UPS不间断电源

毕业设计（论文）11.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,UninterruptiblePowerSystem),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。1.2UPS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。于此同时，《行业UPS市场状况分析》[16]上显示，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市场占有率毕业设计（论文）2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的分类和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(UninterruptiblePowerSystem)。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。1.3.1动态UPS工作原理所谓动态UPS就是指供电不间断是靠动能来实现的，也就是早期的采用柴油发电机—电动机—发电机组来实现电能变换的装置，其结构如图1-1所示。当电网供电正常时，交流电驱动交流电动机旋转，从而带动交流发电机和同轴的惯性K轮同速运转，由发电机发电供给负载。当电网电压出现波动或某些尖峰干扰时，由于惯性飞轮的作用，较短时间的电压波动或短时间干扰并不影响惯性飞轮的正常运转，从而保证了负载上电压的稳定性；一旦电网供电间断，电动机就停止运转．这时发电机依靠同轴飞轮上所储存的巨大动能而继续发电，使负载的供电时间得以延长，以便现场工作人员保护现场。但在这种方案中，依靠动能储存的飞轮延长市电断电时的供电时间势必受到限制。1.3.2静止式UPS静止式(静态)UPS与动态(旋转式)UPS相比较而言，没有电动机、发电机和飞轮之类旋转体，它通过由功率半导体器件组成的电能变换主电路对电能实现变换。现在人们概念中的UPS均是静止式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，由毕业设计（论文）3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充电器蓄电池组毕业设计（论文）4旁路BAA电网A△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工作过程变压器整流器逆变器变压器转换开关K充电器毕业设计（论文）5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：电网变压器转换开关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。有的后毕业设计（论文）6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毕业设计（论文）72.UPS总体结构和整流、逆变主电路2.1UPS总体结构10KVAUPS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。2.2UPS整流、逆变主电路的设计10KVA—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。它主要由输入滤波器、三相电源变换器、三相不控整流桥、阻容吸收装置、单相倍频逆变桥、输出变压器，其电路如图2-2所示。2.2.1三相电源变压器1B三相电源变压器1B的功能是：1.将UPS与市电隔离。2.220V变换为110V(防止IGBT击穿)。毕业设计（论文）8图2－1UPS总体结构框图2.2.2三相不控整流桥（1D6D）三相不控整流桥（1D6D）由三个整流管模块构成,它的功能是将三相交流电压变换为单相脉动直流电压。其输出电压平均值近似由公式2.1决定。dV»6´110V=269V(2.1)123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:15-Jun-2007SheetofFile:G:\BACKUP~1.DDBDrawnBy:电网整流、逆变转换开关驱动电路调整电路保护电路SPWM充电电路电池输出主电路毕业设计（论文）9图2-2UPS整流、逆变主电路2.2.3单相倍频逆变桥单相倍频逆变桥如图2-3所示，它的功能是将直流电压dV或eV变成单相正弦脉宽电压。它由四块IGBT模块组成，输入端接整流器。输出端通过2B接负载。IGBT模块的栅极分别接驱动脉冲。图2－3单相倍频逆变桥其工作过程如下1.在0t1t期间1Gv与4Gv为gv，2Gv与3Gv为0，1T与4T导通，2T与3T截止，变压器2B123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:14-Jun-2007SheetofFile:G:\涂祎\BA7959~1.DDBDrawnBy:C3T1T2T3T4VaVbVcD1D3D5D2D4D6D7D8C1C2R1R2Vo220VB1110V123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:14-Jun-2007SheetofFile:G:\涂祎\BA7959~1.DDBDrawnBy:T1T2T3T4ViC?+-12Vo'毕业设计（论文）10初级电压1i沿着dV+®1T®1®2®4T®dV-路径流动，故12V=dV0V'=dV2.在1t2t期间1Gv与3Gv为gv,2Gv与4Gv为0，4T截止，变压器2B的初级电流1i沿着2®3T®1T®1流动，将变压器中2B储存的能量消耗在电路电阻中。由于3T、1T导通，变压器2B的1、2两端被短路，故12V＝0'0V＝02t'0t期间重复上述过程。3.在'0t'1t期间1Gv与4Gv为0V，2Gv与3Gv为Gv，2T、3T导通，变压器初级电流1i沿着dV+®3T®2®1®2T®dV-路径流动。由于2T、3T导通，故21V=dV0V'=dV4.在'1t'2t期间1Gv与3Gv为0V，2Gv与4Gv为Gv