华北水利水电毕设模板.docx
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附录3:
毕业论文规范
存档编号
华北水利水电学院
NorthChinaInstituteofWaterConservancyandHydroelectricPower
毕业论文
题目一个医院用在线式
UPS电源的设计
学院电力学院
专业电子科学与技术
姓名郭聚彦
学号200909033
指导教师邴丕彬
完成时间
教务处制
独立完成与诚信声明
本人郑重声明:
所提交的毕业设计(论文)是本人在指导教师的指导下,独立工作所取得的成果并撰写完成的,郑重确认没有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为。
文中除已经标注引用的内容外,不包含其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
毕业设计(论文)作者签名:
指导导师签名:
签字日期:
签字日期:
毕业论文版权使用授权书
本人完全了解华北水利水电学院有关保管、使用毕业设计(论文)的规定。
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毕业设计(论文)作者签名:
导师签名:
签字日期:
签字日期:
目录
中文摘要
英文摘要
第一章
第N章
致谢
参考文献
附录
(中文题目)
中文摘要
(摘要内容不少于200字)
关键词:
(3-5个)
中图分类号:
(英文题目)
Abstract
(与中文摘要相对应)
KeyWords:
正文
正文不少于0.5万字。
正文部分应从另页开始,每一章另起页。
行间距采用1.5倍行距。
正文统一加页眉“华北水利水电学院毕业论文”字样。
正文最多采用三级标题,即章、节、条。
各层次标题一般要简明扼要,体现阐述内容的重点,无标点符号。
名称
编号及示例
书写格式
一级标题
章
第1章
三号黑体,标题占2行,居中
二级标题
节
第1.1节
小三号黑体,段前6磅,段后6磅
三级标题
条
1.1.1
四号黑体,段前3磅,段后3磅
致谢
“致谢”二字(三号黑体)居中,字间空两格,下空两行为致谢辞。
参考文献
(1)按论文中参考文献出现的先后顺序用阿拉伯数字连续编号,将序号置于方括号内,并视具体情况将序号作为上角标,或作为论文的组成部分。
如:
“…李××[1]对此作了研究,数学模型见文献[2]”。
(2)参考文献中每条项目应齐全。
文献中的作者不超过3位时全部列出;超过3位时只列前3位,后面加“等”字(英文写“etc.)”作者姓名之间用逗号分开;中外人名一律采用姓在前,名在后的著录法。
几种主要参考文献著录表的格式为:
期刊:
[序号]作者.篇名[J].刊名,出版年份,卷号(期号):
起止页码
专(译)著:
[1]张乃国.书名[UPS供电系统应用手册].出版地:
北京电子工业,出版年份.起止页码
论文集:
[序号]作者.文献题名[C].出版地:
出版者,出版年.起止页码
学位论文:
[序号]姓名.题目[D].[XX学位论文].授予单位所在地:
授予单位,授予年
专利:
[序号]申请者.专利名[P].国名,专利号,授权公告日
报纸文集:
[序号]主要责任者.文献题名[N],报纸名,出版日期(版次)
电子文献:
[序号]作者.文题[EB].出版年(更新和修改日期).获取和访问路径
附录
附录包含外文原文(近5年与毕业论文题目相关的期刊论文)、外文译文(不少于1000字)、任务书、开题报告等。
毕业论文任务书
(毕业论文题目)
一、毕业论文的目的
二、主要内容
三、重点研究问题
四、主要理论和研究方法
五、基本要求
六、其它(包括选题来源)
指导教师:
年月日
华北水利水电学院本科生毕业论文开题报告
学生姓名
郭聚彦
学号
200909033
专业
电子科学与技术
题目名称
一个医院用在线式UPS电源的设计
课题来源
随着科学技术的进步与医院现代化的发展,越来越多的高精尖设备被大量使用到医院各临床医科室,而这些医用设备的正常运行必须要有稳定、可靠的电源作保障,否则会给医疗安全带来隐患,甚至危及病人生命。
但地区电网的供电能力和质量没有同步发展,电网中经常会发生对精密仪器及电脑产生干扰或破坏的问题。
主要问题有市电停电、事故停电、电涌、电压下陷、频率偏移不稳定等,这些都会危害电力的正常供应,从而影响医院医疗用电设备的正常使用。
因此众多的医用设备必须依赖于不间断供电系统(UninterruptiblePowerSupplyUPS)作为电源保证,以改善供电质量是,避免引起医用设备故障、数据丢失和医疗不安全。
中国现有3万多所医院其中近6000家是三甲以上综合性医院,现代医疗模式的出现带动了医疗卫生机构的信息化,数字化发展步伐。
医疗信息化主要指充分利用计算机、通讯、多媒体网络及它的信息技术,实现高质量、高效率、个性化的医疗服务。
众所周知,医院HIS信息管理系统的实施,为患者提供了高效的服务与治疗,简化了从预约、诊断、划价到收费等传统医院固有的繁琐手续,从而提高患者的满意度;同时医院也通过管理系统的信息化,简化内部行政、财务及采购等流程,大大提高了效率降低了成本。
同时随着现代医学电子诊疗、治疗设备的发展,越来越多的医院开始拥有大量的数字化医疗设备如CT、MRI、生化分析仪,心电监护仪、呼吸机等设备,这些设备对于医院用电供应的可靠性和电源质量的要求越来越高,有的设备甚至本身就是一套信息系统,是病人医疗信息重要来源,有的直接维持病人的生命,因此必须保证一周7天、一天24小时的良好运转,不能发生一分一秒的停机,否则会直接危及病人的生命安全和医院医疗安全。
因此作为关键基础设施的UPS不间断电源,构筑了出色的电力保证,具有可靠性、可用性、可管理、可帮助医疗机构建设永不间断的电力安全保护环境。
主
要
内
容
1学习UPS电源的工作原理。
2完成UPS电源主电路设计。
实现UPS电源的不间断供电功能及保护功能等。
主要包括整流电路/充电电路,逆变电路,辅助电源等部分
3完成UPS电源的控制电路设计。
在控制部分要求具有下述功能:
(1)控制蓄电池的充电及放电
(2)控制电池充电的充电方式,以及恒流充电何时转换为恒压充电(3)实现实时显示电池电压及整流后市电电压(4)控制逆变电路IGBT的开通与关断生成PWM波
采取的主要理论或方法
基本原理是在线式UPS电源的设计,主电路部分把220V工频市电经过不可控整流电路变为直流电,然后降压以便为蓄电池充电,以及设计辅助电源部分为单片机以及其中的部分集成芯片供电。
之后再进行两次升压斩波电路再进行单相逆变。
利用两个单片机,第一个单片机在充电电路部分起主要作用,通过蓄电池采样电路以及市电检测控制电池的充电放电以及充电方式,并通过数码管实时显示采样的数据,交替显示蓄电池电压以及市电经过整流降压后的电压。
第二个单片机主要控制PWM逆变。
时间安排
第1周~第2周:
图书馆查找资料,消化资料。
第3周~第4周:
初步定下设计方案,完成开题报告。
第5周~第7周:
完成主电路的设计,包含元器件的选择。
第8周~第11周:
完成控制电路的设计,包含各种保护电路和检测电路设计。
第12周~第14周:
撰写并完善毕业设计论文
指导教师意见
签名:
年月日
备注
1.绪论
1.1概述
UPS(UninterruptiblePowerSupply),即不间为电源,主要用于给重要设备提供不间断电能供应。
典型的UPS结构图如图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向负载供电,使负载维持正常工作。
随着科技的发展和社会的进步,人们对用电质量的要求越来越高,UPS的功能已经不仅仅是不中断供电,还要求高品质供电。
图1.1.1典型UPS结构图
一个常见的错误概念认为,一般使用的市电除了偶尔断电事故之外,通常是连续而且稳定的。
其实不然,市电系统作为公共电网连接着成千上万个各种各样的负载。
其中,一些较大的感性、容性、开关电源等负载不仅从电网获取电能,而且还会反过来对电网造成影响,恶化电网(或局部电网)的供电品质,造成市电电压波形畸变或频率漂移。
另外,意外的自然或人为事故,如地震、雷击、输变电系统断路或短路都会危害电力的正常供应,从而影响负载的正常工作。
根据电力专家的测试,电网中经常发生并且对电脑和精密仪器产生干扰或造成损坏的情况主要有以下几种。
(1)电涌:
市电电压的有效值高于额定值的事110%,并且持续时间为一个至数个周期。
电涌主要是由于在电网上连接的大型电气设备关机时,电网因突然卸载而产生的高压冲击。
(2)高压尖脉冲:
峰值达6000V、持续时间为0.1-10ms的电压,高压尖脉冲主要是雷击,电弧放电、静电放电或大型电气设备的开关操作而产生。
(3)暂态过电压:
峰值电压高达20000V,但持续时间介于1-10us的脉冲电压。
暂态过电压的主要原因及可能造成的破坏类似于高压尖脉冲,只是在解决方法上有所区别。
(4)电压下陷:
市电电压有效值介于额定值80%-85%之间的低压状态,半且持续时间为一个至数个周期。
电压下陷主要是由于大型电气设备开机、大型电机启动或大型电力变压器接入造成的。
(5)电线噪声:
射频干扰(RFI)和电磁干扰(EMI)及其他各种高频干扰。
电动机的运行、继电器原动作、电动机控制器的工作、广播发射、微波辐射及电气风暴等都会引起电线噪声干扰。
(6)频率偏移:
市电频率的变化超过3HZ以上。
频率偏移主要是由应急发电机的不稳定运行或由频率不稳一的电源供电所致。
(7)持续低电压:
市电电压有效值低于额定值,并且持续较长时间。
持续低电压产生的原因包括大型设备启动及应用、主电力线切换、启动大型电动机、线路过载等。
(8)市电中断:
市电中断并且持续两个至数小时的情况。
市电中断产生的原因有线路上的断路器跳闸、市电供应中断及电网故障等。
对于计算机来说,其显示器和主机工作都需要正常的电力供应,尤其是内存,对电源的要求更高。
它是一种依赖电能的存储设备,需要不断地刷新动作来保持存储内容,一量断电,所保存的内容立即消失。
如果非正常断电,导致内存中的信息来不及保存到硬盘等存储设备上,就会造成信息完全丢失或变得不完整而失去价值,从而浪费大量的工作精力、时间,甚至造成巨大的经济损失。
计算机中的电源是一种开关式整流电源,过高的电压可能造成整流器烧毁,而且电压尖脉冲和暂态过电压及电源杂波等干扰都可能通过整流器进入主机板,影响计算机的正常工作,甚至烧毁主机线路。
总之,供电问题对于计算机工作的影响很大。
因此,随着计算机和网络应用的日益重要和广泛,安全可靠的电源已是网络设计和管理人员不得不认真面对的重要问题。
“需要是推动社会发展的第一动力”,在这样的背景下UPS应运而生,并伴随电力电子技术的发展不断推陈出新。
在十几年间,不仅造就了一个崭新的产业,而且随着时间的推移,必将有更加蓬勃的发展和更为灿烂的前景。
UPS不但直接应用于计算机,而且在配有计算机的设备(如医学上的CT、供应站的仪表等)、雷达站、军事、通信系统、程控电话系统、外科手术室等方面,圴使作UPS代替发电机作为后备电源。
要改善医疗设备的供电质量,我们一般想到的是在设备前加装稳压器,加装稳压器虽然可以改善部分供电质量,但从分析来看,一般的电力稳压器只能解决供电网络中的电压波和滤除部分杂波干扰,而对医疗设备造成危害的最关键问题,如奇次谐波、频率偏移,供电中断、尖峰、浪涌等特殊干扰则无能为力,这样,在设备前加装稳压器是不能彻底解决供电质量的问题的。
因此,只有配置UPS才能真正解决这一问题。
1.2UPS的类型及其工作原理
UPS的分类方法有很多,按输出波形分有方波、梯形波和正弦波;按有无机械运动分有静态UPS和动态UPS,动态UPS是依靠一个巨大飞轮存储的动能来维持供电不中断,静态UPS是以蓄电池储能,应用电力电子技术实现不间断供电;根据UPS电路结构,不间断供电方式及人们的习惯,UPS又分为后备式、双变换在线式、在线互动式和双变换电压补偿在线式(Delta变换式)4种类型。
(1)后备式UPS
后备式(offline)UPS,又称离线式UPS,是静态UPS的最初形式,它是以市电供电为主的UPS,其工作原理如图1.2.1所示
图1.2.1后备式UPS
当市电电压处于175V~264V的正常值时,UPS首先经过自动电压调节以及切换开关输出供电,一路经过充电电路对市电进行整流降压对蓄电池进行充电,有切换开关的存在,此时电池并不对负载供电,而是在恒流充电之后一直保持恒压充电的状态。
当市电供电故障(如市电电压低于175V或高于264V时)或供电中断时,UPS通过换制电路对开关进行切换,转换为蓄电池供电,此时蓄电池经过升压电路以及逆变电路为负载供电。
根据负载的要求,逆变器输出电压可设计成正弦波、方波、或准方波。
后备式UPS电源的优点是:
结构简单、可靠性高、效率高、成本低;缺点是供电波形质量较差,频率适应性差,市电转换逆变器工作转换时间较长(4ms~10ms)。
一般后备式UPS功率多在2KVA以下。
(2)双变换在线式UPS
双变换在线式UPS(online)工作原理如图1.2.2所示当市电正常时,由市电经AC/DC、DC/AC两次变换后供电给老北京,故称它为双变换在线式UPS。
当市电异常时,它由蓄电池经过DC/AC变换供电,只有逆变器发生故障,才能通过转换开关切换,市电直接旁路给负载供电。
是一种以逆变器供电为主的工作方式,以图1.2.2说明它的工作过程
1.2.2双变换在线式UPS
当市电正常时,经滤波,分3路去控制后级电路:
第1路是交流电整流变为直流电,经充电器对蓄电池进行浮充供电;第2路是经过整流器和大电容滤波变为较平稳的直流电,再由逆变器变换为稳压稳频的交流电,通过转换开关输送给负载;第3路是转换开关的控制,如果逆变器出现故障,在逻辑控制电路调控下,UPS转为市电直接给负载供电。
当市电出现故障(供电中断、电压过高或过低),UPS工作程序如下:
关闭充电器,停止对蓄电池充电;逆变器改为由蓄电池供电,维持负载电压的连续性。
双变换在线式UPS优点是:
不论市电正常与否都由UPS的逆变器供电,系统供电质量好,市电转换到电池供电可实现零切换时间;然而,它的功率传输要经过两次转换,系统效率低、成本高,整机以不控整流或晶闸管相控整流为主,输入功率因数较低,输入电流高次谐波可达30%,无功功率和谐波电流对电网的公害较大,不满足电源绿色化的要求。
(3)在线互动式UPS
在线互动式(lineinteractive)UPS,在线互动式UPS是一种介于后备式UPS和在线式UPS之间的产品,属于三端口范畴。
它和后备式UPS的主要区别是有一个双向的变换器,即可以整流又可以逆变。
当市电输入正常时,它由继电器控制电流通路,向负载供电,继电器的接通点不同,变压器的变比不同,可以做到对输出基本稳压,同时UPS中双向变换器处于整流工作状态,给蓄电池组充电。
当市电异常时,双向变换器可立即转换为逆变工作状态,将电池电能转换为正弦交流电输出,这种UPS常被称为准在线式UPS。
在线互动式UPS省去了输入整流器和充电器,而由双变换器配以蓄电池构成。
在线互动式UPS电路结构简单、成本低、可靠性高,效率可达98%以上。
变换器直接接在输出端,处在热备份状态,对输出电压尖峰干扰有滤波作用,比后备式UPS切换时间要短,输出能力较强,对负载电流峰值系数、浪涌系数、功率因数、过载等无严格限制,但在市电供电时,仅对电网电压粗略稳压和吸收部分电网干扰,输出电能质量较差,主要应用在对交流电压精度要求不高的场合。
(4)Delta变换式UPS
Delta是增量的意思,Delta变换式UPS只对输出电压的差值进行调整和补偿,它的工作原理可以用图1.2.3说明。
图1.2.3(a)中的变换器1和变换器2都是双向AC~DCSPWM变换器,两个变换器的直流侧接蓄电池。
变压器T串接在电源电压和负载电压之间,市电正常时,它提供的补偿电压既抵消电源中的谐波电压,又补偿基波电压,使负载得到稳定的正弦波电压。
它的电压由前端变换器1经电感L1提供,因此,前端变换器1称为串联补偿变换器;后端变换器经L2C2滤波后关联的负载两端,称为并联补偿变换器(主变换器),对主变换器进行实时,适式控制,使它输出的电压为正弦波电压,并向负载输出电流,补偿负载无功和谐波电流,使交流电源仅向负载输出基波有功电流,功率因数cosΦ=1,负载有功电流由交流电源与主变换器共同提供。
这种UPS通过串、并联补偿变换器共同作用,可使负载电压补偿到与电源电压同相的额定正弦电压,同时电源仅仅输出基波有功电流。
一旦市电停电,主变换器从蓄电池获取电能继续不间断的对负载供电。
由于交流电网基波电压与额定的差值一般不超过+15%~-15%,所以Delta变换器通常仅需补偿+15%~-15%的额定电压,故这种UPS除能获得优良的输入、输出特性外,还可以减少变换器总容量,提高运行效率并增强UPS过载能力。
Delta变换式UPS的优点是:
市电存在时,主变换器,和Delta变换器只对输出电压的差值进行调整和补偿,所以功率裕量大。
Delta变换器完成输入端的功率因数校正功能,使得输入的功率因数可达0.99,谐波电流下降到3%以下,整机效率可以达到96%,主变换器始终连接在系统输出端,从市电到蓄电池的切换不会产生供电中断,缺点是主电路的控制电路相对复杂,降低了系统的可靠性。
1.3典型UPS的性能对比
综上所述,在市电故障时,各种UPS的输出电能质量取决于逆变器输出电压质量,差别不会很大,只有在市电正常时,由于电路结构和工作状态不同,各种UPS的性能差别较大,各种UPS在市电正常时的性能比较如表1.3.1所示
UPS类型
容量范围/
KVA
输出电压质量
输入功率因数
切换时间
效率和过载能力
后备式
<2
稳压精度:
±4%~±7%有波形畸变和干扰
低
长
高
双变换在线式
0.7~1500
稳压精度±1%
波形畸变率小
完全不受电网干扰
由负载决定
无
低
在线互动式
0.7~20
稳压精度±20%
有波形畸变和干扰
由负载决定
短
高
Delta变换式
10~480
稳压精度±1%
波形畸变率小
受电网干扰小
高
无
较高
在线式UPS与非在线式UPS的主要区别是在线式UPS首先经过整流和大电容滤波将普通的市电交流电变成直流稳压电源,然后再将直流电源经脉宽调制处理,由逆变器重新转换为稳压稳频的交流电源,因为经过了一级AC/DC变换,原来存在于电网上的电压不稳,频率漂移、波形畸变及噪声干扰等不利因素,随着输入交流电被整流成直流电而消除,因此它属于将市电电源进行彻底改造的“再生型”电源;而非在线式UPS只对市电电源的电压进行不同程度稳压处理的“改良型”电源,它对除电压之外的其他电源问题改善程度相当有限,同时市电供电正常时,它们的输入与UPS输出处于非电气隔离状态。
1.4UPS的发展方向
随着IT业数据处理量的加大以及应用范围的扩大,对供电质量提出了更高的要求,同时各用电系统对UPS也提出了更高的要求。
目前UPS技术的发展方向主要有:
提高逆变器的开关频率,应用新型开关器件实现高效率、小型化;采用微机控制实现UPS的智能化和网络化;采用全数字控制手段,满足各种负载(如非线性负载、三相不平衡负载)的要求、减少谐波,提高可靠性;在UPS输入侧设置必要的功率因数较正装置,实现UPS的绿色化;采用冗余并机技术,提高UPS的容量和可靠性,即实现UPS的大容量和单机冗余化。
(1)控制系统的全数字化
早期的UPS逆变器都采用模拟器件来控制,传统模拟控制的特点是:
控制电路复杂,使作元器件多,器件特性差异使得电源一致性差;变动控制方法,必须修改硬件控制板,工作量大,设计周期长;因硬件
(2)
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