（电力电子与电力传动专业论文）智能化ups电源的研究.pdf

a b s t r a c t ：n o w a d a y s i st h ea g eo fi n f o n n a t i o na n da st h ec a r r i e ra n dt o o l st os p r e a d i n f o r m a t i o na l lk i n d so f c o m p u t e r sh a v eb e e nu s e di na l l k i n d so fi i n e s s u c ha s e l e c t r i c p o w e r , c o m m u n i c a t i o n ，f i n a n c e ，c h e m i s t r y , m i l i t a r y , e t c b u tt h ep o w e r p r o b l e m s ( e g i n t e r f e r e n c e ，s u r g e ，p e a kc u r r e n t ，e l e c t r i cs p a r k l e ，f l u c t u a t i o n o f v o l t a g ea n df r e q u e n c y , h a r m o n i c ，e l e c t r i c i t yf a i l u r e ，e t c ) a r et h ed e a d l yt h r e a ta g a i n s t c o m p u t e ri n f o r m a t i o ns y s t e m s w h i c hw o u l dl c a dt ot h el o s i n go fi m p o r t a n td a t aa n d e v e nt h ep a r a l y s e so ft h ew h o l es y s t e mc a u s i n gi n e s t i m a b l el o s s e s t h e r e f o r e ，t h e s t u d yo fh i g hq u a l i t ya n dr e l i a b i l i t yu p s ( u n i n t e r r u p t a b l ep o w e rs u p p l y ) ，w h i c hf i t s t h e d e v e l o p m e n t o fm o d e ms c i e n c ea n d t e c h n o l o g y , h a s b e c o m ea na t t e n t i v e p r o b l e m c o m b i n e dw i t ht h e1 a t e s t d e v e l o p m e n t o fm o d e mt e c h n o l o g yo fp o w e r e l e c t r o n i c sa n de l e c t r o n i c ，t h i sp a p e rs t u d i e da n dd e v e l o p e dt h eh i g h p o w e r ( 3 0 k v a ) o n l i n eu p s w h i c hw a sb a s e do nd s po ft ic o m p a n ya n di p m ( i n t e l l i g e n tp o w e r m o d u l e ) t h ek e y s t o n eo ft h ep r o j e c ti st oi m p r o v et h ed e p e n d a b i l i t yo ft h es y s t e m a n dt h er e a l i z a t i o no fi n t e l l i g e n t i z e t h es y s t e mi n c l u d e sm a i np o w e rp a r t 、c o n t r o l p a r t 、m e a s u r ep a r ta n dm i c r o c o m p u t e rm o n i t o r i n gp a r t t h em a i np o w e rp a r ti n c l u d e s r e c t i f i e r , c h a r g e r , i n v e a e gs t a t i cb y p a s sa n dm a i n t e n a n c eb y p a s s i p mi sa na d v a n c e dh y b r i d p o w e rd e v i c et h a tc o m b i n e sh i g hs p e e d ，l o wl o s si g b t sw i t ho p t i m i z e dg a t ed r i v e a n dp r o t e c t i o nc i r c u i t s s y s t e mr e l i a b i l i t yi sf u r t h e re n h a n c e db vi p m si n t e g r a t e d h i g h l ye f f e c t i v eo v e r - c u r r e n tp r o t e c t i o n ，s h o r t c u r r e n tp r o t e c t i o n ，o v e rt e m p e r a t u r e p r o t e c t i o na n du n d e rv o l t a g el o c ko u tp r o t e c t i o n c o m p a c t ，a u t o m a t i c a l l ya s s e m b l e d i p ma l s or e d u c e st h ee q u i p m e n t ss i z e t h et e c h n o l o g yt oc o n t r o lt h ei n v e r t e ri s s p a c e v e c t o rp w m ( s v p w m ) i t h a st h ep o i n t so f h i g hu t i l i z a t i o nr a t i oo f t h ev o l t sd c a n dl o w w a s t a g eo fs w i t c h i n g t h eu s i n go ft h et e c h n o l o g yo fs o f t s w i t c h i n gh e i g h t e n st h ee f f i c i e n c yo f t h ei n v e r t e r , l o w e r st h ee m ia n dm a k e st h es w i t c h e ss a f e r w i t ht h ef u l ld i g i t a lm e t h o d t 1 1 e c o n t r o l l i n ga n dd e b u g g i n g o f t h eu p si se a s i e r ：t h ec o n t r o ls t r a t e g ya n d p a r a m e t e r c a n b em o d i f i e de a s i l y ；t h et e c h n o l o g yo ff a u l ts u p e r v i s i o n , s e l f - d i a g n o s i s ，e l l c o r r e c t i o n a n dc o m m u n i e a t i o na l s oc a nb er e a l i z e dw i t he a s e ，t o o m o r e o v e r , t h en u m b e ro f c o m p o n e n ti sg r e a t l yr e d u c e d ，s ot h es y s t e mf a u l t sc a u s e d b yc o m p o n e n t sr e d u c e d a c c o r d i n g l ya n ds y s t e mr e l i a b i l i t yi si m p r o v e d t h er e s e a r c hi sa ni n s t r u c t i v ea t t e m p ta n de x p l o r a t i o no f t h ei n t e l l i g e n t i z e d o n 1 i n eu p s d e v e l o p m e n t , b a s e do n r e f e r e n c e st oal o to fi n f o r m a t i o na n dm el a t e s t t e c h n o l o g yo n u p s t h es y s t e mh a sa c h i e v e dt h ea n t i c i p a t i v et a r g e ta n d r e q u i r e m e n t t h r o u g ht e s t i n ga n dd e b u g g i n g k e y w o r d s ：u p si n t e l l i g e n t i z e i p ms o f ts w i t c h i n gs v p w m 武汉大学电气工程学院 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的申请么虹生学位的论文是本人在 导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加 以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写的成果作品。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体， 均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：猫斗耳日期1 。) 年r 月? 目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文大规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉大学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 私惭 日期：沁 年 月j f 日 日期：年月日 武汉大学硕士学位论文智能化u p s 电源的研究 第一章绪论 1 1概述 当今时代，计算机技术迅速发展，计算机已广泛地被应用到电力、通信、银 行、化工、军事等各行各业。尤其是计算机网络和电信网络有机的结合在一起的 第三代互联网的兴起，其必将承担起向国民经济各个重要领域提供3 6 5 2 4 小时 的高可靠、高安全度和高速的信息资源服务( 由于高速光纤传输骨干网的建立， 当今网络的传输率已从几年前的m b s 级提高到了g b s 级) 。这些网络数据交换 中心必须提供尽可能大的数据吞吐量，必须具有足够的带宽传输性，以便向终端 用户提供高速、高效的互联网信息增殖服务。要求网络数据交换中心在执行数据 的处理、存储和运输的过程中，其误码率应该尽可能低，以便向终端用户提供连 续和准确无误的信息资源。 而现代工业的发展使供电网络的负载越来越复杂，特别是大型用电负载的启 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。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、医疗等 精密的工业仪器设备发生失控、丢失数据、停机、损坏等严重后果，直接影响到 用户的正常工作，造成经济损失或其他严重事故。如何解决这些市电问题，正是 u p s ( u n i n t e r r u p t i b l ep o w e rs u p p l y ) 不间断电源的责任所在。u p s 不仅具有输出 电源的不间断性，同时还具有输出电压稳定、精度高、工作频率稳定、波形纯净 等特点。 大量运行实践表明，u p s 供电系统提供的逆变器电源的质量高低是影响互 联网能否向广大用户提供高速，可靠，安全的3 6 5 x 2 4 小时“全天候”的互联网 增殖服务的关键因素之一。【l 】因此，适合现代科技发展的高质量、高可靠性u p s 不间断电源的研究就成为人们十分关注的课题。 1 1 1 u p s 的发展 最初的u p s 电源是在二十世纪六十年代出现的靠电动机所带飞轮惯性提高 输出电源的质量和提供后备供电时间( 一般不超过5 秒) ；然后出现了以蓄电池 组供电给直流电动机带交流发电机提供后备电源的供电系统，这种方式供电效 率较低；再后来是靠内燃机提供后备供电的u p s 电源，这种u p s 设备庞大笨重、 操作不够灵活、而且效率低、噪声大。这些都是动态方式的u p s 电源。 随着电力电子学的发展，可实现大功率的电能转换，于是出现了静态u p s ， 这种u p s 具有没有振动、噪音低、体积小、控制灵活、效率高等优点，现代 竖竖叁兰堡生兰垡笙苎塑! ! 些型堕皇塑塑里塾 u p s 基本上都是静止型的。随着电力电子技术微电子技术的飞速发展，u p s 技 术也正在朝着高频化、绿色化、网络化和智能化的方向不断前进，具体表现在： a ) 采用i g b t 、智能功率模块i p m 或i g c t 等作为功率器件，改善了逆变 器性能，如降低噪声、减小体积。 b ) 采用如s p w m 调制技术、空间矢量脉宽调制技术( s v p w m ) 、提高电 压利用率的准优化p w m 技术以及用于高压高频的h v s o p w m 技术等。 c ) 在主功率部分与控制方式相结合采用软开关技术。软开关技术的应用使 变换器具有更高的效率自身损耗大大降低，更高的功率密度自 身体积、重量大大减小，以及更高的可靠性；并可有效地减小电能装置 引起的电磁污染( e m i ) 和环境污染( 噪声等) 。 d ) 输入端采用功率因数矫正技术( p f c ) 减小了u p s 对电网的污染并提高 了效率。 e ) 使用高性能微处理器和信号处理技术控制和监视u p s 运行并进行网络 通信。全数字化易于实现计算机的处理和控制，便于修改策略、修改控 制参数，便于故障监测、自诊断、容错、通信等技术的植入。同时大幅 度的减少了元器件的数量，提高了装置的可靠性。 f ) 采用网络化管理，使用户能更方便的、实时的监控u p s 系统的运行。 g ) 采用双机或多机并联冗余技术组成u p s 系统，大大提高了可靠性。 1 1 2u p s 的分类 现代u p s 的型号、品种很多，工作方式也各不完全相同，大体上可分为三 大类：在线式、后备式和三端口方式。 1 在线式u p s ( o n - l i n eu p s ，i n v e r t e rp r e f e r r e du p s ) 市 输 出 壬 言 图l l 在线式u p s 原理框图 图1 一i 为在线式u p s 的原理框图。在线式u p s 无论市电是否正常，其功 率流程都是“市电一e m i ( e l e c t r om a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ) 滤波一整流滤波( 掉电 时为电池) 一逆交器一静态开关一输出”。只有当逆变器发生故障或过负荷时， 才通过静态转换开关切换到市电旁路，其功率流程是“市电一e m i 滤波一静态 2 塑坚叁兰塑主兰垡堡塞塑墼些旦竖皇塑塑! 翌塑 开关一输出”。有的用户还备有柴油发电机，可以在市电停电5 1 0 秒之内投入 到u p s 电源的输入端，可以在长时间停电的情况下向用户提供高质量的正弦波 电源。图1 1 只是在线式u p s 的大体框架，有几种不同设计：有的u p s 将充 电器部分和整流滤波部分设计成个单元，既为逆变器提供负载电流，又为电池 充电；有的u p s 将进入逆变器的直流电进行d c d c 变换，升压后再经逆变器变 换成要得到的2 2 0 v 交流电；有的u p s 则在逆变器后加工频变压器将输出交流 电压升到2 2 0 v 。 2 后备式u p s ( o f f - l i n eu p s l i n ep r e f e r r e du p s ) 后备式u p s 的原理结构和在线式基本一样，但工作方式不样。市电电压 在1 7 0 2 6 4 v 的范围内时，它向用户提供经变压器抽头调压处理的一般市电电 源，仅当市电电源电压低于1 7 0 v 或高于2 6 4 v 时，才向用户提供真正的逆变器 输出的高质量的正弦波电源。还有一种逆变器输出是方波的后备式u p s ，这种电 源不允许用户使用电感性负载。 3 三端口u p s ( d e l t au p s ，i n t e r a c t i v eu p s ) 三端口u p s 如图1 2 所示，它的结构与在线式和后备式不同。市电正常时， 市电经滤波稳压后通过三端i i l 转换开关( 有的是三端口变压器) 分别给输出和双 向变换器，双向交换器整流给电池充电：当市电掉电时。双向变换器逆变经三端 口转换开关给负载供电。 三端口u p s 又分成在线互动式、d e l t a 变换型和三端口结构方式。在线互动 式当电源电压在1 8 0 2 4 0 v 时，直接供电，在1 5 0 1 8 0 v 或2 4 0 2 7 6 v 时采用 变压器抽头稳压方式稳压，其余范围采用逆变器供电；d e l t a 变换型在电源电压 波动小于1 5 ，频率波动小于3 h z 时采用串联补偿变压器交流稳压控制技术 方式稳压，其他范围使用逆变器供电；三端口结构方式利用铁磁谐振变压器的谐 振原理稳压。可以看出它们只是稳压方式不同，但有一个共同点：都有一个双向 变换器在市电正常时整流给电池充电，市电质量差到一定程度时逆变给负载供 电。 市 输 1 2 选题的意义 图1 2 三端口u p s 原理图 出 武汉大学硕卜学位论文智目化u p s 电源的硼冗 随着计算机网络信息技术的发展，信息系统对电源的要求越来越高。一套 好的u p s 电源可以使网络数据交换中心在执行数据的处理、存储和传输过程中 的误码率降到最低：不会因电源问题而使互联网设备处于降额使用状态；高可 靠性的u p s 电源可以使互联网因电源而停机的时间减到最小，甚至不会出现因 电源问题而停机：整个u p s 供电系统中不应该存在”单点瓶颈”故障隐患。我国 研制u p s 的起步较晚，主要产品有：邮电5 3 5 厂研制的d n d l l - - 2 2 0 v 2 3 型单 相u p s 及d x j f l - - 3 0 k v a 三相u p s ；南京无线电厂研制的b d y l - - 7 9 型5 0 k v a 及b d y 2 8 5 型7 5 k v a 三相u p s 等产品。如今国内生产u p s 的厂家不断增多， 但多为模拟控制和着模拟与数字相结合的控制系统。其结构复杂、体积庞大、 可靠性低、集成化程度低且价格昂贵。国外产品较多，性能较好，因此国内u p s 用户使用进口产品颇多，特别是中大功率的u p s 产品，如美国山特公司、台达 电子、力博特等。由于技术等各方面的原因使得u p s 用户在使用和维护进口产 品时有诸多不便，而且进口产品价格昂贵。所以期待羞有高性能的国产u p s 电 源的出现。 随着高速、廉价的用于控制的数字信号处理器( d s p ) 的出现，u p s 全数字 化已成为可能，而全数字化是智能化的基础。全数字化易于实现计算机的处理 和控制，便于修改策略、修改控制参数，以便于故障监测、自诊断、容错、通 信等技术的植入。通信技术的植入方便了用户更直观的监控电源的运行，便于 对多台u p s 的运行进行网络化管理，使得用户设备可以根据电源的运行状况采 取相应的措施。同时智能化大幅度的减少了控制系统元器件的数量，提高了装 置的可靠性。 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。i g b t 作为m o s f e t 和g t r 的复合器件己广泛的应用 在逆变器中。它有m o s f e t 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g t r 的载流量大、阻断电压高等优点。使用将保护及驱动 集成在一起的多个i g b t 的封装模块i p m 作为逆变器的主开关器件进一步提高 了系统的可靠性，且减少了产品体积，缩短了开发周期。 从上一小节介绍的u p s 种类来看，在线式u p s 的性能是最好的，实践证明， 只有带双输出隔离变压器的双变换型在线式u p s 才有可能向用户的负载提供纯 洁、稳压、稳频、无干扰的和波形失真度极小的全天候高质量正弦波电源【1 。 本文详细介绍了以d s pt m s 3 2 0 f 2 4 0 7 为控制核心，配一片8 9 c 5 1 作为辅 助控制器，使用i p mp m 3 0 0 d s a l 2 0 为逆变器主功率器件的3 0 k v a 智能化在线 式u p s 的部分设计过程。 武汉大学硕士学位论文智能化u p s 电源的研究 1 3 课题研究的主要内容 由于u p s 的开发是周期是十分复杂的，所涉及的知识面也是十分广泛的， 由于本人水平有限，只能在有限的时间里在导师的指导下重点参与课题的部分 内容： 1 ) 逆变器及其逆变器软开关电路设计。 2 ) d s p 测量、控制电路的设计。 3 ) 编写部分d s p 控制程序和上位机监控程序。 武汉大学硕士学位论文智能化u p s 电源的研究 第二章系统整体结构设计 2 1 概述 u p s 不间断电源的基本原理是将输入的交流电整流转换成直流电，一方 面为备用蓄电池充电，另一方面再将其逆变转换为稳压稳频的交流电。设计的 基本点有两个：一个是u p s 输出的稳定性，即输出电压和频率都必须保持稳定 ( 在一定精度范围内) ；另一个是u p s 输出的不间断性，即要实现不问断供电。 整个系统紧紧是围绕这两个要点进行的。 图2 1整体结构框图 普通市电电源经常会遇到以下问题：市电电压不稳，有时甚至还会发生 供电中断；市电频率波动过大：由于用户在电网上投入计算机、通讯设备 和家用电器之类的非线性负载以及大功率电机的投切都会对电网污染而造成正 弦波形的严重畸变；从电网串入的各种干扰和高能浪涌，显然不能满足对高 质量电源的需求。 如框图所示，u p s 电源要完成的控制功能是将供电质量较差的普通市电电 源首先经e m i r f i ( e l e c t r om a g n e t i ci n t e r f e r e n e e r a d i of r e q u e n c yi n t e r f e r e n c e ) 滤波器对来自电网的传导型电磁干扰和射频干扰进行衰减抑制处理后，然后经整 流滤波为直流稳压电源，然后再利用空间矢量脉宽调制法( s v p w m ) 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 武汉大学坝十学位论文智能化u p s 电源的司 究 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。 当市电出故障或完全停电时，利用蓄电池组向逆变器提供直流能源，保证了 高质量电源的不间断性。一般用户都有充电检测模块对蓄电池进行管理。当市电 正常时，降压整流后的输出电压略高于电池组电压，对电池进行饱和充电；市电 掉电时，整流输出为零，则由蓄电池给逆变器供电。一般蓄电池可提供几分钟到 几十分钟的后备供电时间，大容量的电池组的后备供电时间可以达几个到几十个 小时，对于备有柴油发电机的用户，可以在市电停电5 1 0 秒之内把柴油发电机 投入到u p s 电源的输入端，可以在长时间停电的情况下向用户提供高质量的f 弦波电源。 在逆变器故障或者负载超载时，负载电源将通过静态开关切换到直接由市电 供电。对于对电源要求十分严格或有条件的用户，可以采用“n + l ”型冗余供 电系统，即额定容量外有一台u p s 处于热备份状态，当其中一台发生故障或负 载超额时，将这台u p s 投入运行。 一般微机和服务器允许的瞬态供电中断电时间在8 1 0 m s 的范围，我们一 般将u p s 运行时可能产生的任何瞬态供电中断控制在5 m s 的范围之内，所以逆 变器和旁路的切换开关不能使用动作时间太长的继电器、接触器等( 一般为几十 个m s ) ，本设计使用两组互锁的反并联晶闸管组成的静态开关( 一般切换时间为 几十个l a s ) 。 辅助电源市电正常时由市电供电，市电故障后由蓄电池供电，保证了辅助电 源的不间断性。 信号测量的作用是将市电和逆变器输出的电压、电流、相位等信号转换成处 理器可以接收的隔离弱电信号。微处理器是全数字化u p s 的核心，它将控制逆 变器和静态开关，还要完成显示、键盘、报警和通信等任务。 2 2 主控板 本设计的测量部分和控制部分是分开来分别在两块板子上的，分开来有几 个好处：控制部分的数字信号和测量部分模拟信号分开；便于分开调试：便于 设计方案的修改。 主控板使用两片微处理器，一片t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 ( 以下简称2 4 0 7 ) ，一片 8 9 c 5 1 。2 4 0 7 完成测量板送过来的模拟信号的测量和计算、发出控制逆变器的 信号、完成和上位机的通讯、键盘操作、故障报警、以及控制静态开关切换的 作用；8 9 c 5 1 完成液晶显示功能。2 4 0 7 通过s c i 接口和8 9 c 5 1 及上位机通讯。 武汉大学硕上学位论文智能化u p s 电源的研究 p c f 8 5 8 3l i6 4 1 6 m cll通信接口卜叫上位机 开关量入 开关量山 s v p w mk = = | | 模拟量入( 来自测量扳) 液晶 显示 模块 图2 2 主控板结构框图 t i 公司t m s 3 2 0 系列的d s p 的体系结构专门为实时信号处理而设计，该系 列d s p 控制器将实时处理能力和控制器功能集于一身，为控制系统应用提供了 一个理想的解决方案。该系列处理器具有下列特性：灵活的指令集；内在的操作 灵活性；高速的运算能力；改进的并行结构；有效的成本。 3 2 0 系列中的2 4 x 系列是为了满足控制应用而设计的。通过把一个高性能的 d s p 内核和微处理器的片内外围设备集成一个芯片的方案，2 4 x 系列成为传统 的微控制单元( m c u s ) 和昂贵的多片设计的一种廉价的替代产品；每秒两千万 条以上的指令处理速度，使2 4 x 系列d s p 控制器可以提供远远超过传统的1 6 位的微控制器和微处理器的性能。 1 m s 3 2 0 f 2 4 0 7 是2 4 x 系列继2 4 0 后推出的又一款处理器： 采用高性能的静态c m o s 技术，使得供电电压降为3 3 v ，减小了控制 器的功耗；3 0 m i p s 的执行速度使得指令周期缩小到3 3 n s ，提高了实时 控制能力。 片内高达3 2 k 字的f l a s h 程序存储器，高达1 5 k 的数据程序r a m ， 5 4 4 字的双口r a m 和2 k 字的单口r a m 。 两个事件管理器模块e v a 和e v b ，每个包括：两个1 6 位通用定时器； 8 个1 6 位的脉宽调制( p w m ) 通道。它们能够实现：三相反向器控制； p w m 对称和非对称波形：当外部引脚p d p i n t a 或p d p i n t b 出现低电 平时则快速关断相应的p w m 通道；可编程的p w m 死区控制以防止上 下桥臂同时输出触发脉冲；三个捕获单元；片内光电编码接口电路；1 6 通道的1 0 位a d 转换器；硬件s v p w m 发生电路。事件管理模块适用 于进行电机控制和逆变器等功率场合控制。 看门狗定时器模块( w d t ) ： 十位a d 转换器的最小转换时间为5 0 0 n s ，可选择两个事件管理器来触 亟堡查兰堡主堂生堡圣 塑堂些旦堕皇塑塑旦壅 发两个8 位通道输入a d 转换器或一个1 6 通道输入的a d 转换器。 串行通信接口和控制器局域网( c a n ) 模块。 高达4 0 个可单独编程或复用的通用i o 引脚和5 个外部中断。 电源管理的低功耗模式和基于锁相环的时钟发生器。 2 4 0 7 的高速运算能力以及其丰富的片内外设使其成为本设计的主控芯片。 主控板的结构框图如图2 2 所示。有开关量输入输出电路、s v p w m 输出电 路、d s p 和上位机通信电路以及5 1 和液晶模块的接口电路。6 4 1 6 m c 是d s p 外 接的一片高速r a m ，用来存放仿真程序的。p c f 8 5 8 3 是用来方便参数修改和存 放系统参数的。它外接可充电电池，即使在整个系统都停电后，系统的工作参数 也不会丢失。为了进一步提高系统工作的可靠性，系统还接有外部硬件看门狗。 由于2 4 0 7 的强大的片内外设功能，使整个主控板的设计十分简洁明了，从 而整个系统的可靠性大大提高。 2 3 测量板 系统需要测量的都是高电压、大电流的交流电或直流电，必须将它们作适 当处理，转换为2 4 0 7 能够处理的信号。 交流电压的采集使用电压互感器，互感器将交流电压信号隔离后变为 l m a 左右的交流电流信号，这个电流信号经滤波放大后转换为幅值不超过a d 参考电压的的电压信号。这个电压信号经过滤波的信号一路经整流送a d 转换 器，一路经过零比较及微分电路后送捕获口，以便于频率测量和相位跟踪。 电 相位脉冲 电三h 三母，转换 ( b ) 直流铃二至至三二 _ - - 二d 去a ，o 转换 ( c ) 图2 - - 3 信号处理流程图 9 茎坚查兰堕主兰垡笙墨塑壁垡旦堕皇塑塑堕薹 交流电流的采集使用电流互感器，其输出信号也是l m a 的电流信号，经i u 转换、滤波后，加上1 6 5 v 的直流偏移量然后送a d 。这种方式电路较为简单， 误差也较大，但对于电流信号精度已足够。 直流电压和电流信号的采集使用霍尔传感器，出来的信号经滤波就可以赢 接送a d 进行转换。 2 4i p m 接口电路和逆变器软开关 由于半桥式逆变器的三个上桥臂的驱动电源要求是相互独立的，而 p m 3 0 0 d s a l 0 0 是集成了两个i g b t 的模块，组成半桥式逆变器共需三块这样的模 块。本设计为每一个模块都单独设计一个接口板，每个上面有两路相互独立的 输出1 5 v 的开关电源，有高速的、高抗干扰度的输入信号隔离光耦，有故障信 号输出隔离光耦。 随着开关频率的增加，p w m 硬开关逆变电路的开关损耗将迅速增加。巨大 的开关损耗一方面使器件温度增高从而使其易损坏，另一方面使逆变器的整体 效率大大降低，从而使其从经济角度考虑使用几率降低。另外，过高的d v d t ， d i d t 将产生严重的电磁干扰( e m i ) 。各种各样的缓冲器虽然降低了器件的开关 损耗，但逆变器的总体效率并没有提高，从而软开关技术便应需求而诞生并渐 渐成为电力电子学领域中最活跃的研究方向之一。 谐振软开关逆变技术就其电路拓扑形式而言，大体可分为两类，即：直流环 节谐振型( r e s o n a n t d c l i n k ) 和极谐振型( r e s o n a n t p o l e ) 。从综合角度考虑，包 括：i p m 模块的封装结构上、主逆变器开关的控制方式、软开关硬件电路的简 易程度、谐振电路中谐振开关的控制的复杂程度上、对于软开关而言三相桥臂 之间的耦合度等，本设计中采用d c 环节并联谐振逆变器i i ( p i c l l 2 ) 。这种 结构的电路有以下特点： 所有开关器件承受的应力均为。 谐振开关的动作均在零电压或零电流条件下进行。 谐振电感l r 不在主回路上，仅用作需谐振过零时的储能元件。 谐振开关和每个主开关器件并联，可以利用器件本身的寄生电容。 谐振可以在任何时刻进行，过零间隔可以控制，便于和控制策略同步。 电路结构简单，仅增加三个开关和两个二极管。并且s a 和s “总是同时开关， 使控制相当简单。 2 5 上位机监控程序 在u p s 电源和微机计算机网络之间建立起双向通信调控管理功能，这是智 垦堡盔兰塑主兰垡笙塞塑! ! 些旦堕皇塑塑竺壅 能化u p s 的重要组成部分。它主要完成的控制功能有： 在u p s 长期运行中，当出现长时间的市电故障或停电时，随着时间的延 长，u p s 会利用上述通信通道向由它供电的微机计算机网络传送因市电故 障u p s 正由电池组供电、电池电压偏低等报警信号。当电池组的端电压快 下降到其临界放电电压时，微机计算机网络会在u p s 电源发出自动关闭命 令的驱动下，自动完成将程序和数据转入磁盘之后，再自动关闭操作系统 的有序关机操作，从而达到确保用户的软件和数据的安全可靠。 可在微机计算机网络的各种监视平台上实时监视u p s 的运行参数，提供了 一个友好的人机界面，方便用户的参数修改，同时便于用户查询u p s 运行 的历史记录。还可在微机网络上对u p s 进行定时的开机，自动关机操作。 为实现上述控制功能，本设计中提供了r s 2 3 2 和r s 4 8 5 通信接口，用户可 根据实际情况任选一种。对于要求执行网络管理功能的u p s ，应配置有简单的 网络管理协议( s n m p ) 适配器或适配卡。 由于本系统目前是单台u p s 运行，对于上位机而言，需监控的系统是一 相对简单的系统，数据传输量很小，所以对上位机应用程序的要求不高。 v b 是微软在w i n d o w s 操作平台下一款十分简单好用的通用程序设计语言。 本系统中对于下位机的监控主要的工作有上、下位机之间的通讯和保存系统运 行状态的数据库的操作。通讯程序使用v b 提供的a e t i v e x 控件m s c o m m ，数 据库的操作使用v b 的固有控件d a t a 即可以方便的完成。 m s c o m m 控件将数据从2 4 0 7 上传的数据接收，经应用程序容错校验、处 理后，一方面送监控界面显示，另一方面通过d a t a 控件存入数据库中。用户可 以通过点击选择查询条件来查询u p s 运行的历史记录和故障记录，可以给u p s 发出各种控制命令。 2 6 小结 本章主要介绍了一种在线式u p s 的总体设计思想，并简要介绍了各功能模 块大体框架结构。 u p s 逆变器的主功率开关使用了i p m 模块并采用软开关技术；控制部分由 主控板和测量板组成，主控芯片使用了t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 ：上位机监控程序为用户 提供一个更友好的人机界面，并记录运行数据和故障信息，方便用户了解u p s 的运行状态和分析u p s 故障原因。 正汉人学硕上学位论文智能化u p s 电源的研究 第三章逆变器 逆变器是u p s 的核心部分。为了让它能更安全可靠地工作，我们使用了先 进的智能功率模块，同时还设计了驱动隔离电路，和软开关缓冲电路。本章介绍 逆变器的整体结构，软开关技术在第五章中介绍。 3 1 智能功率模块i p m 电力电子器件是电力电子技术的重要基础。各种新型的电力电子器件不断涌 现推动了电力电子的发展。2 0 世纪8 0 年代后期，以i g b t 为代表的复合型器件 异军突起。i g b t 是功率场控晶体管m o s f e t 和电力晶体管g t r 的复合器件， 它把m o s f e t 的驱动功率小、开关速度快的优点和g t r 通态压降小、载流能力 大的优点集于一身，性能十分优越，使之成为现代电力电子技术的主导器件。但 是在实际电路中，大功率、高频率的开关操作动态条件非常苛刻。功率电路，缓 冲电路还有门极驱动电路必须合理设计，使i g b t 能够承受d i d t 和d v d t 的极限 值。如果功率电路漏感不够小、缓冲电路吸收不充分，瞬态过电压就会发生。地 环路和杂散电容也会引起严重的噪声问题。还有，合理的布局对于i g b t 的可靠 性和工作效率是非常重要的。哪一个环节没有设计好都会影响这个电路的正常工 作，甚至将器件损坏。智能功率模块i p m 则大大降低了以上问题影响系统正常 工作的可能性。i p m 是一种将高速、低损耗i g b t 及其最佳门极驱动和保护电路 集于一体的功率模块。通过使用一种先进的在线监控电流传感型i g b t 实现了高 效的过电流和短路保护。i p m 的过温保护和低控制电压闭锁保护更是大大的提高 了系统的可靠性。而且模块体积小、结构紧凑，大大减小了熬个装置的外形尺寸。 由于本系统直流电压为4 0 0 v ，3 0 k v a 满载时额定直流电流为7 5 a ，考虑2 0 0 的过载余量和一定的电流尖峰因素，最大电流为2 7 0 a 。可选用三块三菱公司 的i p m 器件p m 3 0 0 d s a l 2 0 。该模块内部有两只i g b t ，每只i g b t 的额定集电 极电流是3 0 0 a ，额定集电极一射极电压是1 2 0 0 v ，完全可以满足我们的要求。 图3 1 为p m 3 0 0 d s a l 2 0 的内部结构图。 三个模块共六只i g b t 反并联二极管后接成三相半桥逆变电路。每一个i g b t 都有相应的隔离驱动电路，所有驱动信号必须隔离后进入模块。每一驱动模块都 有完善的保护电路防止器件损坏，这些保护包括：控制电压低闭锁、温度保护电 路、过流保护和短路保护。并且要给上桥臂每一个驱动模块提供单独的隔离直流 电源，下桥臂共地，可共用一个直流电源。每一驱动电路都有完善的保护电路防 武汉大学硕士学位论文智能化u p s 电源的研究 图3 1p m 3 0 0 d s a l 2 0 内部结构图 止器件损坏。这些保护是： 】 控制电压低闭锁。i p m 的内部控制电路需要1 5 v 直流电源。当这个电压 因某种原因低于电压阀值1 2 v 时，驱动电路自动闭锁，并且发出故障信 号f o 通知主控电路。一些短时间的电压毛刺将被保护电路忽略，因为 它们并不影响驱动电路的运行。控制电压直到上升至复归阀值1 2 5 v 时， 驱动电路才又开始工作。要注意逆变器开始工作上电时。控制电压低保 护也将发生。此时的故障输出信号当然不能视为真正的故障。 2 温度保护电路。i p m 内部有一个固定在底盘i g b t 器件附近的温度传感 器。当模块温度超过阀值1 2 0 时，无论输入信号是什么，驱动电路将 自动闭锁同时发出故障信号f o 。直到模块温度下降到复归阀值9 5 并 且控制信号为高电平( i g b t 关断) 时i p m 才重新开始工作。 3 过流保护。口m 使用电流传感型i g b t 对模块进行在线监测。如果通过 i p m 的电流超过过电流阀值5 6 0 a ( 典型值) 且持续时间为5 9 s 以上，保护 电路将闭锁门极驱动并产生故障信号f o 。这段持续时间是为了避免通过 i p m 的瞬时电流尖峰造成保护误动。 4 短路保护。如果发生短路，电流超过短路电流阀值8 4 0 a ( 典型值) ，保 护将立即动作并发信号f o 。 p m 3 0 0 d s a l 2 0 共有1 0 个控制引脚，可以分为互相隔离的上桥臂和下桥臂 茎竖查堂婴主堂垡堡苎塑! ! 些! 坚里塑塑竺塾 两组： 上桥臂：1 脚v p l 和4 脚v p c 分别是1 5 1 5v 2 3 m a 电源输入和地：3 脚c p l 是调制信号输入；2 脚s p r 是模块的一个5 v 输出的标准电压，其目的是 将3 脚调制信号电压钳制在5 v ；5 脚f p 0 是故障输出引脚。 下桥臂：下桥臂引脚和上桥臂引脚是互相对应的，只是要注意两部分的电源 是相互隔离的。 需要注意的是输入控制信号是反向的，即给输入引脚p 加1 5 v 以下的电压 时，对应的i g b t 导通：给输入引脚p 加2 v 以上的电压时，对应的i g b t 关断； 故障输出为1 0 m a 下拉电流信号，最小持续时间为1 8 m s ；模块的输入控制信号 的调制频率为5 - 2 0 k h z 。 3 2i p m 接口电路 由于在设计中使用了三块p m 3 0 0 d s a l 2 0 ，在设计时，考虑到安装的灵活性， 为每个模块都单独设计了一块接口板。 i p m 模块的引脚功能在上- d , 节已有介绍，图3 2 为i p m 模块和主控板间 的接口电路。p w m 信号通过光耦进入i p m ，i p m 输出故障信号通过光耦隔离接 到主控板。 p w m 信号隔离光耦采用惠普公司的高速光耦h c p l 4 5 0 4 ，该光耦速度可 达1 m b s ，也符合u l ，v d e 等安全认证。它有一个重要特点：在共模电压为 1 5 0 0 v 时，其共模抗扰度( c o m m o nm o d en o i s ei m m u n i t y ) 可达1 5 k v p s ，满 足i g b t 可靠运行时要求光耦抗扰度 1 0 k v d s 的要求。i p m 故障输出采用普通光 耦p c 8 1 7 隔离即可。 图3 - 2i p m 接口电路图 苎堡叁兰堡主堂堡堡兰塑! ! 些旦堕里塑塑竺堑 由于i p m 模块的上下桥臂的驱动需要两组相互独立的电源，本设计中使用 p o w e r s w i t c h 公司的集功率管和脉宽调制