三相10KVA-UPS電源初步設計.docx

遼 寧 工 業(yè) 大 學電力電子技術課程設計（論文）題目：三相10KVA UPS電源初步設計 院（系）： 專業(yè)班級： 學 號： 學生姓名： 指導教師： 起止時間：2014-12-29至2015-1-9本科生課程設計（論文）課程設計（論文）任務及評語院（系）：電氣工程學院 教研室： 電氣學 號學生姓名專業(yè)班級課程設計（論文）題目三相10KVA UPS電源初步設計課程設計（論文）任務課題完成的設計任務及功能、要求、技術參數實現功能為了滿足一些重要用電設備的連續(xù)供電，先將交流電直流成直流電，一路給蓄電池充電，一路經逆變器變成恒壓恒頻的交流電。設計任務1、方案的經濟技術論證。2、整流濾波電路設計。3、逆變電路設計。4、通過計算選擇器件的具體型號。5、驅動電路設計或選擇。6、蓄電池選擇；7、繪制相關電路圖。8、進行matlab仿真。9、完成設計說明書要求1、 1、文字在4000字左右。2、 2、文中的理論分析與計算要正確。3、 3、文中的圖表工整、規(guī)范。4、元器件的選擇符合要求。技術參數1、輸入三相交流電380V。2、輸出電壓交流三相380V恒定。3、輸出交流電頻率恒定50HZ。4、輸出容量不小于10kVA。5、市電斷電后工作時間不小于10分鐘。進度計劃第1天：集中學習；第2天：收集資料；第3天：方案論證；第4天：整流電路設計；第5天：逆變電路設計；第6天：驅動電路設計；第7天：元器件具體選擇；第8天：蓄電池容量確定及選擇；第9天：matlab仿真、總結并撰寫說明書；第10天：答辯指導教師評語及成績平時： 論文質量： 答辯： 總成績： 指導教師簽字： 年 月 日注：成績：平時20% 論文質量60% 答辯20% 以百分制計算摘 要為了滿足一些重要用電設備的連續(xù)供電，對電網供電提出了更高的要求。為此，引入一種新型UPS是不間斷電源（Uninterruptible Power Supply）的英文簡稱，是能夠提供持續(xù)，穩(wěn)定，不間斷的電源供應的重要外部設備。其基本工作原理是，當市電正常時，市電經整流器整流為直流給蓄電池充電，可保證蓄電池的電量充足。一旦市電異常乃至停電，即由蓄電池向逆變器供電，蓄電池的直流電經逆變器變換為恒頻恒壓交流電繼續(xù)向負載供電，因此從負載側看，供電不受市電停電的影響。本設計題目為三相10KVA UPS電源初步設計，主要內容為設計三進三出UPS電源，利用SCR多相相控整流器和SPWM半橋式逆變器作為UPS的主電路，蓄電池采用12V蓄電池串聯組成，電路由主電路、驅動電路、觸發(fā)電路和保護電路構成。關鍵詞：整流；逆變；UPS電源；蓄電池III目 錄第1章 緒論11.1 電力電子技術概況11.2 本文設計內容2第2章 三相10KVA UPS電源電路設計32.1 總體設計方案32.2 具體電路設計42.2.1 主電路設計42.2.2 控制電路設計72.2.3 保護電路設計82.3 元器件型號選擇82.3.1 晶閘管參數計算與選擇82.3.2 IGBT參數計算與選擇92.3.3 蓄電池的容量配置92.4 系統(tǒng)仿真102.4.1 MATLAB仿真軟件簡介102.4.2 各部分電路仿真模型建立102.4.3 部分仿真波形及數據分析12第3章 課程設計總結17參考文獻18第1章 緒論1.1 電力電子技術概況計算機已在各行各業(yè)得到廣泛應用。作為直接關系到計算機軟硬件能否安全運行的的一個重要因素電源質量的可靠性應當成為中小企業(yè)首要考慮的問題。伴隨著計算機的誕生而出現的UPS（Uninterruptable Power System）現已被廣大計算機用戶所接受。UPS主要用于給單臺計算機、計算機網絡系統(tǒng)或其它電力電子設備提供不間斷的電力供應。目前，UPS正在被廣泛地應用于計算機、交通、銀行、證券、通信、醫(yī)療、工業(yè)控制等行業(yè)。隨著微電子技術和電力電子技術的不斷發(fā)展，電源技術的高頻化、模塊化、數字化、綠色化成為發(fā)展趨勢，UPS不間斷電源也不例外。電力電子功率器件的高頻化和模塊化使得UPS電源產品的體積和重量大大減小，而可靠性和效率得以提高，可帶來顯著節(jié)能、降耗的可觀經濟效益。微處理器軟硬件的引入可以實現對UPS的智能化管理，進行遠程維護和遠程診斷。從而為UPS電源產品的數字化、智能化提供了堅實的基礎。隨著人們對環(huán)境保護意識的加強，電源系統(tǒng)的綠色化概念被提出。所謂電源綠色化首先是顯著節(jié)能，因為節(jié)電可以減少發(fā)電對環(huán)境的污染。其次是電源不能對電網產生污染。事實上許多功率電子節(jié)能設備往往是電網的污染源，向電網注入嚴重的諧波電流，使得總的功率因數下降，使電網電壓產生毛刺尖峰甚至畸變。20世紀末各種有源濾波器和有源補償器的方案誕生，有了功率因數校正方法，為21世紀UPS電源產品的綠色化奠定了基礎。隨著新技術不斷開發(fā)和在實踐中的逐步應用，可以預見：今后UPS將向著高頻化、智能化、網絡化和大容量單機冗余化的方向發(fā)展。 高頻化：雖然傳統(tǒng)在線式UPS的技術已經非常成熟，由于它本身帶有許多無法突破的問題，供其發(fā)展前途受限。高頻化概念的引入，給UPS的發(fā)展帶來了許多新的思路和空間。隨著高頻技術和器件的發(fā)展，3KVA及以下的高頻在線式UPS的技術和產品已經成熟悉，其功能和可靠性均應高于傳統(tǒng)UPS。高頻化對于減小體積、降低成本以及對曲線性負載有更好的響應上起著重要的作用。 智能化：微處理器在UPS上的應用，過去只在大、中型UPS上采用，但近年來已逐漸向小型、微型UPS方面發(fā)展，其帶來的結果是UPS的智能化發(fā)展，包括控制、檢測和通信。UPS逐漸由計算機來進行管理，并且計算機及外設能“自主”應付一些可能預見到的問題，能進行自動管理和調整，如自動關閉宿主計算機的操作系統(tǒng)并關閉其電源，定時開關UPS本身等，并能將有關信號通過網絡傳遞給操作系統(tǒng)或網絡管理員，便于進行遠程管理。 網絡化：把UPS做為網絡家庭一個成員的要求越來越迫切，因為它是網絡能正常運行的基礎。要求UPS擁有更大的蓄電量、可以同時為多臺計算機或其它外設服務，并能夠通過某種機制達成負載之間的動態(tài)配置。 大容量單機冗余化：由于網絡對UPS可靠性的要求越來越高，而解決可靠性的途徑除要求元器件本身高可靠外，就是用冗余的方法。小容量UPS的單機內冗余已出現。在大容量的UPS目前還必須通過并機的方法實現，但這樣作又作用戶投資太大。毫無疑問，使用Internet技術監(jiān)控UPS系統(tǒng)將成為未來UPS技術的主流之一。 由此可看出，UPS已當之無愧成為當代高科技成員，而且正隨著電力電子技術、計算機技術、網絡技術等相關技術的發(fā)展而不斷發(fā)展。1.2 本文設計內容本次設計的UPS采用SCR多相相控整流器和SPWM半橋式逆變器作為UPS的主電路，將蓄電池直接接在直流母線上，用整流器向蓄電池充電。其輸入采用了12相輸入整流變壓器。可以實現負載與市電電源的隔離，有時為了確保負載不受市電電源的干擾，還可以再加入一個輸出隔離變壓器。當市電斷電時，蓄電池組通過三組半橋式逆變器輸出穩(wěn)定的交流電。當逆變器出現故障時，通過旁路負載供電，從而可以保證供電的不間斷。這種UPS的市電輸入功因數可以達到0.90。這種UPS的優(yōu)點是可以實現負載與市場電源的完全隔離，缺點是體積和質量大。第2章 三相10KVA UPS電源電路設計2.1 總體設計方案當前UPS出現了高頻UPS熱，處于由工頻UPS向高頻UPS發(fā)展的關鍵時期，高頻UPS是發(fā)展方向，但工頻UPS由于其所具有的特殊功能，如可以使負載與市電電網隔離等，仍然還有使用價值。本次設計為采用SCR多相相控整流器的工頻UPS，工頻UPS容易做到輸出、輸入、直流、旁路的隔離， 耐沖擊，技術簡單。由SCR多相相控整流器和IGBT三相SPWM半橋式逆變器作為UPS的主電路，將蓄電池直接接在直流母線上，用整流器向蓄電池充電。系統(tǒng)的方框圖如圖2.1所示:蓄電池整流電路逆變電路旁路市電負載圖2.1 三相UPS原理圖各部分電路說明如下:（1）整流電路：把交流電能轉換為直流電能的電路。用于將市電輸入的劣質交流電能變換成直流電能，以便于將其逆變成恒壓，恒頻的優(yōu)質電能，向負載不斷地供電。大多數整流電路由變壓器、整流主電路和濾波器等組成。（2）逆變電路：用于將整流器輸出的直流電能和市電停電時蓄電池中存儲的直流電能，變換成恒壓恒頻的優(yōu)質電能，向負載不間斷地供電。（3）蓄電池: UPS中的儲能器件。當市電正常時，由市電經過整流向蓄電池充電，使蓄電池儲能；當市電故障時，將負載轉換到由蓄電池經過逆變器的逆變作用向負載供電。它是UPS實現不間斷供電功能的關鍵組成部分。（4）旁路: 當UPS過載或逆變器故障時，用于立即切換到市電供電，以保證不間斷地向負載提供電能。2.2 具體電路設計2.2.1 主電路設計一、整流電路隨著整流裝置功率的進一步加大，它所產生的諧波、無功功率等對電網的干擾也隨之加大，為減輕干擾，可采用多重化整流電路。將幾個整流電路多重聯結可以減少交流側輸入電流諧波，而對晶閘管多重整流電路采用順序控制的方法可提高功率因數。本次設計采用采用多重聯結不僅可以減少交流輸入電流的諧波，同時也可減小直流輸出電壓中的諧波幅值并提高紋波頻率，因而可減少平波電抗器。如圖2.2是移相構成串聯二重聯結電路的原理圖，利用變壓器二次繞組的接法不同，使兩組三相交流電間相位錯開，從而使輸出整流電壓在每個交流電源周期中脈動12次，故該電路為12脈波整流電路。整流變壓器二次繞組分別采用星形和三角形接法構成相位相差、大小相等的兩組電壓，接至相互串聯的兩組整流橋。圖2.2 移相串聯二重聯接電路由于串聯多重化整流電路相當于兩個三相橋式全空整流電路串聯，兩橋間相位差為，所以將兩相位差為的三相橋式全控電路電壓波形疊加即可得到串聯12脈波全控整流電路電壓波形，如圖2.3所示:圖2.3 串聯12脈波全控整流電路電壓波形二、逆變電路用三個單相逆變電路可以組合成一個三相逆變電路。但在三相逆變電路總，應用最廣的還是三相橋式逆變電路。采用IGBT作為開關器件的三相電壓型橋式逆變電路如圖 2.4所示，可以堪稱由三個半橋逆變電路組成。和單相半橋、全橋逆變電路相同，三相電壓型橋式逆變電路的基本工作方式也是也是導電方式，即每個橋臂的導電角度為，同一半橋上下兩個臂交替導電，各相開始導電的角度依次相差。這樣，在任一瞬間，將有三個橋臂同時導通?？赡苁巧厦嬉粋€臂下面兩個臂，也可能是上面兩個臂下面一個臂同時導通。因為每次換流都在同一相上下兩個橋臂之間進行，因此也被稱為縱向換流。對于U相輸出來說，但橋臂1導通時,當橋臂4導通時，。因此，的波形是幅值為的矩形波。V，W兩相的情況和U相類似，、 的波形形狀和相同，只是相位一次差。、的波形如圖2.5a、b、c所示。uNN的波形如圖2.5e所示，它也是矩形波，但其頻率為頻率的3倍，幅值為其1/3，即為。、的波形和形狀相同，相位依次相差120。把橋臂1、3、5的電流加起來，就可得到直流側電流的波形，如圖2.5h所示?？梢钥闯?，每隔60脈動一次，而直流側電壓是基本無脈動的，因此逆變器從交流測向直流側傳送的功率是脈動的，且脈動的情況和脈動情況大體相同。這也是電壓型逆變電路的一個特點。圖2.4 三相電壓型橋式逆變電路圖2.5 三相電壓型橋式逆變電路的工作波形2.2.2 控制電路設計設計采用三相SPWM逆變控制，具有調節(jié)電壓的功能，同時具有改善波形的功能，此外，PWM控制亦可以消除較低次諧波。SPWM是在PWM的基礎上，將期望輸出的正弦電壓波形假想成有一組等寬不等幅的片斷組合而成，然后用一組沖量對應相等的等幅不等寬(即脈沖寬度調制)脈沖將它們依次代替，從而在濾波器輸出端得到期望的正弦電壓波形。這樣的脈沖可以由電子開關的通斷控制實現。理論推導和實際的頻譜分析表明:SPWM脈沖電壓具有與理想正弦電壓相一致的基波分量，而且最低次諧波的頻率可以提高到SPWM調制頻率(即開關頻率，對應于每基波周期的脈沖個數)附近。因此，當開關頻率足夠高時，利用較小的濾波器就能將其中的諧波濾除掉。此外，只需改變SPWM脈沖寬度，就可以平滑地調節(jié)輸出電壓的基波幅值。采用了SPWM技術的逆變器即為SPWM逆變器，它在波形質量和控制性能上相對方波型逆變器有了巨大的進步。波形分析如圖2.6所示:圖2.6 三相SPWM逆變控制波形2.2.3 保護電路設計在電力電子電路中，除了電力電子器件參數選擇合適，驅動電路設計良好外，采用合適的過電壓保護、過電流保護也是有必要的。抑制過電壓的方法：用非線性元件限制過電壓的幅度，用電阻消耗生產過電壓的的能量，用儲能元件吸收生產過電壓的能量。使用RC吸收電路，這種保護可以把變壓器繞組中釋放出的電磁能量轉化為電容器的電場能量儲存起來。由于電容兩端電壓不能突變，所以能有效抑制過電壓，串聯電阻消耗部分產生過電壓的能量，并抑制LC回路的震蕩。晶閘管的過電壓能力較差，當它承受超過反向擊穿電壓時，會被反向擊穿而損壞。如果正向電壓超過管子的正向轉折電壓，會造成晶閘管硬開通，不僅使電路工作失常，且多次硬開關也會損壞管子。因此必須抑制晶閘管可能出現的過電壓，常采用簡單有效的過電壓保護措施。如圖2.7所示:圖2.7 過電壓保護電路2.3 元器件型號選擇2.3.1 晶閘管參數計算與選擇1、額定電壓晶閘管在三相橋式全控整流過程中承受的峰值電壓，考慮安全裕量，一般晶閘管的額定電壓為工作時所承受峰值電壓的23倍。即u額=（23）。理想變壓器二次側電壓為220V，所以晶閘管的額定電壓：2、額定電流整流后通態(tài)有效電流： 考慮安全裕量，應選用晶閘管的通態(tài)平均電流為計算的（1.52）倍。計算得。綜上，選擇柳晶/KP10A1200V 型號的晶閘管。2.3.2 IGBT參數計算與選擇1、 額定電壓額定電壓= (2-1)：交流電源的峰值電壓：電網電壓波動系數：直流中間回路有反饋時的泵升電壓：必要的電壓安全系數 2、額定電流額定電流： (2-2)cos：功率因數U：交流電源相電壓有效值：電流的安全系數，?。弘娏髅}動率，取 綜上，選擇三菱生產的CM30TF-24H(E) 30A/1200V/6U 型號IGBT。2.3.3 蓄電池的容量配置基本公式： (2-3) Ah=1h（小時） (2-4)有關參數:電池供電標稱電壓為192Vac時：正常電壓220Vac，放電終止電壓165Vac TA、TB、TC系列逆變器效率：0.92每只12V電池放電終止電壓按10.3V計算本設計方案中的電池容量： 即：用一組16節(jié)12V/8Ah電池可延時10分鐘左右。2.4 系統(tǒng)仿真2.4.1 MATLAB仿真軟件簡介MATLAB（矩陣實驗室）是MATrix LABoratory的縮寫，是一款由美國The MathWorks公司出品的商業(yè)數學軟件。MATLAB是一種用于算法開發(fā)、數據可視化、數據分析以及數值計算的高級技術計算語言和交互式環(huán)境。以矩陣為基本編程單元的一種程序設計語言，它提供了各種矩陣的運算與操作，并有較強的繪圖功能，是目前國際上最流行的控制系統(tǒng)計算機輔助設計軟件。新版本的推出，使得Matlab的應用范圍更加廣泛，而且增加了許多工具箱，如信號處理、通信系統(tǒng)、虛擬實現、系統(tǒng)辨識、神經網絡、模糊邏輯、實時空間等科學領域的工具箱，以供不同專業(yè)的科研技術人員開發(fā)利用。Simulink是Matlab軟件的擴展，它是實現系統(tǒng)建模和仿真的一個軟件包，可以用連續(xù)采樣時間離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。它和Matlab語言的主要區(qū)別在于，與用戶的交互接口是基于Windows模型化圖形輸入，使得用戶可以把更多的精力投入到系統(tǒng)模型的構建而非編程上。目前Mathworks公司已經把Simulink發(fā)展成為一個系列的產品。例如MATLAB/Simulink中SimPower Systems是專為電力電子和電氣傳動系統(tǒng)仿真設計的，包含有少數開關裝置和簡單電力電子轉換器件。轉化器的開關器件是基于由V-R-L支路組成的微模型結構，為使開關器件正常工作，在開關器件兩端并接R-C吸收電路。Simulink提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到仿真結果。2.4.2 各部分電路仿真模型建立一、整流電路串聯12脈波整流電路主電路由三相對稱交流電壓源、整流變壓器、晶閘管整流橋、同步脈沖觸發(fā)器、RLC負載等部分組成。同步脈沖觸發(fā)器與晶閘管整流橋是不可分割的2個環(huán)節(jié),2個晶閘管整流橋串聯聯結給負載供電,在Simulink環(huán)境下串聯12脈波整流電路的仿真模型如圖2.8所示。三相對稱交流電壓源參數設置:三相對稱交流電壓源的幅值設為220V,頻率為50Hz,相位分別為、。三相變壓器參數設置:采用3繞組三相變壓器,1次側繞組采用形接線方式,2次側繞組分別采用形和形接線方式。為了便于觀察,3個繞組的額定電壓分別取380V,220V,220V。三相晶閘管整流橋參數設置:使用默認值。RLC負載參數設置:R取100,L取0,C取inf。同步脈沖觸發(fā)器設置:頻率為50Hz,脈沖的寬度取20degrees,選擇雙脈沖觸發(fā)方式。選定觸發(fā)角為。二、逆變電路三相橋式SPWM逆變電路的建立從 Matlab/Simulink 的 Electrical Sources 模塊庫中選取 DC 電壓源元件， 從 Power electronics 模塊庫中選取串聯 RLC 支路元件，可以設定為阻性或感性，從Extra Library 模塊庫中選取 Synchronized 6-PulseGenerator，即同步 6 脈沖發(fā)生器，為整流橋提供觸發(fā)脈沖；選取 Universal bridge 即通用三相橋；從Simulink 庫中選取電壓、電流表和示波器，測量電壓和電流。建立仿真模型如圖 2.9所示。選擇 ode23tb 算法，仿真時間設置為 0.08 秒，串聯 RLC 負載參數設置為 R=50，C=inf，L=0.03H，電源電壓設置為 100V， 其他選擇默認參數。三、整體電路整體電路的模型建立將整流電路和逆變電路結合，外加一個旁路和蓄電池，建立仿真模型如圖2.10所示：圖2.8 整流電路模型圖2.9 三相橋式SPWM逆變電路圖2.10 整體電路2.4.3 部分仿真波形及數據分析一、整流電路仿真時間設為0.05s,數值算法采用ode23tb,完成上述步驟后運行仿真模型,從示波器中觀察輸出波形。圖2.11為純電阻負載情況下輸出的電流和輸出電壓的仿真波形。圖2.11 電流與電壓的波形市電輸入電流為12梯級階梯波，與120導通角的方波電流相比是很接近于正弦的，如圖2.12所示：圖2.12 電流波形圖二、逆變電路運行三相橋式 SPWM 逆變電路仿真模型，可得到負載相電壓、負載相電流、負載線電壓、電源電流波形如圖2.12-2.16所示：圖2.12 負載相電壓和相電流圖2.13 負載相電壓(1)圖2.14 負載相電壓(2)圖2.15 負載線電壓圖2.16 電源電流第3章 課程設計總結UPS不間斷電源是一種含有儲能裝置，以逆變器為主要組成部分的恒壓恒頻的不間斷電源。主要用于給單臺計算機、計算機網絡系統(tǒng)或其它電力電子設備提供不間斷的電力供應。當市電輸入正常時，UPS將市電穩(wěn)壓后供應給負載使用，此時的UPS就是一臺交流市電穩(wěn)壓器，同時它還向機內電池充電：當市電中斷（事故停電）時，UPS立即將機內電池的電能，通過逆變轉換的方法向負載繼續(xù)供應220V交流電，使負載維持正常工作并保護負載軟、硬件不受損壞。UPS設備通常對電壓過大或電壓太低都提供保護。功率MOS管已在大容量UPS中廣為應用，但功率MOS管難以達到高電壓大電流，其飽和壓降高于晶體管，于是，兼有晶體管和功率MOS管優(yōu)點的絕緣門限晶體管（IGBT）應運而生，促使UPS逆變技術更趨成熟目前UPS制造商們都在爭先采用IGBT。當然任何器件都不十全十美，比如IGBT有寄生的電流掣住效應，在一定程度上也限制了它的使用。UPS控制電路也發(fā)展很快，由開始的分立元件的簡單控制發(fā)展到今天的微處理機控制，由硬件控制又發(fā)展成軟件控制，如IPM的軟件濾波器；甚至光纖通訊也被引入UPS，如意大利西力UPS的并聯就采用了光纖通訊。UPS已經由初期的單純供電發(fā)展到目前的多功能應用，UPS不再僅僅是供電電源，而且當那些作為負載的計算機在無人值守時，要求UPS自動地定時開機，定時關機，當市面上電故障后，UPS還可以及時通知計算機并可按照事先的約定順序關機，UPS除了上述的旋轉發(fā)電機式和靜止變換式而外，還有一種將二得結合起來的U