UPS不间断电源设计

2012 ~ 2013 学年第 2 学期

《电力电子实训》

课程设计报告

题目：UPS不间断电源

专业：自动化

班级：自动化（2）

姓名：唐青荣怀润

指导教师：周松林

电气工程系

2011年5月12日

1、任务书

摘要

UPS（Uninterruptible Power System ），即不间断电源，是一种含有储能装置，以逆变器为主要组成部分的恒压恒频的不间断电源。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提供不间断的电力供应。当市电输入正常时，UPS 将市电稳压后供应给负载使用，此时的UPS就是一台交流市电稳压器，同时它还向机电池充电；当市电中断（事故停电）时，UPS 立即将机电池的电能，通过逆变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 设备通常对电压过大和电压太低都提供保护。

电力电子技术的应用围已经深入到我们呢的日常生活中去了，其中UPS不间断电源就是其中的重要应用围。此次电力电子课程设计中，对UPS电源的设计就是本次设计的主要容。随着UPS的广泛使用，在现代社会中的重要性越来越强，使用围越来越广，目前，UPS在电力电子产品中已占市场相当大的份额，所以这次课程设计对我来说具有非常的实际意义，能从中让我学习许多先进的知识和理论，将所学的知识进行升华，这将有利于我今后的工作。

关键词：储能逆变器不间断电源稳压器向负载供电

Abstract

UPS (Uninterruptible Power System), namely the uninterruptible power supply, is a kind of energy storage device, uninterruptible power supply voltage and frequency of the main part of the inverter. Mainly used for power supply to a single computer, computer network system or other power electronic equipment to provide uninterrupted. When the power input is normal, UPS city electricity voltage supply to load, the UPS is an AC voltage regulator, at the same time it also to the machine battery charging; when the power outage (outage), UPS will immediately built-in battery power, continue to supply 220V alternating current to the load by the method of inverse transformation, the load to maintain the normal work and protect the load of soft, hardware damage. UPS devices are often large and the voltage is too low to provide protection for all voltage

Application of power electronic technology has penetrated into our daily life in London, where UPS uninterruptible power supply is one of the important applications. Power electronics course this design, design of UPS power is the design of the main content. With the wide use of UPS, in the modern society is becoming more and more strong, used, currently, UPS has accounted for a large share of the market in electric and electronic products, so the curriculum design has practice meaning to me, let me learn a lot from the advanced knowledge and theories, to learn the knowledge of sublimation, which will be helpful for our future work.

Keywords: energy storage inverter uninterruptible power supply voltage to the load power supply

插图清单

图2-1 静态UPS典型框体 (3)

图3-1 UPS不间断电源电路图 (4)

图3-2整流/充电器主回路电路图 (5)

图3-3逆变电路 (7)

图3-4旁路电源转换开关 (9)

插表清单

表3-1电路图器件清单 (4)

目录

第一章概绪 (1)

1.1 UPS的发展历程 (1)

1.2 UPS的发展前景 (2)

第二章系统整体设计方案 (3)

2.1 负载间断供电的原因 (3)

2.2系统总体设计原理 (3)

2.2.1 总体设计原理框图 (3)

第三章单元电路设计 (4)

3.1 整流/充电电路设计 (5)

3.1.1整流/充电器主回路设计 (5)

3.1.2晶闸管的要求 (6)

3.1.3滤波电抗器、电容及选用 (6)

3.2 逆变电路设计 (6)

3.3旁路电源 (8)

第四章心得与体会 (10)

参考文献 (11)

第一章概绪

自从电子设备特别是计算机问世以来，电源问题一直是人们十分关心的问题。且对于一些特殊位置的重要设备，人们不但关心其供电电源本身的性能指标更注重供电电源的质量，即供电的稳定性和不间断性。因为这些设备的电源一旦出现不稳定或者消失，就将造成非常大的损失，甚至无可挽回的损失。所幸的是不间断电源UPS(Uninterruptible Power System)的出现，为解决这个问题提供了广阔的前景。

1.1 UPS的发展历程

最初的UPS是本世纪六十年代初由旋转电动机供应能量的动态UPS，即不间断是靠动能维持。这种早期UPS的输出稳定是靠惯性飞轮对短时间电压突变和干扰无反应，不间断性是靠断电后飞轮的惯性延长供电时间。当然这种UPS的后备时间是很短的(一般不超过5秒)，于是人们开始使用备用蓄电池组，这就是早期UPS的典型结构。这样的UPS虽然可以靠增大蓄电池容量来延长后备时间，但转换效率低。于是出现了燃式UPS系统，这种UPS靠燃机提供断电后的能量。动态UPS设备庞大笨重、操作不够灵活、而且效率低、噪声大。

随着电力电子学(功率电子学)的发展，为实现大功率的电能转换，于是出现了静态UPS，它的主电路和控制电路均采用半导体器件，它也是目前绝大多数概念中的UPS。其基本原理是，市电输入经整流器将交流电变成直流电，一方面给蓄电池组充电，另一方面为逆变器提供能量，再将直流电变成交流电经转换开关送到负载，当逆变器发生故障时，另一路备用电源(旁路电源)经过转换开关实现向负载供电。

静态UPS的工作方式有在线式和后备式(Online and Offline)，两者主体结构大体相同，只是后者在市电正常时工作在旁路(Bypass)，而前者只有当逆变器故障或过载时才由旁路电源供电。而且一般来说，从性能上讲，在线式优于后备式;从容量上讲，后备式一般不大于3KVA，而在线式不受此限制，目前单机容量可以做到600KVA以上，比如M.G, EXIDE, SOCOMEC等公司。UPS的装机容量正不断扩大，并联成为扩大容量或者冗余系统的必然方法。比如M.G, EXIDE等公司的UPS机信号用微机处理、通讯采用普通信号，而SIEL公司采用光纤通讯〔OSC 系统)，从而实现多台UPS的同相同幅、均负载的功能。由于单相进单相出给市电配电带来极大困难，于是出现了三相入单相出(3/1)的UPS，其最大容量可达60KVA以上，这种单相输出的UPS在切换到旁路时、满负载情况下市电对应的一相将严重超载，因此厂家推出了三相入三相出的UPS产品，而且有三相负载100%不平衡产品，如IPM, SOCOMEC, BORRI, MEISSNER, SAVIN,VICTRON等公司的UPS 产品。为改善后备式UPS的供电质量，人们研制了净化UPS，即将净化电源加在旁路电源上，如国产宝合UPS产品。结合后备式UPS效率高和在线式UPS供电质量高的优点，人们提出了三端口UPS。它使得离线式和在线式有机结合在一起，产品如APC、BESTDELTEC、休康等。近期又出现了不间断蓄电池系统

UBS(Uninterrupted Battery System)，它结合了动态UPS和静态UPS的优点，只是噪声稍大，主要应用于特殊场合，如野外、地下室等环境恶劣的场所。

1.2 UPS的发展前景

从以上UPS的发展历程可看出，UPS从当初单一的动态存储式到今天多类型多品种动态、静态、动静结合、在线式、后备式(离线式)、后备在线交叉式等。随之，UPS的应用领域也从当初单一的计算机用户发展到今天计算机系统、网络系统在的能源(如电力)、医药、农林、交通、天文、地理、通讯系统(如网络通讯)等领域，后备时间从当初的几秒钟到今天的几小时、几十小时甚至更常的时间，特别是从技术含意义上讲，从当初单一的机械式到今天包罗了当代全部的电子技术:从微电子学到功率电子学，从线性电路到数字电路，从计算机硬件到软件，从电信号通讯到光纤通讯以及机电一体化技术。

随着微电子技术和电力电子技术的不断发展，电源技术的高频化、模块化、数字化、绿色化成为发展趋势，UPS不间断电源也不例外。电力电子功率器件的高频化和模块化使得UPS电源产品的体积和重量大大减小，而可靠性和效率得以提高，可带来显著节能、降耗的可观经济效益。微处理器软硬件的引入的可以实现对UPS的智能化管理，进行远程维护和远程诊断。从而为UPS电源产品的数字化、智能化提供了坚实的基础。随着人们对环境保护意识的加强，电源系统的绿色化概念被提出。所谓电源绿色化首先是显著节能，因为节电可以减少发电对环境的污染。其次是电源不能(或少)对电网产生污染。事实上许多功率电子节能设备往往是电网的污染源，向电网注入严重的谐波电流，使得总的功率因素下降使电网电压产生毛刺尖峰甚至畸变。20世纪末各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生，有了功率因数校正PFC，Power Factor Corrector)方法，为21世纪UPS电源产品的绿色化奠定了基础。

由此可看出UPS已当之无魄成为当代高科技成员，而且正随着电力电子技术、计算机技术、网络技术等相关技术的发展而不断发展。

第二章 系统整体设计方案

2.1 负载间断供电的原因

造成负载间断供电的原因又很多，主要有：

(1)交流输入电源（市电）突然发生停电。造成停电的原因有很多，如：用户发生事故造成电源跳闸;雷击造成短路而跳闸，或者雷击造成输电线断裂而跳闸;台风或龙卷风将电线瓜裂而跳闸等。

(2)交流电源发生瞬间停电。

(3)电源装置发生故障而中断供电。 2.2系统总体设计原理

UPS 不间断电源设计的基本原理是将输入的交流电整流转换为直流电，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，一是UPS 输出的稳定性，即输出电压和频率都必须保持稳定(在一定的额定精度)，二是UPS 输出的不间断性，即要能实现不间断供电。整个设计紧紧围绕这两个要点进行的。 （1）蓄电池(包括充电器)是电网断电或者电网电压严重畸变时为负载供电的能量来源；

(2）逆变器是UPS 输出稳压稳频的交流电的核心组成，也是整个UPS 核心的采用冗余备用单元也是为了保证负载供电的不间断；

(3) 旁路辅助电源(包括维修旁路电源和静态旁路电源)是为维修、检修UPS 或者逆变器故障的情况下实现不间断供电的辅助电源。

2.2.1 总体设计原理框图

图2-1 静态UPS 典型框体

逆变器

转 换 开 关

旁路电路

整流器 负 载

市 电

第三章单元电路设计

UPS电源系统由4部分组成：整流、储能、变换和开关控制。其工作过过程是当市电正常工作时，直流回路有直流电压供给直流到交流逆变器输出稳定的220V交流电压，同时市电对蓄电池进行充电。当市电处于欠压或者突然断电时，由蓄电池组提供直流电，通过直流到交流逆变器输出稳定的220V交流电压。如果逆变器发生故障则通过空气开关，切换到旁路电源，由旁路电源为负载提供交流220V电压。其主电路图如下所示：

3-1 UPS不间断电源电路图

——器件名称器件作用

1 两个空气开关控制电路的通断

2 六个晶闸管控制输出电流电压

3 六个IBGT逆变器的组成

4 六个反向二极管保护IGBT

5 两个电解电容滤波电解电容

6 蓄电池组储存电量和释放电量

7 六个电阻阻容吸收电阻

8 六个电容阻容吸收电容

9 直流电流表测直流电路电流

10 直流电压表测直流电路电压

11 电感电感器滤波电感

12 保险丝保护电路

3.1 整流/充电电路设计

3.1整流/充电电路设计

整流/充电电路在UPS交流不间断电源装置中的作用主要有两个:一是将交流电整流为直流电，经滤波后供给逆变器；二是给蓄电池提供充电电压，对蓄电池进行充电。整流电路的形式有很多种，典型的整流电路有：三相或单相不可控整流电路、三相或单相桥式半控整流电路、三相或单相桥式全控整流电路，带平衡电抗器的12脉波整流电路等。

大功率UPS不间断电源的整流/充电电路一般选用可控整流电路，这是基于整流器和充电器为一体的设计考虑的，具体来说：

(1)我们希望的是逆变器能得到一个电压比较稳点的电源。但是往往由于很多因素的影响，如市电不断变化的影响，有的时候低于380V，甚至可能会低于340V；又是高于380V，甚至高于420V等等，如果采用不可控电路的话，就不能保证直流电输出的稳定性。只有采用可控电路才能自动的调节脉冲相位，才能保证输出电压的稳点。

(2)蓄电池的充电电压必须可以调节。不可控电路不能提供蓄电池通常状态下的浮充电压和过放电压以后的均充电压(均衡充电电压)两种不同大小的电压。因此采用可控整流电路比较好。

3.1.1整流/充电器主回路设计

本设计中的整流/充电电路采用常见的三相桥式全控整流电路，电路图如下所示：

图3-2整流/充电器主回路电路图

3.1.2晶闸管的要求

控制电路是整流充电器的核心因为无论是整流直流输出作为逆变器的输入的控制还是给蓄电池充、放电的控制必须保证控制可靠、稳定、有序。因此对控制电路的要求如下：

(1)晶闸管的触发控制电路要输出与主回路电路相同步的触发脉冲。

(2)能调节整流输出大小，以满足对蓄电池充电的要求。

(3)保证整流输出的稳定，以利于逆变器和蓄电池的工作。

(4)整流器的起动要平稳，因而要控制起动速度限制起动电流。

(5)抑制过载电流，要有限流保护和过、欠压保护。

3.1.3滤波电抗器、电容及选用

(1)滤波电抗器L的作用可归结为以下三个方面

1)平波作用。整流电压里含有对逆变器和蓄电池不利的交流成分，利用电抗器既能储存能量又能放出能量的特点，在电路中接入电抗器L减小整流电压脉动程度，起到平波作用。

2)续流作用。当整流器的晶闸管控制角增大到一定值后，在某段时间桥式整流电路中各元件均不导通，此时整流器输出电压为零，输出电压的波形出现了不连续，输出电流也就出现了不连续。这必将影响逆变器和蓄电池的供电连续胜。如果接入了电抗器L，在这段时间电抗器将通过续流二极管所提供的通路把它储存的能量释放出来，供给逆变器和蓄电池，形成导通回路，保证输出电流的连续性。

3)限制短路电流上升率的作用。当直流侧发生短路时，直流回路中的电流将猛然增大，危及晶闸管和硅整流元件如整流二极管。利用电抗器上电流不能突变的特点，在电流中接入电抗器后可限制短路电流的上升率，从而起动保护整流器的作用。

(2)滤波电容C

电容C是大容量、高耐压滤波电解电容起平滑滤波作用。

(3)L和C的选用

设计直流滤波器所用L和C的大小根据整流/充电器的容量合理计算

这里我们根据经验来取值。

L--考虑电感量大小和电流选1mH/600A。

C--考虑大小和耐压值选6800uF/450V两片。

3.2 逆变电路设计

析方便图3-2是采用IGBT作为开光器件的电压型三相桥式逆变电路，可以看成由三个半桥逆变电路组成。图3-2的直流侧通常只有一个电容就可以了，但为了分，画作串联的两个电容器并标出假象中点N′。和单相半桥、全桥逆变电路相同，三相电压型桥式逆变电路的基本工作方式也是180°导电方式，即每个桥臂的导电角度为180°，同一相（即同一半桥）上下两个臂交替导电，各相开始导电的角度依次相差120°。这样，在任一瞬间，将有三个桥臂同时导通。可能是上面一个臂下面两个臂，也可能是上面两个臂下面一个臂同时导通。因为每次换流都是在同一相上下两个桥臂之间进行，因此也被称为纵向换流。

图3-3 逆变电路

对于U 相输出来说，当桥臂1导通时，

2

'd UN U u =，当桥臂4导通时，

2

'd UN U u -=。因此，'

UN u 的波形是幅值为2d U 的矩形波。V 、W 两相的情况和

U 相相似，

'

VN u 、

'

WN u 的波形形状和'

UN u 相同，只是相位依次相差120°

UV

u 、

VW

u 、

WU

u 可由下式求出

负载线电压

设负载中点N 与直流电源假象点N ′之间的电压为'

NN u ，则负载各相的相电

压分别为

??

?

??

-=-=-=''''''UN WN WU WN VN VW VN UN UV u u u u u u u u u ()

1?????-=-=-=''''''UN WN WU WN VN VW VN UN UV u u u u u u u u u

把上式各式相加并整理可求得

设负载为三相对称负载，则有

=++WN VN UN u u u ，于是

所以1NN u 也是矩形波，其频率为1UN u 的3倍，幅值为其3/1，即6

/d U 。 三相逆变输出的电压与电流分析类似，负载参数已知，以U 相为例，负载的阻抗角ψ不一样，

U

i 的波形形状和相位都有所不同，图2g 给出的事阻感负载下

时U i 的波形。桥臂1中的1V 从通态转换到断态时，因负载电感中电流

不能突变，小桥4中的4VD 先导通续流，待负载电流降为零，桥臂4中电流

反相时，4V 才开始导通。负载阻抗角ψ越大，4VD 导通时间越长。在1NN u

0>时，

U i 时为1V 导通；在01U i 时4VD 导通，0

i 时为4V 导通。

v

i 、w i 的波形与U i

形状相同，相位一次相差0120。将三个桥臂电流相加可得

到直流侧电流d i 。把桥臂1、3、5的电流加起来，就可得到直流侧电流d i

的波形，

如图2h 所示。可以看出，每隔60°脉动一次，而直流侧电压是基本无脉动的，因此逆变器从交流侧向直流侧传送的功率是脉动的，且脉动的情况和

d

i 脉动情况

大体相同。这也是电压型逆变电路的一个特点。

3.3旁路电源

旁路电源是UPS 不间断电源不可缺少的部分，它分为静态旁路电源和维修旁路电源。静态旁路是指利用静态开关(一对反并联的快速晶闸管组成)来实现逆变器供电和旁路供电之间的同步切换。因为快速继电器的动作时间至少为几毫秒，不能满足不间断供电的要求，而静态开关的导通和关断时间仅为数十微秒，因此

)(3

1)(311111WN VN UN WN

VN UN NN u u u u u u u ++-++=)(3

1

1111WN VN UN NN u u u u ++=()4()3()2?????

-=-=-=''''''NN WN WN NN VN VN NN UN UN u u u u u u u

u u πψ<

可实现负载的不间断供电。维修旁路电源是为电源装置检修、维修时的备用电源。旁路电源一般取自市电电网。

图 3-4 旁路电源转换开关

第四章心得与体会

在此次设计中，我们小组成员都很积极，为了实现其功能，我们查阅了相关书籍，并且在我们的探讨与研究中找到正确的方法。此次设计最让我们领悟到了光学知识，光会做题是没有用的，也没有完全体现学习知识的意义，知识在于实际应用，实践是检验真理的唯一标准。虽然这学期电力电子技术这门课我们刚上完，所以对这次课程设计来说还算是趁热打铁，我将我所学的知识通过这次课程设计得到了升华。但是在知识的实际应用中我不断发现了自己的不足，通过这次设计，让我全面系统的复习了电力电子技术这门学科，也使我对其在实际生活中的应用有了更深的了解；为了完成设计，我必须查阅许多相关资料，这也使我增长了知识面，学习到了教材书上很多没有讲到的容。另外，为了实现各单元电路的设计，必须熟练应用各种软件作出电路图来实现相应功能的模拟，这样也让我进一步熟悉相关软件的操作，比如Protel99SE、EWB，Word等。

像以前的课程设计一样，此次课程设计也让我受益颇深，领悟颇多。在此，我要感我们小组的每个成员付出的努力，使我们这次课程设计进行的很顺利，通过本次课程设计，让我学到了许多书本之外的东西，我认为这是一次很有实际意义的课程设计，一次个人实践能力的进一步突破。我喜欢它给我带来的这种快乐。希望在这次课程设计的基础上能将以后的各种设计做的更好，更完善。

参考文献

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[2] 陆忠恒等，长时间UPS总体方案. 第二届UPS技术研讨会论文集,1994

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[13] 治明，电力电子器件，机械工业，1992

[14] 王其英，何春华编著，新型UPS工作原理与实用技术及选购指南，2006

7、答辩记录及评分表