一种实用UPS不间断电源设计

华东交通大学理工学院本科生毕业设计开题报告题目：一种实用UPS不间断电源设计题目来源：□省部级以上□校级□横向□√自选题目性质：□理论研究□应用与理论研究□√应用研究分院：电气与信息工程分院专业：电子信息工程班级：学号：]学生姓名：起讫日期：2013.12——2014.5指导教师：李房云职称：讲师填表日期：2014年2月23日一、选题的依据及意义：随着社会经济的发展，工业的各个领域对电源的可靠性，质量等有着越来越高的要求，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。IGBT作为MOSFET和GTR的复合器件已广泛地应用到逆变器中。它有MOSFET的工作速度快、输入阻抗高、驱动电路简单、热温度性好的优点，又有GTR的载流量大、阻断电压高等优点。因此，以IGBT为代表组成的逆变器，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，本课题就是以此展开研究和设计的。并且现在市场上的大部分UPS都没有采用电池的性能均衡功能来保护调节电池组，从而导致无法保证单体电池的一致性，所以缩短了的整个电池组的有效工作时间。特别是当UPS电源使用了一段时间后，其它部分的电池的性能也会变差，慢慢的导致整个电源的报废然而目前电池组的。且现在是电池组所耗费的成本比较大，客户也难以接受。同时也是电池组的价格相当昂贵，差不多占了UPS制造价格的三分之一多，这给许多客户带来了很大的经济负担。目前也是由于UPS的设计电路相当复杂，而且很难保证正常的技术支持，从而缩短徐东产品的使用寿命，这也是直接导致许多行业也未能大规模普及应用。并且经过调查发现，现在市面上出现一些最小系统，相当之简陋，不方便学习和使用。所以研发一款设计电路简单，易于维护并且低成本的，具有电源键盘和显示电路的一款使用的UPS不间断电源将具有很大的市场潜力和价值。二、国内外研究现状及发展趋势（含文献综述）：国内发展近况：根据中国产业研究报告网发布的《2011-2015年中国不间断电源（UPS）市场供需预测及发展趋势研究报告》共十一章研究表示：研究表明我国的UPS不间断电源这个行业是从80年代后期，与国外的起步相差了十几年的距离。近年来，我国UPS企业迅速发展，我国在自主创新工业动力用UPS领域取得了长足进步，表现出了比国外品牌更符合国内应用环境的趋势。由于国内UPS企业熟悉本地电网环境及工业企业应用特点，为企业提供个性化的优势日渐明显。尤其是科华恒盛作为国内领先的高端UPS制造企业，在应用过程中积极进行自主创新，工业动力用UPS在适应环境、防护等级、节能等方面得到了重大发展，率先在工业动力应用领域获得先机。同时也由于近些年来爆发了前所未有的大面积电荒，全国有20多个省市自治区拉闸限电。北京、广州、四川、上海、以及江西等地方都出现了很严重的电荒现象。主要对于东北、华北等地区，对于UPS市场，无疑有着重大的发展前景，同时UPS市场被前所未有的关注。同时，西部大开发重点项目和东北老工业基地的振兴，中部的崛起，这些十二五的重点规划项目，都给UPS市场注入了许多新鲜的血液，结合这些特点，UPS的小型标准机都将成为市场争夺的热点。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。国际发展状况及趋势：根据中国报告网编制的《2010-2015年国际不间断电源（UPS）市场调研与发展前景咨询报告》当中的全球分析UPS不间断电源技术发展趋势篇章，调查表明：在世界迈进信息时代之后，信息的安全问题已经被人们广泛关注，因此，在这种时代背景中，UPS的发展趋势引起业界的高度重视就是顺理成章的事了。有了UPS的精心呵护，计算机系统的数据安全性大大提高了，因此，UPS的问世深受广大用户的青睐最早问世的UPS只是一个带有大飞轮的发电机组，其缺点是转换效率极低，后来被柴油发动机式的发电机所取代。目前，这种旋转发电型UPS还在某些特殊的领域有着它的特定的用途，其容量高达1000KVA。功率MOS管已在大容量UPS中广为应用，但功率MOS管难以达到高电压大电流，其饱和压降高于晶体管，于是，兼有晶体管和功率MOS管优点的绝缘门限晶体管（IGBT）应运而生，促使UPS逆变技术更趋成熟目前UPS制造商们都在争先采用IGBT。当然任何器件都不十全十美，比如IGBT有寄生的电流掣住效应，在一定程度上也限制了它的使用。UPS控制电路也发展很快，由开始的分立元件的简单控制发展到今天的微处理机控制，由硬件控制又发展成软件控制，如IPM的软件滤波器；甚至光纤通讯也被引入UPS，如意大利西力UPS的并联就采用了光纤通讯。而且微处理机也被广泛应用于小容量的UPS中，甚至有的专门为蓄电池的监控设立了微处理机，如美国的APC在每个小电池箱中都安装了微处理机，以监视这些电池的状态,UPS已经由初期的单纯供电发展到目前的多功能应用，UPS不再仅仅是供电电源，而且当那些作为负载的计算机在无人值守时，要求UPS自动地定时开机，定时关机，当市面上电故障后，UPS还可以及时通知计算机并可按照事先的约定顺序关机，如APC、UPS除了其联网功能外还可以对环境温度、湿度和烟雾进行监视，并且有好多UPS都可通过联网及远程通讯进行远程监控等等。UPS除了上述的旋转发电机式和静止变换式而外，还有一种将二得结合起来的UPS，称为UBS，即是在一台静止式UPS上配置一台直流发电机，直流发电机给蓄电池充电，使UPS逆变器的工作继续维持下去，如Best的UBS，也有一定的效力领域。近些年来，国外已经有开始研究远程控制功能在网络化的发展时代，UPS不仅应能向由它直接供电的硬件设备提供保护，还应该对整个网络中的运行程序和数据以及数据的传输途径进行全面地保护，使之成为不间断网络。这就意味着UPS应配置相应的电源监控软件、SNMP(简单网络管理协议)管理器，使其具有远程管理能力，用户可执行UPS与网络平台之间的远程监控和数据的网络通信操作，使UPS成为网络系统中的重要组成部分。这样，由网管员通过网管软件监控多台UPS，而且被管理的UPS可以在同一个LAN也可以在不同的LAN，甚至可以通过互联网，纳入网络管理系统来管理UPS。由于未来网络的广泛化和全球化，必然带来网络的复杂化，多种形式的网络系统连接在一起。作为网络系统的一部分，要求UPS能够实现在各种网络平台上的监控，而且随着Internet、Intranet和电子商务的超高速发展，用户对网络的可用性要求会越来越高，使UPS从对网络关键设备的保护延伸至对整个网络路径的保护。随着社会的进步及发展，世界各国对环境的要求也是不断的提高，对消防意识也越来越重视。UPS以其特有的有点将被人们认识和应用，也将成为整个社会经济发展，人民和谐安定的有力保障。三、本课题研究内容本课题是设计一个UPS电源，整体上的内容和技术要求是：在蓄电池工作，当电路50%负载时能维持设备15分钟工作时间，而当100%负载时，能对设备维持5分钟的供电，且UPS不间断电源输出功率为500W左右，交流电压一般为市电，电压范围大概在170V到265V区间之间，同时输入电网的频率是50Hz，在通过UPS电源系统是输出电压为220V到230V左右，与市电一致，没有过多变化，以保障设备的正常运转。而且在市电断电或恢复供电时，电源输出无高电压冲击，电路具有软启动功能和过流保护电路。蓄电池充电放电能实现自动检测控制，当蓄电池充电放电超限时，自动保护启动。如下电路设计及参数选择：三相不控整流电路、单相IGBT逆变电路、输出端静态开关、旁路供电电路、电池组充放电电路；选择合适的控制系统核心（微处理器），要求该芯片的选择能够完成本设计内容；完成微处理器最小系统设计，UPS电源键盘和显示电路设计。拟采用的技术路线：（1）使用IGBT作为功率器件，设计三相逆变电路；（2）以AT89C51单片机为控制核心，设计控制电路来控制三相PWM波产生芯片发出控制信号；（3）用AT89C51单片机来实现UPS电源的过电压、过电流等监测；（4）设计的在线式UPS电源能提供较好的交流电源，其输出电源电压：220V/AC，频率：50Hz四、本课题研究方案UPS不间断电源装置不间断供电的含义就是指当交流输入电源市电发生异常或断电时，电源装置能继续向负载供电，而且能保证供电质量，使负载供电不受影响。实现此目的的交流不间断UPS电源的基本组成，如图所示:UPS基本组成框图在此基本组成电路中当市电发生断电或异常时，关键在于使用蓄电池放电，以蓄电池代替整流器，向逆变器提供直流输入从而保证负载供电的不间断和质量。如果要保证负载的不间断供电和负载的供电质量，就必须增强UPS电源装置的可靠性，因为只有电源装置的可靠性提高了，才能使负载供电不间断和质量得到充分保证，这就要从UPS电源装置的结构和形式来考虑其设计方案。下面在分析不间断供电的原理的基础上，提出本课题的整体设计方案。根据UPS系统的特点，拟计划分为5大部分（即电路模块）设计：系统整体设计方案第一部分控制模块的设计第二部分整流/充电器（电池组充放电电路）的设计第三部分逆变器（单相IGBT逆变电路）的设计第四部分UPS旁路电源设计第五部分UPS系统抗干扰设计五、研究目标、主要特色及工作进度：本系统预期实现功能特点及目的：（1）当市电正常供电时，软件系统通过获取电池组信息来判断是否对电池组充电，并监控电池组电压和温度，确保UPS电源的正常工作。（2）当市电对电池组充电时，中断系统实时监测充电电流，出现异常时发出报警并停止充电以保护电池组。（3）当市电掉电时，软件系统控制主控芯片迅速给出相应控制信号，切换到电池组供电模式。（4）当UPS电源工作在电池组供电模式时，中断系统实时监控放电结束信号和电池组电压，当电池组电能耗尽时，停止电池组供电。（5）当电池组电压过低或电池组温度异常时，软件系统发出报警指示，并且强制关闭UPS系统，确保系统安全。UPS不间断电源本身是集数字与模拟技术、数字通讯技术、电力电子技术、微处理器及软件编程等技术于一体的密集型电子产品。另外，随着微处理器和计算机应用的普及，将其引入UPS系统，研制智能UPS是UPS发展的必然趋势。UPS的发展，并由此推动与之相关技术的发展，这也是我选择本课题的初衷之一。整个UPS电源系统设计尽管在硬件、功率回路和控制回路等方面都需要查询许多资料及更要做出很大努力，但可能由于各种因素的限制，会使得本系统出现许多容易出现问题的地方，但根据查阅相关文献，理论上也提出些解决方案：（1）问题一：根据电源技术绿色化(环保)的发展趋势，UPS电源不应(或少)对电网产生谐波等污染，但实际上很难做到。解决方案：因此可在UPS输入端增加功率因数校正环节来提高UPS的功率因数，从而达到对电网的无干扰和节能效果。（2）问题二：从提高UPS可靠性的角度出发，在UPS装置中的整流/充电器单元、逆变器单元、静态开关单元很容易出现电压过高，出现元器件烧毁的现象。解决方案：在UPS装置中的整流/充电器单元、逆变器单元、静态开关单元均应采取备用冗余单元结构。但这样一方面增加了硬件成本，另一方面又增加了技术难度和复杂性。（3）问题三：从开发大功率UPS的角度考虑，单机容量己不能满足功率要求也不能满足耐压要求。解决方案：要采取多台UPS并联技术；同时功率器件仅仅采用IGBT，也可能达不到达到耐流的要求，可采用IGBT和MOSFET相结合的方案。毕业设计进度计划序号各阶段工作内容起讫日期备注1通过查阅资料了解UPS电源技术及在工业上的应用情况，了解UPS电源技术的作用和工作原理。掌握单片机的相关知识及接口技术，为毕业设计打下基础2014.3.1-3.71周2收集和查阅与设计相关的资料，学习有关的知识，作好前期准备工作2014.3.8-3.