智能UPS的研究与设计——经济型后备式Word文件下载.docx
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1、了解UPS的工作原理、类型、基本控制方法、按要求设计做出合理方案选择。
2、用8051系列单片机为核心控制的在线式中功率UPS电源设计。
3、单相交流市电输入184~264V,频率50+5HZ,输入功率因数0.85。
输出功率为10KVA。
4、要求有完善的检测和保护功能(如输入的电压、电流;
输出电压、电流;
蓄电池的充放电
电流的检测,逆变器的工作情况检测,对这些情况进行保护和响应的显示报警等。
)
5、资料完整(开题报告、说明书、图纸等)
二、进度安排及完成时间:
1、第2周至第4周:
明确课题任务及要求,搜集课题所需资料,掌握资料查阅方法,了解本
课题研究现状、存在问题及研究的实际意义。
写出开题报告。
2、第5周:
了解UPS系统的功能、控制方法,比较论证方案,确定课题总体方案。
3、第6周至第7周:
主电路设计、计算与主电路元器件选型。
4、第8周:
毕业实习,撰写毕业实习报告。
5、第9周至第12周:
研究UPS控制系统设计方法以及以8051单片机为核心构成一个在线式
UPS电源的硬件设计,检测与保护电路设计等。
6、第13周至第14周:
系统软件设计,程序编写。
7、第15周:
整理资料,编写说明书、绘制图纸、准备答辩。
8、第16周:
答辩.
目录
摘要 I
ABSTRACT II
第1章 UPS概论 1
1.1概述 1
1.2UPS的发展 1
1.3UPS的特点和分类 2
1.3.1UPS的特点 2
1.3.2UPS的分类 3
1.4选题的意义 4
1.5本课题的主要任务和基本参数 4
第2章 总体方案的设计及设计的指导思想 5
2.1总体方案的确定和设计 5
2.2主体硬件电路的设计及指导思想 5
2.3主体软件控制部分的设计思路 6
第3章 主体硬件电路各个单元电路的设计 7
3.1低通滤波电路的设计 7
3.2功率因数校正电路的设计 7
3.3充电电路设计 12
3.4UPS蓄电池组的选择与使用 13
3.5逆变电路的工作原理与设计 15
3.5.1逆变器概述 15
3.5.2逆变主电路的设计 16
3.5.3交流滤波器的设置 17
3.6静止开关的设计 18
3.7保护报警电路的设计 20
3.8辅助电源的设计 22
3.8.1开机电路 22
3.8.2辅助电源电路 23
第4章 基于8051单片机的应用监测系统设计 24
4.1以8051为核心的单片机应用系统总体设计方案的确定 24
4.2单片机系统硬件部分设计 24
4.2.1单片机的选择 25
4.2.28051CPU与数/模转换器接口电路设计 26
4.2.38051CPU与模/数转换器接口电路设计 27
4.2.4锁相电路(相位跟踪) 27
4.2.5显示电路的设计 28
4.2.6工作电源设计 28
4.3单片机应用系统软件的设计 28
4.4系统所需各模块确定及总体规划 28
4.4.1模块划定 29
4.4.2系统整体规划 29
4.5系统各模块设计 29
4.5.1系统主程序模块的设计 29
4.5.2中断子程序模块的设计 31
4.5.3显示处理子程序模块的设计 33
4.5.4键盘处理子程序模块的设计 34
4.4.5电压、电流的标度转换子程序设计 35
4.4.6监控子程序模块 38
4.4.7状态判断模块和越限报警子程序的设计 46
4.4.8源程序的调试 49
结束语 50
参考文献 51
致谢 52
附录 53
附录A、功率因数校正电路图 53
附录B、保护报警电路图 54
附录C、开机电路及辅助电源电路 55
附录D、微处理器8051接线总图 56
湖南工程学院应用技术学院毕业设计(智能UPS的研究与设计)
智能UPS的研究与设计—(经济型后备式UPS电源设计)
摘要:
UPS是不间断电源的简称,是以逆变器为主要组成部分的静止型恒压恒频电力电子装置,具有保证电压频率稳定,改进电网质量,防止由于波形畸变、高频噪音以及瞬时停电给用户造成的危害等功能。
按照供电方式UPS可以分为后备式和在线式两种。
本课题设计中主要研究后备式,它具有电路简单,经济实用的特点。
随着不间断电源技术的发展,现代UPS越来越趋向智能化,在本课题选择采用
8051单片机作为微机控制器来加以实现,即完成一个智能化的后备式UPS电源的设计。
关键词:
UPS;
不间断电源;
后备式;
智能化的后备式UPS;
8051单片机
-I-
DesignAndResearhoftheIntelligentOff-LineUPS
Abstract:
UPSistheabbreviationofuninterruptablepowersuply.Itisastaticelectronicdevicewithconsistentvoltageandfrequencewhileitsgeneralpartisananti-changedevice.Ithasalotoffunctionssuchaskeepingthefrequenceofthevoltage,improvingthequalityofthepowernet,preventingthedamageswhichareraisedbywavechanging、highfrequence
noise、suddenpowercutandsoon.
UPScanbedevidedintotwocategoriesasonlineandoff-line.Istudiedtheoff-lineoneinmythesis.Ithasthefeaturessuchasasimplecircuitandaniceusewithlowcost.
Asthedevelopmentofuninterruptablepowersuplytechnology,themodernUPShasbeenmoreandmoreintelligent.Ichosetousethe8051single-chipcomputerasthemicro-controllerinthethesis.Thatistoaccomplishaintelligentoff-lineUPS.
Keywords:
UPS;
uninterruptablepowersuply;
off-line;
intelligentoff-lineUPS;
8051single-chipcomputer
-II-
第1章 UPS概论
1.1概述
UPS(不间断电源)是以逆变器为主要组成部分的静止型恒压恒频电力电子装置,具有保证电压频率稳定,改进电网质量,防止由于波形畸变、高频噪音以及瞬时停电给用户造成的危害等功能。
当今时代,计算机技术迅速发展,计算机被广泛地应用到电力、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全年不间断的高可靠、高安全度和高速的信息资源服务。
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UPS(UninterruptiblePower
Supply)不间断电源的责任所在。
UPS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,UPS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365x24小时“全天候”的互联网增殖服务的关键因素之一。
此外,UPS还广泛的应用于国民生产生活的各个方面,如通信,外科手术,军事等。
1.2UPS的发展
不间断电源UPS发展至今已有四十来年的历史:
最初的UPS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
-11-
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UPS电源,这种UPS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UPS电源[12]。
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UPS,这种
UPS具有没有振动、噪音低、体积小、控制灵活、效率高等优点,现代UPS基本上都是静止型的。
随着电力电子技术和微电子技术的飞速发展,UPS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IGBT、智能功率模块IPM或IGCT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SPWM调制技术、空间矢量脉宽调制技术(SVPWM)、提高电压利用率的准优化PWM技术以及用于高压高频的HVSOPWM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(EMI)和环境污染(噪声等)。
d)输入端采用功率因数矫正技术(PFC)减小了UPS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UPS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UPS系统的运行。
g)采用双机或多机并联冗余技术组成UPS系统,大大提高了可靠性。
1.3UPS的特点和分类
1.3.1UPS的特点
1)供电可靠性高:
由于UPS为负载提供了主、备两套供电系统,而且备用电源和主电源通过静止开关进行切换。
由于切换时间极短且主、备电源始终保持锁相同步,故停电时从负载侧看来,电源没有丝毫的中断。
这就为负载连续、可靠地运行提供了强有力的保障。
2)供电质量高:
由于采用了微机控制的电子负反馈电路,UPS的输出电压稳定度较高,可达
±
0.5%~±
2%。
又由于UPS利用石英晶体振荡来控制逆变器的频率,故输出稳定,稳
定度可达±
0.01%~±
0.5%,电压失真度也较小(电压畸变小于1%时,不存在谐波失真的问题)。
3)效率高,损耗低:
由于UPS中的逆变器采用了PWM技术,因此它具有开关电源的一系列优点。
通过精确调整脉冲宽度,可保证功率稳定输出。
同时,开关管在截止期间没有电流流过,故自身损耗少,其供电效率可达90%以上。
4)故障率低,维护容易:
由于采用了微处理器监控技术和先进的IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor,绝缘栅双极晶体管)驱动型SPWM(SinusoidalPulseWidthModulation,正弦波脉冲宽度调制)技术等目前UPS可靠性已达到了极高的水平。
对于大型UPS来讲,其单机的年均物故障工作时间(MTBF)超过20万小时已不成问题。
如果采用双总线输入+双总线输出的多机“冗余”型UPS供电系统,其MTBF甚至可达100万小时数量级[23]。
1.3.2UPS的分类
现代UPS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UPS(On-LineUPS,InverterPreferredUPS)
在线式UPS无论市电是否正常,其功率流程都是“市电→EMI(ElectroMagnetic
Interference)滤波→整流滤波(掉电时为电池)→逆变器→静止开关→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→EMI滤波→静止开关→输出”。
有的用户还备有柴油发电机,可以在市电停电5-10秒之内投入到UPS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。
2.后备式UPS(Off-LineUPS,LinePreferredUPS)
后备式UPS的原理结构和在线式基本一样,但工作方式不一样。
市电压在170-
264V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170V或高于264V时,才向用户提供真正的逆变器输出的高质量的交流电源。
3.三端口UPS(DeltaUPS,InteractiveUPS)
三端口UPS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口转换开关(有的是三端口变压器)分别给输出和双向变换器,双向变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UPS又
分成在线互动式、Delta变换型和三端口结构方式。
在线互动式当电源电压在180-240V时,直接供电,在150-180V或240-276V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;
Delta变换型在电源电压波动小于±
15%,频率波动小于±
3HZ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[9]。
1.4选题的意义
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UPS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UPS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UPS供电系统中不应该存在“单点瓶颈”故障隐患。
我国研制UPS的起步较晚,主要产品有:
邮电535厂研制的DND11-220V/23型单相UPS及DXJF1-30KVA三相UPS;
南京无线电厂研制的BDY1-79型50KVA及BDY2-85型75KVA三相UPS等产品。
如今国内生产UPS的厂家不断增多,但多为模拟控制和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
UPS用户使用进口产品颇多,特别是中大功率的UPS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UPS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。
所以期待着有高性能的国产UPS电源的出现。
1.5本课题的主要任务和基本参数
1.主要任务
在了解UPS的工作原理、类型、基本控制方法的基础上,按要求设计做出合理方案选择。
设计用单片机为核心控制的经济型后备式UPS电源。
2.基本参数
单相交流市电输入165—265V,频率50±
5HZ,输入功率因数0.8。
输出功率
1KVA。
3.设计要求
要求有完善的检测和保护功能(如输入的电压、电流;
蓄电池的充放电电流的检测,逆变器的工作情况检测,对这些情况进行保护和响应的显示报
警等。
)且元器件选型应合理。
第2章 总体方案的设计及设计的指导思想
2.1总体方案的确定和设计
后备式UPS是静止UPS的最初形式。
它的工作分两种情况,市电正常时,UPS转换开关切换到市电输入端,输入市电经转换开关接至交流稳压器(由输出变压器构成)稳压后给负载供电。
蓄电池处于充电状态。
当市电发生变化时,UPS通过改变继电器的接点来改变交流稳压器的输出绕组,从而实现稳定输出电压的功能[12]。
后备式UPS的逆变器在市电正常时不工作,市电发生故障(无市电,市电电压过高或过低)时,UPS工作在后备状态,逆变器工作。
当UPS内部的检测控制电路检测到市电故障时,就启动逆变器并将转换开关切换到逆变器端,由蓄电池经逆变器转换成交流电给负载供电。
后备式UPS的稳压是通过调节变压器的变比来实现的,所以其输出电压稳定度比在线式UPS低。
在本次设计中要得到的是一个智能化的后备式UPS。
要求是输入功率因数0.8,输出功率1KVA。
首先要让其满足作为一个后备式UPS的最基本的结构,而此外为实
现智能化则应该是再加上微机(单片机)系统来组成。
普通的UPS用来完成基本功能,而微机系统则用来对各类信息进行分析综合,完成UPS相应部分正常运行的控制功能和对运行的UPS进行实时监测,检测故障,自身维护及自动操作等功能。
设计后备式UPS电源,包括硬件设计和软件设计。
硬件电路的设计首先理清各部分电路的工作原理和功能,再进行各个单元电路图的设计,其中包括元件的选型和参数的计算等。
采用单片机进行软件设计首先要做出程序流程图,子程序流程图,控制算法,然后上机调试、修改,最后确定最佳控制方案。
2.2主体硬件电路的设计及指导思想
主体硬件电路是整个设计的基础和着手点:
智能化的后备式UPS硬件电路主要由几大部分组成:
低通滤波电路、功率因数校正电路、充电电路、蓄电池组、逆变器电路、静止开关电路、交流稳压器(由输出变压器构成)以及微机控制、监测、显示及报警保护电路。
其大致原理图形可如图2.1图示:
图2.1主体硬件电路原理图
在设计时需从总体图出发按要求逐个设置分电路。
此外,在设计中用到微机(8051单片机)应用系统,单片机应用系统是指以单片机为核心,配以一定的外围电路和软件,能实现某些功能的应用系统。
它由硬件部分和软件部分组成。
进行该系统设计的目的是达到智能控制要求,包括扩展部分和功能模块的设计,以及软件系统设计等。
具体设计过程及思路将在第三章中进行详细阐述。
2.3主体软件控制部分的设计思路
课题设计要求中规定必须以单片机为核心来控制UPS。
所以必须设计一个单片机应用系统,即以单片机为核心,配以一定的外围电路和软件,用来实现电路实时监测等功能的应用系统。
其设计包括硬件设计和软件设计两大部分。
具体思路和单片机芯片确定见第四章详细说明。
第3章 主体硬件电路各个单元电路的设计
如前文所述,智能化的后备式UPS硬件电路主要由几大部分组成。
接下来就对各个主要单元电路的设计进行具体分析和设计。
3.1低通滤波电路的设计
我们要求50Hz基波电压应该无衰减的通过交流滤波器,而对其他高次谐波应该进行极大的衰减。
所以不间断交流电源装置中的交流滤波器应该有低通特性,即使用低通滤波器。
它由交流滤波电抗器和交流滤波电容器组成,电抗器接在串臂上,电容器接在并臂上。
按电路结构形式的不同,基本低通滤波器可分为Γ型、Τ型、Π型三种型式。
此处可采用Τ型低通滤波,其设计结构图如3.1:
图3.1 Τ型基本低通滤波器机构图[12]
Τ型基本低通滤波器,是用两只电感为L1、L2的交流滤波电抗器(电感值相等)和一只电容为C1的交流滤波电容器
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- 智能 UPS 研究 设计 经济型 后备