单相2KVAups不间断电源

1、辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学电力电子技术电力电子技术课程设计（论文）课程设计（论文）题目：题目：单相单相2KVA2KVA UPSUPS电源初步设计电源初步设计院（系）：院（系）： 电气工程学院电气工程学院 专业班级：专业班级： 电气电气12123 3 学学 号：号： 120303068 学生姓名：学生姓名： 王述睿王述睿 指导教师：指导教师： 起止时间：起止时间：202014-12-29至至2015-1-9本科生课程设计（论文）I课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室： 电气本科生课程设计（论文）II注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩2

2、0% 以百分制计算学 号120303068学生姓名王述睿专业班级电气123课程设计（论文）题目单相单相2KVA UPS电源初步设计电源初步设计课程设计（论文）任务课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数实现功能实现功能为了满足一些重要用电设备的连续供电，先将交流电直流成直流电，一路给蓄电池充电，一路经逆变器变成恒压恒频的交流电。设计任务设计任务1、方案的经济技术论证。2、整流滤波电路设计。3、逆变电路设计。4、通过计算选择器件的具体型号。5、驱动电路设计或选择。6、蓄电池选择；7、绘制相关电路图。8、进行 matlab 仿真。9、完成设计说明书。要求要求

3、1、 文字在 4000 字左右。2、 文中的理论分析与计算要正确。3、 文中的图表工整、规范。4、元器件的选择符合要求。技术参数技术参数1、输入单相交流电220V。2、输出电压交流单相220V恒定。3、输出交流电频率恒定50HZ。4、输出容量不小于2kVA。5、市电断电后工作时间不小于30分钟。进度计划第 1 天：集中学习；第 2 天：收集资料；第 3 天：方案论证；第 4 天：主电路设计；第 5 天：选择器件；第 6 天：确定变压器变比及容量；第 7 天：确定平波电抗器；第 8 天：触发电路设计；第 9 天：总结并撰写说明书；第 10 天：答辩指导教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩： 总

4、成绩： 指导教师签字： 年 月 日本科生课程设计（论文）III摘 要UPS，即不间断电源，是将蓄电池（多为铅酸免维护蓄电池）与主机相连接，通过主机逆变器等模块电路将直流电转换成市电的系统设备。主要用于给单台计算机、计算机网络系统或其它电力电子设备如电磁阀、压力变送器等提供稳定、不间断的电力供应。当市电输入正常时，UPS 将市电稳压后供应给负载使用；当市电中断时， UPS 立即将电池的直流电能，通过逆变零切换转换的方法向负载继续供应 220V 交流电，使负载维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏。UPS 设备通常对电压过高或电压过低都能提供保护。随着科学技术的发展，计算机技术、信息技术发展，通信

5、技术的发展，国民经济、国防军工、政府部门的各个领域要保障计算机信息网络系统的安全、可靠运行，各行各业都需要保障计算机信息网络系统的安全，这个时候 UPS 不间断电源便成了各个领域迫切的需求。由于将网络通信和电源监控软件调控技术完善的结合起来而形成的智能化 UPS 电源的出现，它不仅能使用户可以从任何计算机网络结点上监控 UPS 的运行，而且还可利用电源监控软件对用户的计算机操作系统和所运行的程序及数据提供全面的保护。论文中的 UPS 电路简单的体现了 UPS 电源的基本功能，实现 DCAC 的逆变过程，最终实现频率 50HZ 的 220V 交流电压输出。关键词：UPS 不间断电源；蓄电池；逆变

6、；整流本科生课程设计（论文）IV目 录第 1 章 绪论 .11.1 UPS 不间断电源技术概况 .11.2 本文设计内容 .2第 2 章 2KVA UPS 电源电路设计.32.1 2KVA UPS 电源总体设计方案 .32.2 具体电路设计 .42.2.1 主电路设计.42.2.2 保护电路设计.82.2.3 UPS电路参数计算与选择.102.3 系统仿真 .102.3.1 Matlab仿真软件简介.102.3.2 Matlab仿真模型建立.112.3.3 Matlab仿真波形及数据分析.12第 3 章 课程设计总结 .14参考文献 .15本科生课程设计（论文）1第 1 章 绪论1.1 UPS

7、 不间断电源技术概况所谓不间断电源系统，就是当停电时能够接替市电持续供应电力的设备，含有储能装置，后备动力来自电池组，由于电子元器件反应速度快，停电的瞬间在48 毫秒内或无中断时间下继续供应电力。停电会造成计算机硬盘的划伤，丢失数据，而用 UPS 供电就会避免这些麻烦。它可以提供稳定的电压输出，且在市电停电时，UPS 内部的电池立即供电。由于它能预防因停电造成的损失，目前已被广泛采用。UPS 电源系统设备技术是指依托先进功率转换技术、数字控制技术、高频开关变换技术、脉宽调制技术、电磁兼容技术、冗余并机技术、智能充放电技术、网络技术、驱动技术和新工艺技术等的一门综合技术。传统 ups 厂家在这些

8、地方采用的 ups 电源往往是具备适应工业自然环境的 ups电源产品，而不是适应工业电气环境，感性动力负载特性的真正工业动力设备用不间断电源。 在电信、金融等行业的采购规模与以前相比出现了稳步增长期间，有专业机构作出的调查表明，由于这两个行业的硬件投资比重会逐渐减少，加上这两个行业的 ups 电源保有率较高，因此其 ups 电源需求不太可能出现大的增长，预计未来的市场份额将逐渐下降。相反，一些以往占市场比重不大的行业如制造业、交通业、能源业等对 ups 电源的需求呈现出快速增长的势头，特别是制造业中，中小企业的大规模崛起，更成为带动 ups 电源市场增长的新动力源泉。 近几年来 UPS 电源系

9、统在 IT 行业发挥着越来越重要的作用，被人们誉为计算机信息的保护神。工业动力 ups 电源系统设备市场销售额随着工业自动化成套设备和设备更新改造的飞速发展，工业动力大功率 ups 电源系统设备市场在 2000年后开始发展，2003 年出现加速，平均增长率达到 16%，2006 年 1 至 9 月更是达到 18%。随着重工业化时期的来临，中国工业化、城市化进程加快，全球产业链加速向中国转移。依据相关统计数据，分析其数据特征，我们预测工业动力ups 电源系统设备市场未来五年的销售额平均增长率将达到 17.5%，潜力巨大。本科生课程设计（论文）21.2 本文设计内容本次设计内容是单相 2KVA U

10、PS 电源，使其满足一些重要用电设备的连续供电，先将交流电直流成直流电，不仅能够不间断供电，还要能够对负载实现抗干扰供电，工作稳定性高，电源稳定性高。一路给蓄电池充电，一路经逆变器变成恒压恒频的交流电。使其在市电中断供电时能够替代市电为负载供电。单相 2KVA UPS 电源设计包括方案的经济技术论证、整流滤波电路的设计、逆变电路的设计、蓄电池容量的确定及选择、电路保护系统的设计、通过计算选择器件的具体型号驱、动电路的选择或设计以及绘制相关电路图。本科生课程设计（论文）3第 2 章 2KVA UPS 电源电路设计2.1 2KVA UPS 电源总体设计方案在正常情况下，即电源由市电提供，市电经过整

11、流器整流为直流，存储到蓄电池中作为备用电源，而后再经逆变器转变成交流电提供给负载。但是由于逆变器容易发生故障，所以在电路旁侧加一旁路电源，以便解决当逆变器发生故障不能将市电输送给负载的难题。系统如图。图 2.1 UPS 电源设计方框图各部分电路说明如下：1、整流电路：把交流电能转换为直流电能的电路。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成，2、储能电路：本设计方案要求采用蓄电池储能。3、逆变电路：在驱动信号的控制下，将直流电源转换成频率和电压可以任意调节的交流电源。4、旁路电源：作备用装置使用。本科生课程设计（论文）42.2 具体电路设计2.2.1 主电路设计 1 整流电路 作品设计的

12、整流电路采用单相桥式全控整流电路，如图 2.2 所示。在单向桥式半控整流电路中，VT1 和 VD4 组成一对桥臂，VD2 和 VT3 组成另一对桥臂。在u 正半周（即 a 点电位高于 b 点电位），若 4 个管子均不导通，负载电流 id 为零，ud 也为零，VT1、VD4 串联承受电压 u，设 VT1 和 VD4 的漏电阻相等，则各承受 u的一半。若在触发角处给 VT1 加触发脉冲，VT1 和 VD4 即导通，电流从电源 a端经 VT1、R、VD4 流回电源 b 端。当 u 过零时，流经晶闸管的电流也降到零，VT1 和 VD4 关断。 在 u 负半周，仍在触发延迟角处触发 VD2 和 VT3，

13、VD2 和 VT3 导通，电流从电源 b 端流出，经 VT3、R、VD2 流回电源 a 端。到 u 过零时，电流又降为零，VD2 和 VT3 关断。此后又是 VT1 和 VD4 导通，如此循环地工作下去。晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为 22U 和 2U。 由于在交流电源的正负半周都有整流输出电流流过负载，故该电路为全波整流。在 u 一个周期内，整流电压波形脉动 2 次，脉动次数多于半波整流电路，该电路属于双脉波整流电路。 图 2.2 单相桥式全控整流电路本科生课程设计（论文）5 图 2.3 单相全控桥时代店祖师的电路及波形数量关系：角的移相范围为 180本科生课程设计（论文）6保证电

14、流连续的最小电感：L=0.693 整流电路中，主要应用的是晶闸管进行的整流，而晶闸管和二极管的最大不同之处是晶闸管工作需要一些附加条件 当晶闸管承受反向电压时，无论门集是否有触发电流，晶闸管都不导通。 当晶闸管承受正向电压时，仅在门集有触发电流的情况下晶闸管才能导通。 晶闸管一旦导通，门集便失去控制作用，无论门集触发电流是否还纯在，晶闸管都保持导通。 若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。 综上，我们需要给晶闸管加以触发电路， 图 2.4 触发电路2 逆变电路 电压型逆变电路直流侧并联大电容来缓冲无功功率。从直流电源侧看，电源为只

15、有低阻抗的电压源，输出交流电压接近矩形波，而输出交流电流接近于正弦波。由于电压型逆变电路直流侧电压极性不允许改变，回馈无功能量时，只能改变电流方向，所以应加反馈二极管，这是为滞后的负载电流提供反馈到电源的通路所必需的。 半桥逆变电路原理图如图所示，它有两个桥臂，每个桥臂由一个可控器件和一个反并联二极管组成。在直流侧有两个相互串联的足够大的电容，两个电容的连接点便成为直流电源的中点。负载连接在直流中点和两个桥臂连接点之间。本科生课程设计（论文）7 图 2.5 电压型逆变 图 2.6 逆变电路输出波形本科生课程设计（论文）8整体电路市电经过三相桥式全控整流电路进行整流，将交流电转换成直流电，给蓄电

16、池充电，同时经过逆变器将直流转换回交流给负载供电，此时负载得到的交流电压比市电电压质量高，即使市电发生质量问题，也能获得正常的恒压恒频的正弦波交流输出，并且具有稳压稳频的功能，因此也称为稳压稳频电源。同时，如果主回路发生故障，有旁路电源做为备用，这样，便提高了供电的可靠性。电容耐压一般闸管额定电压 1.11.5 倍2.2.2 保护电路设计 有些用户会认为，UPS 的负载能力越大，对负载的保护效果会越好，于是 在购买时选用了高价格高负载能力的产品。而用户在实际应用时的负载只是 UPS额定的 30%甚至更少，其实这样亦会影响到 UPS 的使用寿命，毕竟其所带的电池组很多时候都不能完全正常地进行工作

17、。当然也不是说 100%的额定负载是最好的，如果这样，UPS 出现任何小问题都会造成很大的损坏，实际操作表明选择 50%80%的负载为最佳。1：过电压保护 晶闸管的过电压能力较差，当它承受超过反向击穿电压时，会被反向击穿而损坏。如果正向电压超过管子的正向转折电压，会造成晶闸管硬开通，不仅使电路工作失常，且多次硬开关也会损坏管子。因此必须抑制晶闸管可能出现的过电压，常采用简单有效的过电压保护措施。 对于晶闸管的过电压保护可参考主电路的过电压保护，我们使用阻容保护，电路图如图 图 2.7 过电压保护电路本科生课程设计（论文）9晶闸管阻容吸收元件参数可按表表 2.1 所提供的经验数据选取，电容耐压一

18、般闸管额定电压 1.11.5 倍表 2.1 2：晶闸管的过电流保护 常见的过电流保护有：快速熔断器保护，过电流继电器保护，直流快速开关过电流保护。 快速熔断器保护是最有效的保护措施；过电流继电器保护中过电流继电器开本科生课程设计（论文）10关时间长（只有在短路电流不大时才有用；直流快速开关过电流保护功能很好，但造价高，体积大，不宜采用。 对于晶闸管的过电流保护，电路中加快速熔断器。当电路发生过流故障时，它能在晶闸管过热损坏之前熔断，切断电流通路，以保证晶闸管的安全。快速熔断器的熔体采用一定的银质熔丝，周围充英砂填料，构成封闭式熔断器。选择快熔，要考虑一下几点： （1）快熔的额定电压应大于线路正

19、常工作电压； （2）快熔的额定电流应大于或等于内部熔体的额定电流；（3）熔体的额定电流是有效值。 对于快速熔断器的选择，要选择晶闸管额定平均电流的 1.2-1.5 倍。2.2.3 UPS 电路参数计算与选择 计算分析和查找有关资料选择如下器件： 1. 蓄电池选择 IFR32900e 型 12V 15AH 蓄电池。 2. 整流电路晶闸管选择 3CT3 型。 3. 整流电感选择 80mH 的。 4. 整流变压器选择变 S11-1000/10 型。 5. 逆变电路晶闸管选择 3CT20 型。 6. 对整流电路过电压保护电路中选电容 0.1F，电阻为 100 欧姆。对逆变电路电容选择 0.15F，电阻

20、 80 欧姆。 7. 电流保护电路选择 117KSZ 型快速熔断器2.3 系统仿真2.3.1 Matlab 仿真软件简介MatLab 控制系统仿真软件是当今国际控制界公认的标准计算软件，1999 年春 MatLab 5.3 版问世，使 MATLAB 拥有更丰富的数据类型和结构、更友善的面向对象、更加快速精良的图形可视、更广博的数学和数据分析资源、更多的应用开发工具。特别是 SIMULINK 这一个交互式操作的动态系统建模、仿真、分析集成环境的出现，使人们有可能考虑许多以前不得不做简化假设的非线性因素、随机因素，从而即使学生没有对非线性动态系统进行分析研究的数学基础，仍可通本科生课程设计（论文）

21、11过仿真来认知非线性对系统动态的影响。MATLAB 程序中的基本数据单元称为阵列，是一个分为行与列的数据集合。变量被看作是只有一行一列的阵列。MATLAB 语言不需要对变量进行事先声明，也不需要指定变量类型，它会自动根据所赋予变量的值或对变量所进行的操作来确定变量的类型。2.3.2 Matlab 仿真模型建立 整流部分图 2.8 单相桥式全控整流电路逆变部分图 2.9 电压型逆变电路本科生课程设计（论文）122.3.3 Matlab 仿真波形及数据分析整流部分设置触发信号 1 的初相位为 0s（即 0），触发信号 2 的初相位为 0.01s（即180），此时的仿真结果如图 5（a）所示；设置

22、触发信号 1 的初相位为0.005s（即 90），触发信号 2 的初相位为 0.015s（即 270），此时的仿真结果如图 图 2.10 带阻感性负载单相桥式全控整流电路的仿真模型 逆变部分利用 MATLAB 为基础，用电子器件 IGBT 管，单相半桥电压型逆变电路图进行建模和仿真。由以上工作原理概论的分析可得其主电路仿真图如本科生课程设计（论文）13 图 2.11 整流电路输出波形本科生课程设计（论文）14第 3 章 课程设计总结本次课设题目是 2KVA 单相 UPS 电源初步设计。刚开始，我很困惑，不知从何下手，经过大量资料的翻阅，大概得到了整体电路设计的方案。但是定量的要求却完全达不到，后来经过老师所给材料，找到突破口。经历了一次又一次的失败，我积累了许多宝贵的经验。在经过了数天的努力，终于达到了本次课设题目的要求，完成了本次课程设计。课设的过程是艰辛的，但是收获是巨大的。首先，我们再一次的加深巩固了对已有的知识的理解及认识；其次，我们第一次将课本知识运用到了实际设计，使得所学知识在更深的层次上得到了加深。再次，因为