静态不间断电源UPS的设计

武汉理工大学《电力电力装置及控制》课程设计说明书1静态不间断电源UPS的设计1课程设计要求及方案1.1课程设计要求UPS（UninterruptiblePowerSupply）是指当交流输入电源（习惯称为市电）发生异常或断电时还能继续流输入电源（习惯称为市电）发生异常或断电时，还能继续向负载供电，并能保证供电质量，使负载供电不受影响的装置。UPS能够克服电网电压存在的各种缺陷，为用户高可靠性和高供电质量的交流电源。UPS产品种类越来越齐全，包括几百VA小型UPS到数兆VA大型UPS；有单相UPS，也有三相UPS。本次课程设计初始条件：为了给重要设备提供不间断电源，UPS将市电整流通过逆变器或直接稳压后提供给负载供电，同时向机内蓄电池充电；当市电中断时，UPS立即将电池的电能通过逆变转换向负载供电。单相电源供电。要求完成的主要任务:1）.器件选择及其工作原理。2）.控制系统主电路设计。3）.功率校正/补偿电路、驱动电路、保护电路辅助电路设计。4）.参数设计.5）.适用场合/系统举例（概述）。武汉理工大学《电力电力装置及控制》课程设计说明书21.2UPS设计方案UPS应具备的特性：有不间断的供电能力、可靠性高；输出电压品质好；对电网的影响小；智能程度高；体积小、重量轻。UPS一般分为以下四种类型:后备式(passivestandby)、双变换在线式(doubleconversiononline)、在线互动式(line-interactive)、Delta变换式。图1.1在线式UPS系统框图本次设计采用在线式UPS，其原理框图如图1.1所示。当市电输入正常时，UPS将市电整流通过逆变器或直接稳压后提供给负载供电，此时的UPS是一台交流稳压器，同时向机内蓄电池充电；当市电发生中断时，UPS立即将电池的电能通过逆变转换向负载供电，使负载维持正常工作。图2.1为不间断电源装置组成框图，它由整流器（或PFC电路）、逆变电路、蓄电池组、交流滤波器、静态开关、旁路电源、备用电网（如油机）、整流器（或PFC电路）触发控制电路、逆变器触发控制电路、静态开关控制电路和辅助电路等组成。其中辅助电路又包括电压、频率、温度等的检测电路，辅助电源，启动和停止电路，显示电路，逆相和缺相检测电路，保护和报警电路等。图2.1不间断电源装置组成框图武汉理工大学《电力电力装置及控制》课程设计说明书32蓄电池组的选择2.1蓄电池的种类及其性能指标蓄电池的基本功能:UPS的蓄电池必须具有在短时间内输出大电流的特性，供电时间能维持10分钟左右供电时间能维持10分钟左右。类型:HS型（经济型），AHH型（适合于低温工作），CS型（适用于长时间放电要求）M型（小型密封式）于长时间放电要求）；M型（小型密封式）。蓄电池的基本性能指标：(1)放电终止电压---表示电池不允许再放出电能时的电压，通常为1.75V/单格。(2)放电率---表示放电至终止电压的电流大小或时间快慢。可用放电电流或放电时间表示。例：6Ah的蓄电池，以300mA恒流放电，经过20h后达到放电终止电压则放电率表示为03A放电率或20小时放电率。(3)容量---放电电流与放电时间的乘积来表示，单位为安时(A·h)。例：12V/6Ah的20HR型蓄电池，表示蓄电池的标称电压为12V，标称容量为6Ah，既将此蓄电池以20h的放电率进行放电，放到终止电压105V时所测得的总安时数。(4)放电电流---就是电池的输出电流，它除了用安培来表示外，通常也用电池的容量乘以某个系数来表示。如对于6.5A·h的电池，0.1C的放电电流的实际值为0.1×6.5=0.65A。(5)自放电率---电池在不用时其内部放电电流,C/天图2.1典型蓄电池充电电路武汉理工大学《电力电力装置及控制》课程设计说明书42.2UPS蓄电池容量的选择当确定用户所需的UPS电源的额定输出功率，以及市电中断后所需的电池组的后备供电时间等运行参数后，结合蓄电池生产厂家给出的放电特征曲线，可以确定UPS应该配置的蓄电池标称容量，具体计算如下。(1)计算蓄电池的最大放电电流。蓄电池的最大放电电流指当UPS工作在额定输出功率情况下，蓄电池电压下降到临界放电电压时的放电电流，可用下式估算：cosmaxminPIE式中P为UPS电源的标称输出功率；cosΦ为UPS电源的输出功率因数，一般取为0.8；η为逆变器效率，一般取0.88~0.94；minE为蓄电池组的临界放电电压（12V蓄电池的临界放电电压约为10V，2V临界放电电压约为1.67V）。(2)根据蓄电池的工作温度和用户确定的蓄电池后备工作时间，查蓄电池的放电特性曲线表，可以得到电池组的放电速率值。(3)由放电速率等于放电电流与蓄电池的标称容量的比值，可得蓄电池的标称容量。武汉理工大学《电力电力装置及控制》课程设计说明书53整流器设计3.1整流器在UPS中的作用整流器是UPS的重要组成部分，它具有两个主要功能：第一，将市电交流电转换为直流电，经滤波后供给逆变器；第二，给蓄电池提供充电电压，可起到充电器的作用。通常，UPS中的整流器有如下几方面的要求：(1)整流器的输出电压的大小要能调节，以满足对蓄电池进行浮充电和均衡充电的要求。(2)整流器的输出要稳定，一般稳态精度要达到1%。(3)具有一定的过载能力。(4)整流器的输出电压的纹波要小，一般要求在额定负载时小于额定输出电压的1%。(5)具有过载、短路、过热、过电压、欠电压等保护和报警功能。整流器一般采用可控整流电路，其原因主要是逆变器希望能得到一个电压稳定的电源，同时蓄电池充电电压需要进行调节。在采用可控整流电路的形式方面，通常用三相桥式半控整流电路、三相桥式全控整流电路和带平衡电抗器的12脉波整流电路等。在小容量UPS中，大都将整流器和充电器分开，因为：(1)整流器的输出电压一般是不稳定的，然而蓄电池的最高充电电压是已经限定的必须用一个稳压电源作为充电器。(2)蓄电池的充电电流不能过大，这就要求充电器具有稳流和限流功能。然而，大容量UPS中，大都将整流器和充电器合二为一。因为，在大容量UPS中，控制电路成本仅占造价的很小一部分，因此控制电路设计得稍微复杂一些也不会显著增加成本。反之，如果将整流器和充电器分开，电路中所用电力电子器件数量就会增加，成本则会大幅度提高。当然，这种情况下，整流充电器必须采用可控整流的方式，从而使整流充电电路具有稳压功能，并能对蓄电池充电电流进行控制。本次设计是大容量UPS，所以将整流器和充电器合二为一来设计，整流充电器采用可控整流的方式。武汉理工大学《电力电力装置及控制》课程设计说明书63.2整流器的主电路设计整流器件选用晶闸管，整流方式是单相桥式半控整流。主电路如图3.1所示。TR2TRAN-2P2SQ1SCRQ2SCRQ3SCRQ4SCRR910kR1010kR1110kR1210kC141nFC151nFC161nFC171nFFU11AFU21AFU31AFU41AC181nFC191nFR1310kR1410k图3.1单相桥式半控整流主电路图在变压器二次侧并联电容和电阻构成交流侧瞬态过电压保护及滤波，晶闸管并联电阻和电容构成关断缓冲；快速熔断器直接与晶闸管串联，对晶闸管起过流保护作用。系统采用电流闭环的控制结构，用电流调节器的输出去控制晶闸管的触发电路，电流调节器采用PI调节器，使电流无静差，可获得良好的动态及静态品质。武汉理工大学《电力电力装置及控制》课程设计说明书73.3整流器的控制电路设计控制电路主要包括触发器、控制器、电流调节器、检测电路等。下面分析由分立元件组成的电路。1触发器锯齿波的触发电路原理如图3.2所示。输出为双窄脉冲，脉冲宽度在8°左右。本触发电路分成3个基本环节：同步电压形成、移向控制、脉冲形成和输出。图3.2触发器原理图(1)同步信号与主电路的相位关系同步是指触发脉冲与主电路电源相序同步，同步变压器PT一次侧和主回路整流变压器接在同一交流电源上，具有相同频率；主回路变压器为Y。／Y连接组，晶闸管1T的同步电压为Tau。(2)同步电压形成如图3.2所示，同步变压器二次侧正弦波电压TPu经1D间接地加在2T的基极上，由1ZD、2R、4R、1PR及1T组成恒流电源电路，利用1C充放电时间常数的不一致，恒流源使2C两端形成底宽240°左右的正锯齿波电压。(3)移向控制环节控制信号ku经7R，偏移信号pu经8R，锯齿波同步信号经6R，3个信号在4T基极进行叠加，并对锯齿波同步信号进行垂直控制。改变控制电压ku即能改变控制角α的大小，达到触发移相的目的。(4)脉冲形成和放大当4T由截止变为导通时，电容3C放电产生负脉冲，使5T截止，同时6T导通并产生触发武汉理工大学《电力电力装置及控制》课程设计说明书8脉冲经脉冲变压器输出。图中X作为后一个晶闸管的补充触发信号输出，Y为接受前一个晶闸管补充触发信号端，这样每一个触发电路输出均为双窄脉冲。2输入器输入器的作用是给触发器提供输入信号，其原理如图3.3所示。[1]端接电流调节器输出端，[2]端接触发器电路ku端，[3]端接过流保护输出端。图3.3输入器原理图1PR、1D、3R组成上限幅环节，2pR、2D、9R组成下限幅环节，以限制ku的范围。当1IC的6脚输出电压增大到某一数值时，1D导通，因上限幅环节控制，使[2]端电压限制在某一数值不再升高，上限幅值可由1PR调节；当1IC的6脚输出电压减小到某一数值时，2D导通，因下限幅环节控制，使[2]端电压限制在某一数值不再减小，下限幅值可由2pR调节。2T、3T、10R、11R组成的射极输出端为输出功率放大电路，为后面4个触发器提供控制信号。当发生过电流故障时，控制系统会给[3]端输入高电平，1ZD击穿，1T变为饱和导通，[2]端则输出0V电压，使α≥90°，避免事故的扩大。武汉理工大学《电力电力装置及控制》课程设计说明书93电流调节器电流调节器对其输入信号（给定量和反馈量）进行加法、减法、比例、积分、微分、延时等运算。它由以下几部分组成：运算放大器、二极管限幅电路、互补输出的电流调节器、输入阻抗网络和反馈阻抗网络等。4检测电路电流反馈环节由霍尔元件及运算放大器组成，用以检测可控硅直流侧的电流信号，以获得与电流成正比的直流电压信号和过流信号。4逆变器的设计4.1逆变器在UPS中的作用逆变器是UPS的核心部分，负责将整流器输出的直流电压或蓄电池存储的直流电转化为用户所需要的稳频稳压的交流电源。对于大多数UPS来说，逆变器输出电压质量的高低，在很大程度上决定了整个UPS的性能。常规的UPS对逆变器的要求如下：(1)能输出一个电压稳定的交流电，无论是输入电压出现波动还是负载发生变化，它都要达到一定的电压稳定精度，静态时一般小于±2%。(2)能输出频率稳定的交流电，要求该交流电能达到一定的频率稳定精度，静态时一般为±0.5%(3)输出的电压及其频率，要在一定的范围内可以调节。一般输出电压可调范围不小于±5%，输出频率可调范围不小于±2Hz。(4)具有一定的过载能力，一般能过载125%~150%，当过载150%时要能持续30s，过载125%时要能维持1min或更长时间。(5)输出电压的波形含谐波成分应尽量小，一般输出波形的失真率控制在5%以内，这样有利于缩小滤波器的体积。(6)具有短路、过载、过热、过电压、欠电压等保护和报警功能。(7)启动要平稳，启动电流要小，运行要稳定可靠。(8)应具有快速的暂态响应。武汉理工大学《电力电力装置及控制》课程设计说明书104.2逆变器的主电路设计逆变器的主电路结构有全桥型、半桥型及推挽型等。小容量后备式方波输出UPS多采用推挽式逆变器结构，中大容量UPS一般采用全桥式逆变器结构，极少数采用半桥式逆变器结构。UPS逆变器根据其容量和用途的不同，有输入输出隔离型和非隔离型两种结构。对小容量UPS来说，一般输入输出无需电气隔离，可以采用前级DC／DC高频隔离或直接采用高频链逆变器的结构形式来实现。中大容量UPS要求输入输出必须电气隔离，采用高频隔离或高频链的形式不适合于中大容量UPS，基