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1.2UPS电源性能特点简单介绍2
1.3UPS的分类和结构3
1.3.1在线式UPS工作过程4
1.3.2后备式UPS工作过程5
1.4本章小结6
第2章数字控制技术7
2.1数字与模拟控制7
2.2数字信号处理器(DSP)8
2.3本章小结10
第3章系统的设计方案11
3.1技术性能指标要求11
3.2系统主要元器件选择12
3.2.1整流电路中二极管的选择12
3.2.2逆变电路中IGBT的选择12
3.3本章小结13
第4章系统硬件电路的设计14
4.1功率因数校正电路14
4.1.1功率因数校正的简介14
4.1.2功率因数的校正方法15
4.1.3功率因数校正的主电路分析18
4.1.4采用UC3854控制的有源功率因数校正电路18
4.2逆变器22
4.2.1逆变电路22
4.2.2正弦波脉宽调制技术(SPWM)23
4.2.3DSP在逆变器中的应用25
4.3DC/DC变换器26
4.3.1DC/DC主电路26
4.3.2使用DSP实现DC/DC27
4.4充电电路29
4.5驱动电路30
4.5.1基于M57962L的IGBT驱动与保护电路设计30
4.5.2基于EXB841的IGBT驱动与保护电路设计31
4.6键盘、显示电路33
4.7仿真接口电路34
4.8串行通信接口电路34
4.8.1SCI简介34
4.8.2串行通信接口电路35
4.9检测及保护电路35
4.9.1输入过流检测35
4.9.2输入过压保护电路36
4.9.3输出过流保护电路37
4.9.4输出过压保护电路38
4.9.5蓄电池保护电路39
4.10辅助电源41
4.11本章小结43
第5章系统软件设计及仿真44
5.1基于Matlab/Simulink的BOOST电路仿真44
5.1.1引言44
5.1.2电路的工作状态45
5.1.3matlab仿真分析46
结论49
致谢50
参考文献51
附录53
CONTENTS
AbstractI
Chapter1Preface1
1.1Introduction1
1.1.1ThedevelopmentprocessandstatusofUPS1
1.1.2ThefuturetrendsofUPS2
1.2AbriefintroductionofUPS’sfeatures2
1.3TheclassificationandstructureofUPS3
1.3.1Theworkprocessofon-lineUPS4
1.3.2Theworkprocessofreservetype5
1.4Chaptersummary6
Chapter2DigitalControlteshnology7
2.1DigitalControlandanalogControlteshnology7
2.2DigitalSignalProcessor(DSP)8
2.3Chaptersummary10
Chapter3Systemdesignscheme11
3.1Therequirementsoftechnicalperformance11
3.2Systemmainprimarydevicechoice12
3.2.1Inlevelingcircuitdiode'
schoice12
3.2.2IncontravariantelectriccircuitIGBTchoice12
3.3Chaptersummary13
Chapter4Systemhardwareelectriccircuit'
sdesign14
4.1Centrifugalpowertomatchcircuits14
4.1.1Thepowerfactoradjustssynopsis14
4.1.2Powerfactoradjustmentmethod15
4.1.3Thepowerfactoradjustsmaincircuitanalysis18
4.1.4UseUC3854controlactivepowerfactorcompensatingcircuit18
4.2Becomeausurper22
4.2.1Againstthesamecircuit22
4.2.2Sinewavepulse-durationmodulationtechnology(SPWM)23
4.2.3DSPininvertor'
sapplication25
4.3DC/DCTransducers26
4.3.1ThemaincircuitofDC/DC26
4.3.2UsesDSPtorealizeDC/DC27
4.4Chargingcircuit29
4.5Drivecircuit30
4.5.1BasedonM57962LIGBTactuationandprotectioncircuitdesign30
4.5.2BasedonEXB841IGBTactuationandprotectioncircuitdesign31
4.6Thekeyboard,showcircuit33
4.6Thekeyboard,showcircuit34
4.8Serialinterfacecircuit34
4.8.1SCIprofile34
4.8.2Serialinterfacecircuit35
4.9Inspectionandtheprotectioncircuit35
4.9.1Enterastreamoftheinspection35
4.9.2Inputoverpressureprotectioncircuit36
4.9.34.9.3Outputovertheprotectioncircuit37
4.9.4Overpressureprotectioncircuitoutput38
4.9.5Batterytheprotectioncircuit39
4.10Auxiliarypower41
4.11Chaptersummary43
Chapter5Systemsimulation44
5.1BasedonMatlab/SimulinkBOOSTcircuitsimulation44
5.1.1Introduction44
5.1.2Circuitofthestate45
5.1.3Matlabsimulationanalysis46
Conclusion49
Thanks50
References51
Appendix153
第1章绪论
1.1引言
1.1.1UPS的发展过程与现状
电网中经常发生电涌,高压尖脉冲,暂态过电压,电压下陷,电线噪声,频率偏移,持续低电压,市电中断等现象。
这些都会对计算机等关键设备的正常工作和安全造成了危害。
怎样有效地为计算机等关键设备提供高质量的电源供应,并对各种电网危害进行有效屏蔽一直都是电源设计者关注的问题。
UPS的英文全称是UninterruptiblePowerSupply,即不问断电源系统,它是一种介于交流电网和关键负载之间的电力电子装置。
它是一种能为负载提供连续电能的供电系统,其基本功能是当供电电源(市电)失电时保证对负载不问断地供电、确保关键负载连续正常运行。
它是应计算机技术、信息技术以及相关产业飞速发展的需要而产生的。
随着电子技术的飞速发展、电力技术的绿色革命化、各种各样用电设备的增多以及IT业的发展,UPS技术得到了迅速发展,UPS的应用领域也迅速扩大。
在银行、证券、医疗、军事、航空航天等领域,UPS已经成了标准配置。
目前,在国内市场上,美、日、德、法等国厂家(公司)由于进入中国较早,
技术先进,一直主导着高档市场,而国内一些中外合资企业和生产历史较长的厂家也因注重高档产品的开发和生产,在中高档市场占有一席之地。
我国民族产业的UPS生产厂商约有200多家,但大多生产小功率,中低档的UPS,主导着低档市场。
随着UPS市场的扩大,世界自由贸易的发展,中高档UPS性价比的提高,低档市场的空间会越来越有限,我国自主生产的UPS面对的市场竞争会越来越激烈。
为了缩小与外资企业的技术差距,提高我国自主生产的UPS产品的市场竞争力,加强对UPS技术的研究和开发就显得尤为重要了。
1.1.2UPS的未来发展趋势
UPS行业的规模和市场在变得越来越大的同时,市场对UPS各项功能的技术指标也提出了越来越高的要求。
UPS功能也逐渐从最初的单纯提供后备时间发展一章绪论到提供后备时间、改善供电质量及改善电网质量等多重功能。
未来UPS的发展趋势是智能化、高频化和绿色化。
智能化网络化设计是伴随着网络技术和信息产业的发展逐步提出的,它要求UPS具有自我维护、实时监测、远程控制及信息网络化功能,是UPS技术发展的大方向。
当采用IGBT控制逆变器,利用PWM脉冲信号对IGBT进行驱动时,载波的频率决定了逆变波形的质量,高频的PWM脉冲会产生更好的输出波形。
高频化是应市场需求、UPS技术发展的需要,并伴随着可控器件技术的发展和数字化技术的进步而逐步实现着的,高频化是一个长期变动的过程。
UPS所采用的可控器件由可控硅到功率晶体管再到场控器件(MOSFET和IGBT)每一次发展都将开关速度提高了一个数量级。
变换电路频率的提高,使用于滤波的电感、电容大大减少,UPS效率、噪声、体积、动态响应特性和精度等也都大大提高。
UPS的绿色化是在无污染绿色电源装置的呼声下提出的。
由于各种用电设备及电源装置产生的谐波电流及滞后电流严重污染着电网,因此国家出台了各种政策限制电源对电网的危害,UPS的绿色化势在必行。
同时,绿色UPS的厂商也会因此而获益。
UPS除加装高效输入滤波器以外,一般还在电网输入端采用功率因数校正技术,这样既可消除由于本身的整流滤波电路产生的谐波电流,又可以补偿功率因数,使UPS的输入功率因数达到0.98以上。
1.2UPS电源性能特点简单介绍
1提高供电品质
通过输入输出双重隔离以及双变换工作模式,使其输出成为稳压稳频的标准正弦波波形。
不受其输入电源变化的影响。
2市电掉电保护
若输入电源断电,UPS由电力系统自备的直流屏供电(DC110/220V),负载供电无中断。
3提高噪声抑制
由于使用隔离变压器和交---直---交变换方式,输入电源中的杂波被有效地滤除,使负载能得到干净的电源。
4内部安装逆止二极管
UPS的直流输入侧与直流母线之间通过逆止二极管相连,可防止直流母线电压比直流输入侧电压高而向直流屏反灌,起到保护直流屏的作用。
5交流母线与直流母线隔离
完全屏蔽了交流母线与直流母线之间的互相影响。
6延时软启动功能
具有完备的延时软启动功能,能大大减小系统启动过程中对设备和电网的冲击。
7告警和保护功能
具有多种告警方式,可通过声、光、LCD、输入输出接点以及通讯传输方式对当前发生的告警进行及时、准确和详细的提示,在提高系统可靠性的同时,帮助维护人员准确快速地定位及排除故障。
无源故障接点:
“逆变故障、旁路异常、直流异常”AC220V/1A常开触点..
8保护功能
具有输入接反保护、输入欠压保护、输入过压保护、输出超载保护、输出短路保护、过热保护。
1.3UPS的分类和结构
目前在市场上可以购买到种类繁多的UPS电源装置,其输出功率从几百伏安到1000kVA。
UPS电源按其输出电压波形可以分为方波输出和正弦波输出两大类;
按其工作方式分,又可分为后备式和在线式UPS电源两种。
就UPS电源性能来讲,在线式正弦波输出UPS电源为最佳,其次是后备式正弦波输出UPS电源,最后是后备式方波输出UPS电源。
但从价格来看,在线式正弦波输出UPS电源为最贵,后备式正弦波输出UPS电源次之,其中以后备式方波输出UPS电源最便宜。
一台设计良好的UPS电源应包括如下部分:
(1)交流输入,整流、滤波回路;
(2)蓄电池、充电回路;
(3)PWM脉冲调制型的逆变器;
(4)交流市电与UPS之间的自动切换装置;
(5)控制回路;
(6)各种保护(过流、过压、空载保护,电池极性和交流极性检测线路及相关指示灯和喇叭)。
其基本工作原理是:
当市电正常供电时,市电经滤波整流后一方面经充电器给蓄电池充电;
另一方面在逆变器内将直流电逆变为高质量的正弦波电源,通过这样的变换,市电中的所有干扰几乎都被屏蔽掉,这样就避免了由市电带来的任何电压或频率波动及干扰等对用户的影响。
而当市电供电异常时(如过压、欠压、断电等),有蓄电池通过逆变器向负载提供电能,保证负载供电不间断。
1.3.1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:
电网供电异常时(过压、欠压、断电),保护电路(图1-1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:
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。
1.3.2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。
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。
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,当电网突然断电时,蓄电池才对逆变器供电并由UPS的逆变器对负载提供交流电源,即UPS电源的逆变器总是处于对负载提供后备的提供状态。
而在线式UPS电源平时由交流市电→整流→逆变器方式对负载提供交流电源,一旦市电中断时,UPS改由蓄电池→逆变器方式对负载提供电源,只有当蓄电池放电终了时,由控制线路发出信号控制自动切换开关,转成市电供电。
当市电恢复供电后,UPS又重新切换到由逆变器对负载提供电源。
所以,在线式UPS电源在正常情况下,总是由UPS电源的逆变器对负载供电,这样就避免掉所有市电电网而带来的任何电压波动及对负载供电产生的干扰影响。
因而,它的供电质量明显优越于后备式UPS电源,容易实现对微机等负载的稳压、稳频供电,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。
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本章小结
本章介绍了UPS的基本信息,以及它的发展情况,通过这些信息我们可以明确研究目的和意义,又介绍了UPS的工作方式和种类,为本设计做出了明确的研究方向,即在线式UPS系统。
第2章数字控制技术
2.1数字与模拟控制
随着现代生产的不断发展,对UPS的技术要求越来越高,不仅要求输出稳压,稳频,输出电压不间断,转换时间短,环保无污染,还要求电磁干扰低,输入功率因数高,稳定性好,可靠性高,瞬时响应速度快,可用性高,具有适当的智能化水平。
现代UPS技术的要求是传统的模拟控制所难以达到的。
UPS的数字化是在智能化和高频化的发展趋势和进一步提高稳定性的要求下提出的。
UPS的数字化控制是支持UPS发展的关键技术。
数字化控制同模拟控制相比有着诸多优势,比如控制方式实现更简单,控制方式更加灵活,输出性能更加稳定,没有零点漂移,静态工作点稳定,可以实现集成化和小型化等。
随着微电子技术的发展,各种新型器件的不断推出,新的集成块不断涌现,芯片运算速度的进一步提高,使得UPS的全数字化控制及各种先进控制策略的应用成为现实。
UPS的数字化控制技术近年来一直是电源研究领域的一大热点。
当前,微处理器已经普遍应用于UPS的控制,但主要是在一些局部功能上使用微处理器,如显示控制等。
并不能说是真正意义上的数字化。
以往采用的微处理器(如应用最普遍的MCS一51系列单片机等)受数据处理速度的限制,使得UPS的全数字化控制和一些先进的控制策略不能实现。
随着高性能DSP(DigitalSignalProcessor)的出现,凭借着非凡的数据处理能力,这些都可以逐步实现了。
TMS320F2407具有用于高速信号处理和数字控制功能所必需的信号处理速度
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