本科生课程设计（论文）
第1章 论绪
1.1 UPS电源概况及发展
结合设计概括发展技术
UPS ( UninterruptedPower Supply ) 又称不间断电源,它通常被置于市电电网和用电负载之间,其目的是改善对负载的供电质量,并在市电故障时,保证负载设备的正常运行.随着现代工业的发展,供电网络的负载越来越复杂,特别是大型用电设备的启动和停止,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 [26] .另外,自然界的雷电,电网的接地不良等因素均影响到电网的供电质量.由于以上因素的影响,可能会导致接在电网上的计算机设备,包括通信﹑医疗﹑金融﹑武器控制等精密的仪器设备发生失控﹑丢失数据﹑停机﹑损坏等严重后果,直接影响用户的正常工作,造成严重的经济损失.随着现代网络技术和信息产业的进一步发展,供电中断所带来的损失的也变的越来越严重. UPS 就是为了解决供电系统存在的问题 应运而生的,至今已经历了几十年的发展历程. UPS 不仅使供电无中断,而且还具有稳定输出电压和抗干扰等功能.
1.1 UPS 不间断电源的发展方向
UPS 不间断电源技术包括电源变换技术、电源冗余技术、蓄电池发展技术等.近年来,一些新技术的发展和一些特性优良的新元器件的出现,促进了 UPS 的发展. UPS 的发展方向主要有以下几点 ： 1绿色 UPS
所谓绿色 UPS 就是高效率、低噪音、低污染和低辐射的 UPS .就是尽量减少非工作器件的能耗和自动调节耗能器件的工作,减少噪音的发生和电磁辐射的产生,减小污染除了减小对周围环境的污染外,还应减少 UPS 对供电网络的谐波污染.因而减小 UPS 对电网的谐波“污染”变得越来越被重视,同时提高电能的使用效率也非常重 2 网络化、智能化、自动化
网络时代的 UPS 产品已经由独立的外设产品发展成为整个计算机和网络系统不分割的一部分,除了要求其产品可以方便地接入网络和计算机外,有些还要求能够与网络和计算机之间进行双向数据通讯.由于微处理器技术的应用, UPS 系统实现了智能化.智能化 UPS 一方面实现了设备运行过程中自我状态的监控,对一些故障现象进行预处理,使其始终平稳可靠运行;另一方面实现了计算机和网络与 UPS 之间的双向数据通讯,用户可以在计算机和网络中的各个节点上实现监视可控制 UPS 电源的运行状态.自动化是指 UPS 电源自动完成的一些自我检测,无需人工干预的 UPS 自动
1
本科生课程设计（论文）
化是实现网络化和保证系统高可靠性的重要因素. 3 高频化
随着 PWM 理论和电子元器件的工作的上限频率的提高,使许多模块的工作频率提高,大大的减少了供电设备的体积和重量.计算机的快速发展必定会对 UPS 提出更高的要求,开发高性能、高质量的 UPS 是时代的趋势. 4 数字化
随着 DSP 芯片的发展使的各种高性能的先进控制算法得以实现,使 UPS 电源的数字化程度越来越高,这不但减轻了 UPS 的重量,而且可以增加 UPS 的抗干扰性 和稳定性.
5 并机运行和冗余技术
以往的 UPS 多为单机运行,随着包括计算机在内的电子设备的应用数量的增加和应用场合的重要性的提高,几百 KVA 的容量已经不能支持众多的设备用电,而一次性购置昂贵的大功率产品显然不是最佳方案,因此模块化的小功率产品将逐步取代笨重的大功率产品,这被认为是 UPS 系统发展的一个方向.多个小功率产品采用并联技术连接后实现并机运行,可以方便灵活地配置整个电源系统的容量.并联不一定是冗余的,并联是为了增容,而冗余系统是为了提高可靠性,为保证系统的高稳定性和高可用性,通过多台 UPS 设备并机运行实现电源容量的冗余也是 UPS 系统配置的一种趋势.总而言之, UPS 电源随着电子器件的进一步发展, UPS 将向小型化、高效率、高可靠性方向发展,而网络智能化 UPS 技术和全数字化 UPS 技术的出现,不仅提供完全可靠的网络电源管理,也为节能、环保提供了一种最佳的解决方案.所以 UPS 电源技术总的发展趋势是逐步向小型网络智能化和全数字方向发展.随着科学技术的进步, UPS 电源技术在不久的将来会开辟一个更新的领域.
1.2 本文研究内容
随着计算机应用的需要, UPS 在稳定的同时,逐渐向两边发展.从输出功率来看,大的到几十 KVA 甚至更高,一般在电信、金融、运输、公共事业单位中得到使用;小至 10W ,一般在网络线路的有源部件中使用,以保障网络的正常运行.
由于大功率 UPS 的应用越来越广,需求越来越大,而且技术难度大,因此研究三相大功率 UPS 具有广泛的应用前景和普遍的现实意义.逆变器是 UPS 的核心,必须具有输出高质量电压波形的能力.逆变电源的输出波形控制技术是建立在工业电子技术、半导体技术、现代控制技术、现代电力电子技术、半导体变流技术、脉宽调制 ( PWM )技术、磁性材料等学科基础上的一门实用技术.本课题主要研究三相大功率 UPS的整流和逆变系统.
2
本科生课程设计（论文）
第二章 UPS电源电路设计
2.1 UPS总体设计方案
旁路 市电 输出 充电器 电池 滤波 整流器 逆变器 开关
图2.1 UPS电源总体框图
当市电正常380VAC时，直流主回路有直流电压，供给DC-AC交流逆变器，输出稳定的380Vac交流电压，同时市电对电流充电。当任何时候市电欠压或突然掉电，则由电池组通过隔离二极管开关向直流回路馈送电能。从电网供电到电池供电没有切换时间。当电池能量即将耗尽时，不间断电源发出声光报警，并在电池放电下限点停止逆变器工作，长鸣告警。不间断电源还有过载保护功能，当发生超载（150%负载）时，跳到旁路状态，并在负载正常时自动返回。当发生严重超载（超过200%额定负载）时，不间断电源立即停止逆变器输出并跳到旁路状态，此时前面空气开关也可能跳闸。消除故障后，只要合上开关，重新开机即开始恢复工作。
2.2 具体电路设计
2.2.1 整流电路
图2.2 三相桥式整流电路
三相桥式全控整流电路相当于一组共阴极的三相半波和一组共阳极的三相半波
3
本科生课程设计（论文）
可控整流电路串联起来构成的。习惯上将晶闸管按照其导通顺序编号，共阴极的一组为VT1、VT3和VT5，共阳极的一组为VT2、VT4和VT6。其电路如上图所示。 ，可以像分析三相半波可控整流电路一样，先分析若是不可控整流电路的情况，即把晶闸管都换成二极管，这种情况相当于可控整流电路的
时的情况。即要求
共阴极的一组晶闸管要在自然换相点1、3、5点换相，而共阳极的一组晶闸管则会在自然换相点2、4、6点换相。因此，对于可控整流电路，就要求触发电路在三相电源相电压正半周的1、3、5点的位置给晶闸管VT1、VT3和VT5送出触发脉冲，而在三相电源相电压负半周的2、4、6点的位置给晶闸管VT2、VT4和VT6送出触发脉冲，且在任意时刻共阴极组和共阳极组的晶闸管中都各有一只晶闸管导通，这样在负载中才能有电流通过，负载上得到的电压是某一线电压。其波形如图8.30所示。为便于分析，可以将一个周期分成6个区间，每个区间 60°, 需要特别说明的是，三相桥式全控整流电路要保证任何时候都有两只晶闸管导通，这样才能形成向负载供电的回路，并且是共阴极和共阳极组成各一个，不能为同一组的晶闸管。所以，在此电路合闸启动过程中或电流断续时，为保证电路能正常工作，就需要保证同时触发应导通的两只晶闸管，即要同时保证两只晶闸管都有触发脉冲。一般可以采用两种方式：一是采用单宽脉冲触发，即脉冲宽度大于60°，小于120°，一般取80°-120°，如下图中的 ，这样可以保证在第二个脉冲 宽脉冲没有画出。
来的时候，前一个脉冲
还没有消失，这样
，其他五个
两只晶闸管VT1和VT2会同时有脉冲，因篇幅有限，在下图中画出了
图2.3 三相桥式全控整流电路触发脉冲
4
本科生课程设计（论文）
一种脉冲形式是采用双窄脉冲，即要求本相的触发电路在送出本相的触发脉冲时，给前一相补发一个辅助脉冲，两个脉冲相位相差60°，脉宽一般是20°-30°如上图中，在给晶闸管VT3送出脉冲
的同时，又给晶闸管VT2补发了一个辅助冲
。
虽然双窄脉冲的电路比较复杂，但其要求的触发电路的输出功率小，可以减小脉冲变压器的体积。而单宽脉冲触发方式虽然可以少一半脉冲输出，但为了不使脉冲变压器饱和，其铁心体积要做得大一些，绕组的匝数也要多，因而漏电感增大，导致输出的脉冲前沿不陡，这样对于多个晶闸管串联时是不利的。虽然可以利用增加去磁绕组的办法来改善这一情况，但这样又会使装置复杂化。所以两种触发方式中常选用的是双窄脉冲触发方式。
2.2.2 逆变电路
图2.4 三相桥式逆变电路
三相桥式逆变电路如图2.4所示，图中应用GTO作为逆变开关，也可用其它全控型器件构成逆变器，若用晶闸管时，还应有强迫换流电路。
从电路结构上看，如果把三相负载看成三相整流变压器的三个绕组，那么三相桥式逆变电路犹如三相桥式可控整流电路与三相二极管整流电路的反并联，其中可控电路用来实现直流到交流的逆变，不可控电路为感性负载电流提供续流回路，完成无功能量的续流和反馈，因此D1～D6称为续流二极管或反馈二极管。
在三相桥式逆变电路中，各管的导通次序同整流电路一样，也是T1、T2、T3??T6、T1??各管的触发信号依次互差60?。根据各管的导通时间可以分为180? 导通型和120?导通型两种工作方式，在180?导通型的逆变电路中，任意瞬间都有三只管子导通，各管导通时间为180?，同一桥臂中上下两只管子轮流导通，称为互补管。在120?导通型逆变电路中，各管导通120?，任意瞬间只有不同相的两只管子导通，同一桥臂中的两只管子不是瞬时互补导通，而是有60?的间隙时间，当某相中没有逆变管导通时，其感性电流经该相中的二极管流通。
逆变器负载为感性时，必须有续流二极管，如图2.4中的D1～D6所示。此时负
5