畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯-后備式UPS的應(yīng)用與仿真研究

1、后備式UPS的應(yīng)用與仿真研究本課題研究意義和背景UPSUninterrupted Power System又稱不間斷電源，是一個(gè)市電修正、斷電保護(hù)、電力控制等功能于一體的智能體，其研究涉及電力電子、半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)、信息處理、控制、和人工智能等科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。UPS的應(yīng)用非常廣泛，尤其在對(duì)電力的穩(wěn)定性，精準(zhǔn)性和持續(xù)性要求很高領(lǐng)域，包括銀行、財(cái)政機(jī)構(gòu)、機(jī)場(chǎng)、公安部門、擔(dān)任國(guó)防任務(wù)的實(shí)驗(yàn)室，甚至是個(gè)人辦公使用的儀器設(shè)備等。本設(shè)計(jì)主要研究?jī)?nèi)容本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的目標(biāo)，是對(duì)一種后備式小功率的UPS進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該UPS主要工作環(huán)境為家庭或者個(gè)人辦公場(chǎng)所，主要功用是對(duì)個(gè)人電腦等辦公設(shè)備進(jìn)行停電保護(hù)。設(shè)計(jì)的主要工作

2、是，對(duì)UPS的總體電路分模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)并進(jìn)行仿真，確定各功率器件的功能與應(yīng)用要求；選擇適宜的電路逆變控制方案，到達(dá)用戶對(duì)電力質(zhì)量的需求；確定輸出功率、斷電轉(zhuǎn)換時(shí)間；為后備式UPS制定了一種簡(jiǎn)易的正弦波方案，以滿足局部感性負(fù)載對(duì)電源的要求。最后，驗(yàn)證所有仿真結(jié)果。UPS功率器件的選擇IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵型雙極性晶體管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。IGBT開關(guān)特性圖電力二極管電力二極管和信息電子電路中的普

3、通二極管有一定的區(qū)別因素：1正向?qū)〞r(shí)要流過很大的電流，其電流密度較大，因而額外載流子的注入水平較高，電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)不能忽略。2引線和焊接電阻的壓降等都有明顯的影響；3)承受的電流變化率di/dt較大，因而其引線和器件自身的電感效應(yīng)也會(huì)有較大影響；4)為了提高反向耐壓一般可達(dá)數(shù)百伏特，其摻雜濃度低也造成正向壓降較大。PWM控制技術(shù)在采樣控制理論中有一個(gè)重要理論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果根本相同。沖量指窄脈沖的面積。效果根本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形根本相同。低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。面積等效原理：分別將如下圖的電壓窄脈沖加在一階慣性環(huán)節(jié)R-L電路上，如

4、圖3-2所示。其輸出電流i(t)對(duì)不同窄脈沖時(shí)的響應(yīng)波形如下圖。從波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形狀也略有不同，但其下降段那么幾乎完全相同。脈沖越窄，各i(t)響應(yīng)波形的差異也越小。如果周期性地施加上述脈沖，那么響應(yīng)i(t)也是周期性的。用傅里葉級(jí)數(shù)分解后將可看出，各在低頻段的特性將非常接近，僅在高頻段有所不同。SPWM波形脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形SPWM波的調(diào)制方法對(duì)于可變脈寬占空比的計(jì)算法，實(shí)現(xiàn)的算法有：(1)自然采樣法；(2)對(duì)稱規(guī)那么采樣法；(3)不對(duì)稱規(guī)那么采樣法；(4)直接PWM法。鑒于前三種方法的復(fù)雜性，所以采用直接PWM法：通過控制芯片計(jì)算

5、每個(gè)開關(guān)周期下的PWM脈寬，使每一載波周期內(nèi)逆變器輸出脈沖的面積和在同一載波周期內(nèi)希望得到的正弦波的面積相等。如圖3-4所示，載波周期為T的SPWM波，假設(shè)希望得到的輸出正弦電壓為： 1式1中為正弦波的振幅，從到的正弦波的面積為： 2式2中是逆變器直流環(huán)節(jié)的輸出電壓，是到區(qū)間所需脈沖的寬度。即 SPWM波的調(diào)制方法調(diào)制法與計(jì)算法相對(duì)應(yīng)的是調(diào)制法，即把所希望輸出的波形作為調(diào)制信號(hào)，把接受調(diào)制的信號(hào)作為載波，通過對(duì)信號(hào)波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。這里的載波信號(hào)通常采用三角波或鋸齒波，其中等腰三角波應(yīng)用最為廣泛，因?yàn)榈妊遣ㄉ先我庖稽c(diǎn)的水平寬度與高度成線性關(guān)系且左右對(duì)稱，當(dāng)它與緩慢變化的信號(hào)波

6、相交時(shí)，在交點(diǎn)時(shí)刻對(duì)開關(guān)器件進(jìn)行通斷控制，就可以得到寬度正比于信號(hào)波幅值的脈沖，這正好符合PWM控制的要求。當(dāng)信號(hào)波為正弦波時(shí)，所得到的就是SPWM波形。SPWM波的調(diào)制方法調(diào)制法原理圖DC/DC升壓電路模塊設(shè)計(jì)蓄電池提供的12V左右的直流電壓需要經(jīng)過升壓后，才能進(jìn)入逆變器的直流環(huán)節(jié)，本設(shè)計(jì)采用閉環(huán)推挽式升壓結(jié)構(gòu)，變壓器主副線圈比值設(shè)定為1:20，通過輸出端的兩個(gè)相互錯(cuò)位的PWM脈寬信號(hào)驅(qū)動(dòng)MOSFET管，控制中心抽頭的變壓器正向-反向?qū)▽?shí)現(xiàn)升壓，變壓器輸出端經(jīng)過整流濾波后，以220V的高壓直流進(jìn)入逆變器的直流環(huán)節(jié)。此輸出經(jīng)分壓后，接入SG3525的反響端，作為流過輸出電感線圈的信號(hào)與誤差放

7、大器輸出信號(hào)進(jìn)行比較，從而調(diào)節(jié)占空比使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化，實(shí)現(xiàn)反響控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明其負(fù)載功率在0-300VA變化時(shí)，輸出電壓可以穩(wěn)定在大約170V-250V之間。Rt的阻值決定了內(nèi)部恒流源對(duì)Ct充電電流的大小，而CT的放電那么由引腳5和引腳7之間的外接電阻決定。充電回路和放電回路分開，有利于通過引腳5和引腳7之間的外接電阻來調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間。這樣SG3525的震蕩頻率由下式進(jìn)行計(jì)算：。Rt取10kohm，Ct取，所得PWM調(diào)制頻率大約為。由于SG3525的輸出驅(qū)動(dòng)電路是低阻抗的，而功率MOSFET的輸入阻抗很高，因此輸出端A和輸出端B與VT1和VT2柵極之間無須串接限流電阻

8、和加速電容，就可以直接推動(dòng)功率MOSFET。DC/DC升壓電路模塊設(shè)計(jì)SG3525脈寬調(diào)制芯片原理DC/DC升壓電路模塊設(shè)計(jì)DC/DC升壓電路模塊設(shè)計(jì)仿真結(jié)果分析主逆變電路模塊的設(shè)計(jì)單極性單相全橋逆變電路的工作原理主逆變電路模塊的設(shè)計(jì)自舉電路的設(shè)計(jì)主逆變電路模塊的設(shè)計(jì)主逆變電路仿真圖主逆變電路模塊的設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)與仿真結(jié)果市電檢測(cè)模塊電路的設(shè)計(jì)市電檢測(cè)模塊電路的設(shè)計(jì)仿真結(jié)果蓄電池充電模塊電路的設(shè)計(jì)UC3843脈寬發(fā)生器原理蓄電池充電模塊電路的設(shè)計(jì)蓄電池充電模塊電路的設(shè)計(jì)逆變控制模塊的設(shè)計(jì)逆變控制模塊的設(shè)計(jì)逆變控制模塊的設(shè)計(jì)準(zhǔn)正弦波驅(qū)動(dòng)信號(hào)的發(fā)生SPWM波驅(qū)動(dòng)信號(hào)的發(fā)生P1.0-P1.7的狀態(tài)（十

9、六進(jìn)制）延時(shí)時(shí)間延時(shí)狀態(tài)正半周期#0FC1750usDelay A#0F96500usDelay B#0FC1750usDelay A負(fù)半周期#0FC1750usDelay A#0F96500usDelay B#0FC1750usDelay A時(shí)間區(qū)間tatb(s)脈沖寬度（每1000us內(nèi)）狀態(tài)標(biāo)記（正半周期/負(fù)半周期）0.0000.001156usA(P/N)0.0010.002452usB(P/N)0.0020.003704usC(P/N)0.0030.004886usD(P/N)0.0040.005984usE(P/N)0.0050.006984usE(P/N)0.0060.00788

10、6usD(P/N)0.0070.008704usC(P/N)0.0080.009452usB(P/N)0.0090.010156usA(P/N)逆變控制模塊的設(shè)計(jì)控制關(guān)斷延時(shí)時(shí)間控制導(dǎo)通延時(shí)時(shí)間Delay A0422usDelay A1156usDelay B0274usDelay B1452usDelay C0148usDelay C1704usDelay D057usDelay D1886usDelay E08usDelay E1984usAPEP延時(shí)方案端口狀態(tài)標(biāo)記STATE0STATEP1STATE0延時(shí)時(shí)間Delay A0E0Delay A1E1Delay A0E0EPAP延時(shí)方案端口狀態(tài)標(biāo)記STATE0STATEP1STATE0延時(shí)時(shí)間Delay E0A0Delay E1A1Delay E0A0ANEN延時(shí)方案端口狀態(tài)標(biāo)記STATE0STATEN1STATE0延時(shí)時(shí)間Delay A0E0Delay A1E1Delay A0E0ENAN延時(shí)方案端口狀態(tài)標(biāo)記STATE0STATEN1STATE0延時(shí)時(shí)間Delay E0A0Delay E1A1Delay E0A0端口的三個(gè)狀態(tài)為：正半周期導(dǎo)通STATEP1=0XF6，負(fù)半周期導(dǎo)通STATEN1=0