换时间，这种转换时间和在线式UPS中的转换旁路时间一样，一般希望其愈短愈好。

通过上述可见，后备式UPS就是指电网正常供电时，电网通过旁路开关直接送给了负载，同时也给UPS的蓄电池充电。送给负载的是没有经过UPS加工和处理的电网的电，供电质量明显不及在线式UPS的供电质量好。在电网供电出现异常时，才启动UPS内部的逆变器工作，将蓄电池提供的直流电能变成交流电能后送给负载。

后备式UPS和在线式UPS虽然其基本结构大致一样，但在电网正常供电时，在线式UPS的输出较后备式UPS的输出交流电质量好，这主要是说在线式UPS的输出是稳压、稳频的，而后备式UPS最多对输出采取粗稳压而没有稳频等其他处理功能。不但如此，在电网供电异常、蓄电池组开始向逆变器提供能量时，在线式UPS没有转换时间，后备式UPS是有一定的转换时间的。因此从工作方式和供电质量上看，电网供电时和电网供电转为蓄电池组提供电能的转换过程，在线式UPS的性能优于后备式。有的后备式UPS的生产厂家加了电网滤波装置，有的在输出变压器上增加了一些抽头，以实现对输出的简单稳压，使其产品的性能有所改善，但终究和在线式还有一定差距。但后备式UPS约造价低于在线式UPS，因此小容量的后备式UPS也得到了广泛的应用。

1.4 本设计技术参数

本文设计的是静止型不间断电源，而在线式和后备式相比，有着明显的优势，所以本文设计在线式的UPS。其技术性能如下：

输入电压：三相四线制380V、50Hz交流电压

输入电压范围：380V土10％

输入频率范围：50Hz土5％

输出电压：单相220V、50Hz交流电压

电压稳定度：220V土2％

频率稳定度：50Hz土0.5％

蓄电池组：采用12v、38A﹒h全密封电池16块

满载工作时：蓄电池组能维持15min

2.UPS总体结构和整流、逆变主电路

2.1 UPS总体结构

10KVA UPS电源的总体结构框图如图2-1所示。在图2-1中：

1.主电路、调整电路、正弦脉宽调制电路、驱动电路构成双闭环调节系统，使UPS输出电压稳定、输出波形失真小。

2.主电路设置很大的滤波电容器，可以吸收来自电网的各种干扰信号，从而提高UPS的抗干扰性。

3.设置了充电电路，为蓄电池充电。

4.设置了完善的保护系统，是电力电子模块、蓄电池得到可靠的保护。

5.设置了转换开关，一旦逆变器出现故障，便使逆变器输出转换为市电输出。

电网正常供电时，电网一方面通过主电路先整流，再逆变成标准正弦交流电压后，经过转换开关输出；同时，电网又通过充电电路变成直流电压向蓄电池充电。电网中断供电时，蓄电池通过逆变器变成标准正弦交流电压，该电压又经过转换开关输出。逆变器出现故障时，UPS通过转换开关进行旁路输出，并停止逆变器工作。

2.2 UPS整流、逆变主电路的设计

10KV A—UPS主电路的功能是将非标准正弦波电压变换为标准正弦波电压。

4.在'1t '2t 期间

1G v 与3G v 为0V ，2G v 与4G v 为G v ，3T 截止，变压器初级电流1i 沿着1?2T ?4T ?2路径流动，将变压器2B 中储存的能量消耗在电路电阻中。由于2T 、

4T 导通，变压器2B 的1、2两端被短路，故

21V ＝0 '0V ＝0

'2

t '

0t ；期间重复上述过程。 对输出电压0v 进行博氏级数展开，输出电压基波分量为：

01v =e d V sin 1t w

输出电压中最低次谐波的频率为：f +1f ，f -1f 。其中，f 为驱动脉冲的两倍，1f 为调频，一般为50H ：。 电力电子模块的主要参数如下：

1）DSO BV

DSO BV ＝(1.65 2.64) × d V

＝(1.65 2.64)×269 ＝444 710V 选择DSO BV 为600V

2) DM I

DM I =

2i P E

d 考虑到蓄电油放电终厂时，仍能维持满载输出；另外考虑到占空比d 为0.3时，

也能维持满载输出，则

DM I ＝2′10000/(0.3′16′10.5)=396A 选择DM I 为400A

3) GE V

GE V =(1. 5 2.5) ()GE th V =1.5 2.5) ′5=7.5 12.5V 故可选择GE V 为15 V

2.2.4 阻容吸收装置

阻容吸收装置由1R 、2R 、1C 、2C 、7D 、8D 组成。若单相倍频逆变器输入端

出现过电压，过电压首先通过7D 向1C 充电，由于电容器两端电压不能突变，故过电压被吸收。IGBT 模块导通时，电容器1C 通过1R 、IGBT 模块放电，1R 限制了放电电流，从而保护了IGBT 模块。

3.控制电路

三角波发生器、比较器、同相器、倒相器、延时电路及控制门组成。

(1)正弦脉宽驱动信号的产生

三角波发生器是由集成运放33U 及电容器153C 构成。压控振荡器输出信号经过2分频后，通过273C 、303R 加在33U 反相端(6脚)，在33U 输出端输出三角波。由于集成运放33U 采用单电源，故6v 直流偏置电压通过403R 加在33U 的同相端，于是输出的三角波在6v 基础上进行变化，其波形如图3-2(a)所示。输出的三角波一路加在比较器83U 反相端(8端)；另一路通过由273R 、383R 及运放33U 构成的倒相器后输出反三角波。由于33U 采用单电源，6v 偏置电压也通过393R ，加在运放33U 同相端(3脚)，故反三角波也是在6v 基础上进行变化，其波形如图3-2(a)中虚线所示。反三角波信号加在比较器83U 的反相端(10脚)。

小于反三角波电压，比较器输出端为低电位。其输出波形如图3-2 (c)所示。

(2)由两组驱动信号变成四组驱动信号

由于单相逆变桥由四个桥臂组成，放需要四组驱动情号 ·1T 的驱动脉冲与2T 的驱动脉冲相位相反。 ·3T 的驱动脉冲与4T 的驱动脉冲相位相反。

为了将两组驱动脉冲变为四组驱动脉冲，特采用两组同相器及两组反相器，同相器与反相器均由异或门123U 组成，异或门有一个输入端接低电位，则构成同相

器；异或门有一个输入端接高电位，则构成反相器。其电路如图3-2所示。 比较器输出端(14脚)输出信号通过同相器时，其输出脉冲相位不变，波形如图3-2 (b)所示；输出信号经过反相器时，其输出脉冲相位相反，波形如图3-2 (d)所示；比较器输出端(13脚)输出信号经过同相器时，其输出脉冲相位不变，波形如图3-2 (c)所示；输出信号经过反相器时，其输出脉冲相位相反，波形如图3-2 (e)所示。

3.2 驱动电路

驱动电路的功能是为IGBT 提供正、负栅压，保护IGBT 模块，隔离主电路与控制电路的电联系。它由达林顿驱动器和Ex 跳41混合驱动器组成，其电路如图3-1所示。

(1)达林顿驱动器

在图3-1中，213U 采用的是ULN2004AN 集成芯片，它是达林顿驱动器，其外形及内部结构示意图如图3-3所示。

图

图3－3达林顿驱动器

由于EXB841混合驱动器的输

入端需要的输入功率比较大，而与门173U 输出脉冲的功率比较小，不足以驱动EXB841混合驱动器正常工作，故需要设置达林顿驱动器以放大驱动脉冲的功率。

(2) EXB841混合驱动器

EXB841混合驱动器内部结构示意图如图3-1所示，它内部包含光电锅合器、驱动器、过载保护电路。光电耦合器的作用是隔离主电路与控制电路之间电的联系。驱动器的作用是放大驱动脉冲功率。驱动信号为m v 时，EXB841输出端3脚为高电位，驱动电流沿3脚? IGBT 模块输入电容?iss C ? 1脚流动，向电容器iss C 充电，c v 逐渐上升；当c v 上升到IGBT 的开启电压时，IGBT 模块导通，IGBT 随c v 幅度上升而逐渐进入深度饱和。驱动信号为“0”时，EXB841输出端3脚与1脚之间出现－5v 电压，输入电容iss C 通过3脚、1脚放电；当c v 下降到IGBT 的截止电压时，IGBT 模块截止。IGBT 模块截止后，发射极与栅极之间承受反向电压，维持IGBT 模块截止。

瞬时保护电路的作用是保护IGBT 模块。

IGBT 模块的过载能力低，瞬时过载便可使之损坏，故需要设置瞬时保护电路。它由过流检测电路、低速切断电路组成，其功能是将过载电流限制在安全工作区域。该电路采用延迟搜索方法进行保护。所谓“延迟搜索”，就是实时检测UBT 模块两端电压：若超出设定电压值，先将栅极电压从15v 降至某一设定值(如10V)，延时10m s 左右再进行检测；如故障消失，自动将栅极电压恢复到15V ；如放降未消失，自动将栅压降至0V 以下，关断IGBT 模块。

3.3 调整电路

闭环负反馈调整电路的功能是稳定UPS 输出电压、改善UPS 输出波形。它是由调整电路、SPWM 电路、驱动电路及主电路组成。调整电路包括波形调整电路、电压调整电路。

(1)波形调整电路

波形调整电路由检测电路、给定电压、误差放大器组成。

检测电路在这里指的是交流电压检测电路，它由降压变压器13B 、电阻分压器

263R 、253R 组成。设变压器的变比为n ，则变压器次级电压为：

2V ＝

V n

电阻分压器输出电压为：

25

22526

333f R V V R R =

?+

令 ()25

2526333R F R R n

=

+

则 0f V F V =

上式表示：检测电压f V 与UPS 电源输出电压成正比。该电压通过353R 及校正网络(313C 、173R 、333R )加到误差放大器43U 的反相端。

给定电压是由Sigma PWM1300L 集成芯片提供。

给定信号通过14脚加在8分频器输入端，经过8分频后变成100Hz 对称脉冲加在外接2分频器输入端，经过2分频后变成50Hz 对称脉冲，由12脚、13脚接回集成芯片。800Hz 、100Hz 、50Hz 脉冲同时加在阶梯波发生器输入端，在其输出端获得16阶梯波。由12脚输入的50Hz 脉冲经过变换器变成同频率窄脉冲，加在

电子开关的控制端。电子开关输入端接固定6v 直流电压。每当阶梯波过零时，电子开关闭合，6v 直流电压便加在阶梯波上，使阶梯波向上提高6v 。阶梯波通过滤波器变成光滑正弦波输出。正弦波电压通过163R 、123C ，加在误差放大器43U 反相端。设给定电压为m v 。

误差放大器的功能是放大给定电压与测量电压之差，以提高闭环调整系统精度。误差放大器是由43U 中8脚、9脚及10脚，电阻173R 、183R ，电容器183C 、19

3C

一样，即

检测电压波形＝输出电压波形

由于负反馈足够大，故

m v ?f v

则 检测电压波形?输出电压波形

因此，UPS 输出电压波形与给定电压波形相同。由于给定电压是标准正弦波，故UPS

输出电压也是标准正弦波。

(2)电压调整电路

电压调整电路由检测电路、给定电压、误差放大器及跟踪器组成。其中检测电路这里指的是直流电压检测电路，它由降压变压器13B 、整流电路、电阻分压器

223R 、213R 、363R 组成。给定电压是由12V 电源、电位器23VR 、电阻43R 构成的分压器提供的。

1v 为止半周时，2T 两端加的是正向电压，1T 两端加的是反向电压，1T 、2T 的控制极虽然均加上正向电压，但是只有2T 导通。故2T V ＝0.7V ，1T V ＝-0.7V ，01v v ?。

1v 为负半用时，1T 两端加的是正向电压，2T 两端加的是反向电压，1T 的控制极又加上正向电压，故1T 导通、2T 截止。因此有1T V ＝0.7V ，2T V ＝-0.7V ，01v v ?。

以后便以2p 为周期重复上述过程。

逆变器出现故障时，交流电子开关2KS 上作，交流电子开关1KS 不工作，市电电压通过旁路闸刀开关2NFB ，电子开关2KS 加到负载。其工作过程如下。 设市电电压为：

2v ＝2m v sin 2w t

2v 为正半用时，3T 两端加的是正向电压，4T 两端加的是反问电压，3T 、4T 的控制极虽然均加上正向电压，但是只有3T 导通。故扩3T V ＝0.7V ，4T V ＝-0.7V ，

02v v ?。

2v 为负半周时，4T 两端加的是正向电压，3T 两端加的是反向电压，4T 的控制极又加上正向电压，故4T 导通、3T 截止。故3T V ＝0.7V ，4T V ＝-0.7V ，02v v ?。

以后便以2p 为周期重复上述过程。

若逆变器与自动转换开关出现故障，则采用于动转换开关2K 。2K 闭合时，市电通过旁路闸刀开关2NFB 及2K 加在负载上。若旁路闸刀2NFB 损坏，则采用手动转换开关3K 。3K 闭合时，可以直接将市电加到负载。手动转换开关所处位置如图4-1所示。

4.2触发电路

触发电路的功能是为主电路中晶间管的控制极提供正向电压。触发电路由脉冲发生器、脉冲分配器、变换器等三部分组成。如图4-2所示。

(1)脉冲发生器

如图4-2所示，脉冲发生器是由555时基芯片，电阻154R 、234R ，电容器5

4C 及二极管184D 、174D 组成。18V 电压经过74C 、144R 、64C 滤波，再经过14ZD 变成稳定12 V 电压加在555时基芯片的8脚与1脚之间。其工作过程如下。

设电路初始状态是555时基芯片输出端(3脚)为“1”，其内部晶体管截止。 12V 电源通过154R 、184D 向电容器54C 充电，电容器两端电压5C v 从略低于4 V 开始

·当4V ＜5C v ＜8V 时，555时基芯片输出状态不变，其内部晶体管仍截止，电容器54C 继续充电，5C v 继续升高。

·当计5C v ＞8V 时，555时基芯片输出状态发生跳变，输出端由“1”，变为“0”，其内部晶体管导通。

电容器54C 通过二极管174D 、电阻234R 、 7脚，内部晶体管放电，电容器两端电压5C v 降。

·当4V ＜5C v ＜8V 时，555时基芯片输出状态不变，其内部晶体管仍导通,电容器54C 继续放电，5C v 下降。

·当。5C v ＞8V 时，555时基芯片输出状态发生跳变，输出端由“0”变为“1”，

图4-3波形图

(2)脉冲分配器

脉冲分配器的功能是将单列脉冲变成互差0180的双列脉冲。脉冲分配器有两路输出，这两路输出的上作过程相同，故下面只分析其中一路的工作过程，即由

14T 、24T 组成的分配器的工作过程。

如图4-2所示，脉冲发生器输出信号经过64R 、74R 分压后加在晶体管34T 的基极，该信号又经过84R 、94R 分压后加在晶体管44T 的基极。

·若555时基芯片3脚为低电位，晶体管44T 截止?晶体管84T 导通?晶体管

14T 导通。通过变压器B —2初级的电流沿下面路径流动：

18V 电源“十” ?104T ?124R 、194R ? “6”? “7”?14T ?地?18V 电源“－”

变压器次级感应出对应的电压，同时晶体管34T 导通。晶体管24T 截止。 ·若555时基芯片3脚为低电位，晶体管34T 截止，晶体管24T 导通。通过变压器B —2初级的电流沿下面路径流动：

18V 电源“十” ?104T ?124R 、194R ? “6” ? “5” ?24T ?地?18V 电源“-”

变压器次级感应出对应的电压，此时晶体管44T 截止一晶体管84T 截止、晶体管14T

以后便重复上述过程。

(3)变换器

变换器的功能是将脉冲变成对应百流电压。变换器由相同的四组电路组成，每组电路的工作过程相同。下面分析其中一组电路的工作过程，即由1444D D 组成的变换器的工作过程。

·晶体管14T 导通，24T 截止时，通过变压器初级的电流沿下面路径流动： 18V “十”?104T 、124R 、194R ? “6”?“7”?14T ?地‘18V “—”

变压器次级感应出电压，1端为“+”、2端为“-”。通过变压器砍级的电流沿下面路径流动：

“1” ?44D ?14R ?24R ?24D ?“2” “1” ?44D ?14C ?24D ?“2” 该电流向电容器14C 充电。