数字式直流不间断电源的设计毕业作品.docx

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数字式直流不间断电源的设计毕业作品

毕-设

业-计

（二零届）

数字式直流不间断电源的设计

所在学院

专业班级测控技术与仪器

学生姓名学号

指导教师职称

完成日期年月

摘要

随着信息技术的发展，不间断电源（通常指的是交流不间断电源）已经广泛地应用于各生产领域，但传统的不间断电源，为了提供交流输出，不得不在设备中加入逆变器这一复杂器件，再加之大多采用模拟电路控制，导致设备体积庞大、电路复杂、元件易老化、故障频繁等缺点。

半导体器件的耐压和开关性能的提高，DSP、ARM、单片机等高速处理芯片的出现，成为数字化控制直流不间断电源新理念提出的重要前提。

直流不间断电源本身取消了大功率逆变电路及其相关电路，引入数字化控制技术后可以进一步优化产品设计，有效提高输出电压的稳定性，从而实现UPS设备的低生产成本、低运行成本、高效率和高可靠性。

本论文提出了一种基于AVR单片机的在线数字式直流不间断电源。

该直流不间断电源旨在提供额定功率100W的稳定24V直流输出，能在电网供电停止后继续为负载供电2小时以上，且断电后蓄电池供电切换时间小于10ms。

它可用于监控、保安系统等领域，如可作为消防、轨道交通领域的备用电源。

文章首先对当前提出的不间断电源设备的一般结构、功能进行分析、综合，在其基础上，选择了一种基于AVR单片机的在线式UPS的系统结构。

随后本文围绕着如何合理控制不间断电源蓄电池充、放电的问题，系统地分析设计了不间断电源各模块的功能以及软、硬件实现方案。

紧接着，文章还对设计过程中的一些重点内容进行进一步扼要的说明。

最后通过电网不同供电情形的模拟对设计的不间断电源输出电压进行测试，发现本设计不仅顺利完成了直流不间断供电任务，还做到了对供电状态的实时检测与监控工作。

关键词：

数字控制，不间断电源，DC-UPS，蓄电池充电，AVR单片机

ThedesignofdigitalDC-UPS

Abstract

Withthedevelopmentofinformationtechnology,UninterruptiblePowerSupply（usuallyreferstoACUPS）iswidelyusedinproductionalareas.WhilethetraditionalACUPSwiththedeviceofinvertergivesaACoutputandismostlycontrolledbysimulationcircuits,causinglotsofshortcomingssuchasthecomplexcircuit,theagingofcomponentsthefrequentbreakdownsetc.Theimprovementofsemiconductordeciveandthedigitalhigh-speedchipssuchasDSP,ARMandMCU,makeitanewconcepttoakindofnewUPSproductwhichiscalledthedigitalcontrolledDCUPS.DCUPSitselfcancelledthehigh-powerinvertercircuitsanditsrelatedcircuits,withintroducingdigitalcontroltechnologyimprovetheoutputvoltagestability,thuscanmakeUPSarealityoflowproductioncost,lowcostofoperation,highreliabilityandhighefficiency.

ThisthesisintroducesthesoftwareandhardwaredesignbasedonAVRMCUofadigitalDCuninterruptedpowersupply.Theuninterruptedpowersupplywitharatedpower100WmainlyhasaninputaboutDC12V,stableoutputofDC24V,anditcangoonworkingafterlosingperipheralspowersupplywithaswitchingtimebelow10msforatleast2hours.Thisdesignismainlyusedinmostmonitoringandsecuritysystem,suchasfireprotection,railtrafficareasofemergencypowersupply.

Firstly,thethesisanalysesthemainstructureofthecurrentDCUPScomprehensively,basingonwhich,itchoosesabasedonAVRMCUon-lineUPSsystemstructure.Thenthethesissystematicallyanalysesanddesignseveryuninterruptedpowersupplymodule’sfunctionandtheschemetoimplementthemaroundthemainpointoftheuninterruptiblepowerbatteryvoltagecurrentdetectionandreasonablecontrolofitscharger,includinghardwareandsoftwareparts.then,thekeypointinthedesignprocessweresummarizedindescription.Finallythroughthesimulationofdifferentgridsupplysituation,doameasurementoftheuninterruptedpowersupplyoutputvoltage,foundthisdesignsuccessfullycompletedthetaskofdc24Vuninterruptedpowersupply,andalsohaveadetectionofthepowersupplyconditionreal-timely.

Keywords:

DigitalControl,UninterruptedPowerSupply,DC-UPS,ChargeofStorageBattery,AVRMCU

1绪论

1.1课题的来源

1.1.1UPS概述

UPS（UninterruptiblePowersupply），即不间断电源，是指当交流电网（市电）输入发生异常时，可持续向负载供电，并能保证供电质量，使负载供电不受影响的供电装置[1]。

不间断电源依据其向负载提供的是交流电还是直流电可分为两大类型，即交流不间断电源和直流不间断电源。

由于直流不间断电源（DC-UPS）的概念是近几年才提出来的，所以通常我们说的UPS指的是交流不间断电源（AC-UPS）。

UPS一般由蓄电池、逆变器和控制电路组成，一端连接电网另一端连接电器负载。

在电网电压正常的情况下，不间断电源利用电网电源为自身充电，在电网出现异常的时候，不间断电源将存储于电池中的电能释放，供负载使用。

不间断电源的出现为改善电网质量，提高电力电子设备运行可靠性起了关键的作用。

不间断电源基本结构图如图1.1所示：

图1.1不间断电源基本结构图

1.1.2电网供电的缺点

随着电气化技术的不断发展，电器设备、电器产品的广泛应用，要求供电市电有更高的质量。

实际的市电电网其实本身是很不稳的，这是因为造成电网污染的因素，除了众所周知的电压波动、频率变化外，还有来自电网外部、内部的各种噪声和干扰。

它们主要有以下几种：

浪涌（powersurger），高压尖脉冲（highvoltagespikes），瞬态高压干扰（switchingtransients），电压下陷（powersages），噪声电压，过压，欠压，谐波畸变，电源中断等[1,2]。

一些实时性很强的重要系统、重要部门和重要的用电设备对供电质量的要求和我国的电网实际状况的矛盾日益尖锐。

1.1.3UPS的功能

UPS的主要有以下功能[1,3]

（1）双电源之间的无间断切换;

（2）频率变换功能，可以将输入电压的频率变成需要的频率;

（3）电压变换功能，可以将输入电压变换成需要的电压;

（4）隔离功能，将瞬间间断、谐波、电压波动、频率波动以及电压噪声等电网干扰阻挡在负载之前，既可使负载对电网不产生干扰，又可使电网中的干扰不影响负载;

（5）后备功能，UPS带有蓄电池，储存一定的能量，在电网停电或发生故障时可继续供电一段时间。

1.1.4UPS的分类

目前市场上已经有不同类型的UPS，按输出波形可分为正弦型、近似正弦型（用阶梯方波来拟合正弦波）等。

按UPS的工作方式可分为在线式（On-LineUPS）、后备式（Off-LineUPS）和在线互动式（Line-InteractiveUPS）三大类，其中在线式又可分双变换在线式和双逆变电压补偿在线式两种类型[1,2,10]。

（1）后备式UPS电源

它是静止式UPS的最初形式，应用广泛，技术成熟，一般只用小功率范围，电路简单，价格低廉。

这种UPS对电压的频率不稳、波形畸变以及从电网侵入的干扰等不良影响基本上没有任何改善。

后备式UPS电源控制电路如图1.2：

图1.2后备式UPS

其工作性能特点为：

1）市电利用率高，可达96%。

2）输出能力强，对负载电流波峰因数、浪涌系数、输出功率因数、过载等没有严格的限制。

3）输出转换开关受切换电流能力和动作时间限制。

4）输入功率因数和输入电流谐波取决于负载性质。

（2）在线互动式UPS电源

“在线”的含义是逆变器工作，但不输出功率，处于热备份状态，同时兼顾对电池充电，增大了UPS在市电正常时的功率容量，并减少了在市电中断时的转换时间，提高了输出电压的滤波作用，属于并联功率调整方式，输出功率多在5kVA以下。

在线互动式UPS如图1.3：

图1.3在线互动式UPS

其工作性能特点：

1）市电利用率高，可达98%。

2）输出能力强，对负载电流波峰因数、浪涌系数、输出功率因数、过载等没有严格的限制。

3）输入功率因数和输入电流谐波取决于负载性质。

4）变换器直接接在输出端，并处于热备份状态。

对输出电压尖峰干扰有抑制作用。

5）输入开关存在断开时间，致使UPS输出仍有转换时间，但比后备式小得多。

6）变换器同时具有充电功能，且其充电能力很强。

7）如在输入开关与自动稳压器之间串接一电感，当市电掉电时，逆变器可立即向负载供电，可避免输入开关未断开时，逆变器反馈到电网而出现短路的危险。

（3）双变换在线式UPS电源

双变换在线式UPS如图1.4所示。

它是属于串联功率传输方式。

当市电存在时，实现AC→DC转换功能，一方面向DC→AC逆变器提供能量，同时还向蓄电池充电。

该整流器多为可控硅整流器，但也有IGBT－PWM－DSP高频变换新一代整流器。

当逆变时，完成DC→AC转换功能，向输出端提供高质量电能，无论由市电供电或转向电池供电，其转换时间为零。

当逆变器过载或发生故障时，逆变器停止输出，静态开关自动转换，由市电直接向负载供电。

静态开关为智能型大功率无触点开关。

图1.4双变换在线式UPS

其工作性能特点：

1）不管有无市电供应，负载的全部功率都由逆变器提供，保证高质量的电力输出。

2）由于全部负载功率都由逆变器提供，因而UPS的输出能力不理想，对负载提出限制条件，如负载流峰值因数，过载能力，输出功率因数等。

3）对可控整流器还存在输入功率因数低，无功损耗大，输入谐波电流对电网产生极大的，当然，若使用IGBT－PWM－DSP整流技术成功率因数校正技术，可把输入功率因数提高到接近1。

（4）双逆变电压补偿在线式UPS电源

双变换电压补偿在线式UPS如图1.5所示。

此项技术是近些年提出来的，主要是把交流稳压技术中的电压补偿原理（Delta变换）应用到UPS的主电路中，产生一种新的UPS电路结构型式，它属于串并联功率传输。

其工作性能特点：

1）逆变器（II）监视输出端，并与逆变器（I）参与主电路电压的调整，可向负载提供高质量的电能。

2）市电掉电时，输出电压不受影响，没有转换时间；当负载电流发生畸变时，由逆变器（II）调整补偿，因而是在线工作方式。

3）当市电存在时，逆变器（I）与（II）只对输入电压与输出电压的差值进行调整与补偿，逆变器只承担最大输出功率的20%，因而功率余最大。

过载能力强。

图1.5双变换补偿在线式UPS

4）逆变器（I）同时完成对输入端的功率因数校正功能。

输入功率因数可达到0.99，输入谐波电流＜3%。

5）在市电存在时，由于两个逆变器承担的最大功率仅为输出功率的1/5，因此整机效率可达到96%。

6）在市电存在时，逆变器（II）功率强度仅为额定值的1/5，因此功率器件的可靠性必然大大幅度提高。

7）由于具有输入功率因数补偿，因而有节能效果。

1.2不间断电源在国内外发展现状

1.2.1不间断电源总体研究现状

在使用电池的时代之前，不间断电源曾经使用飞轮和内燃机为负载提供电能供应，这种不间断电源被称为飞轮式或旋转式不间断电源[4]。

飞轮式不间断电源由整流器、直流电动机、飞轮、柴油机（或汽油机）及发电机等组成。

在电网供电的情况下，由整流器提供的直流电驱动电动机带动飞轮旋转，并且带发电机为负载供电。

由于飞轮的惯性作用，发电机转速可以保持均衡，此时不间断电源起过滤电网干扰的作用。

当电网断电后，飞轮继续带动发电机的转子旋转，同时启动柴油机带动发电机发电，替代原有电网为负载供电。

市面上广泛使用的不间断电源产品，即传统的交流不不间断电源由电池组、逆变器和控制电路组成，一端连接电网另一端连接电器负载。

在电网电压正常的情况下，不间断电源利用电网电源为自身充电，在电网出现异常的时候，不间断电源将存储于电池中的电能释放，供负载使用。

近几年提出的不间断电源新设计概念，直流不间断电源省去了交流不间断电源中的逆变器部分，使得UPS的整机成本、体积、重量、功耗和制作难度得到优化，同时可以提高产品的可靠性[5-7,10]。

1.2.2不间断电源在国外的研究现状

以电力电子学为核心技术的电源产业，随着IT产业、CI产业、PC机广泛应用而得到突飞猛进的发展。

电源产业是各类高科技产业发展的基础工业，所有的高精尖科技设备都需要电力电子电源系统技术的配套和支持。

随着电力电子技术的发展与综合利用，电源产业在航空、航天、宇航、舰船、自控自导、尖端武器，原子能、军队现代化以及医学、通信、交通、运输、电力、电子、环保等领域得到空前的发展和应用[4]。

境外主要的电源供应商在UPS电源产品方面有山特、APC、爱克赛、梅兰日兰、三菱等；在通信开关电源方面有爱立信、西门子、美国的Vicor、腾讯科技、朗讯、日本的新电元等。

目前，跨国公司在国内电源市场占有主导地位，如：

艾默生（Emerson）、APC、梅兰日兰、伊顿爱克赛，新近进入国内市场的有：

荷兰海泰克、ActivePower公司、施恩禧电气（S&C）[4]。

1.2.3不间断电源在国内的研究现状

我国UPS电源发展起步于上世纪80年代后期，相距国外十几年。

国内UPS行业经过20年的发展，虽然在中国市场上的市场份额被国外知名品牌占据大部分，但是，少数国内较大规模的厂家在市场份额、高端技术等方面已经十分接近国际知名品牌。

如：

中兴通讯、厦门科华、武汉洲际、烟台东方电子信息集团等，他们有较强的技术力量和开发能力。

UPS电源技术也向着多功能、大功率、集成化的方向发展，其中UPS电源行业中的厦门科华、冠军、科士达、易事特、捷益达等一批民营企业领跑国内UPS市场。

国内UPS电源市场总容量[4,10]：

根据相关统计，2006年国内信息设备用UPS电源市场总销售额达26.1亿元人民币，2007年总销售额达到27.4亿元人民币。

工业动力UPS电源系统设备中大功率UPS年市场需求也达近30亿元人民币。

我国UPS电源年市场需求总容量应该在50亿～60亿元人民币，市场需求巨大。

国内中大功率UPS电源市场容量：

中大功率UPS是不间断电源行业中

的高端产品，据统计，2006年中国中大功率UPS电源市场销售额为22.1亿元人民币，同比增长7.3％。

专家认为，如果加上工业动力设备用的大功率UPS电源需求，市场销售额应有相当比例的上升。

随着国内不间断电源技术的逐渐成熟，越来越多的不间断电源产品出现在国内外电源市场上，满足不同客户对不同电力环境的特殊要求。

市场上的UPS产品，其容量规格大致有0.25、0.4、0.6、1、2、3、4、5、10、15、20、40、60、80、100、120、160、200、300、400、500、600、800、1000kVA等，并已形成系列化产品。

一般都经IS0900l国际质量标准认证、UL安全标准及CE抗电磁干扰认证和标记。

多数采用了PWM脉宽调频技术、PIGBT高效功率器件、微处理器主/从控制技术等，可双机或多机并联。

具备电池测试维护、微机监控元人值守、可远程通信等功能;在机器构成上，元器件标准化、模块化、互换性好;有宽电压输入、高效率输出、过载能力强等优良性能。

1.3不间断电源的发展趋势及课题研究方向

1.3.1不间断电源的发展趋势

（1）直流不间断电源：

早期的不间断电源如飞轮式不间断电源的缺点是显而易见的，不仅机体笨重、噪声大、操作控制不灵活，而且工作效率低、输出的电压波形不平滑，同时由于存在着转换时间长，不能及时响应，会中断负载的供电等缺点。

传统意义上的UPS即AC-UPS，主要目的是保持工频交流不中断，因此必须引入逆变器这一传统UPS的核心器件。

而其正是UPS设备中电路最复杂，工艺最繁琐，元器件使用最多，且设计要求严格，体积大，造价高的部件，占据了UPS设备成本、体积、功耗90%以上，并且逆变器部分也是提升UPS故障率，降低产品可靠性的罪魁祸首。

UPS产生的背景是由于电子元器件耐压能力不够，早期的计算机设备内置输入电源必须经过变压器，这就决定了计算机必须由交流电供电，而如今随着半导体器件的耐压和开关性能的提高，计算机内都采用了不带工频变压器的开关电源。

这也成为直流UPS新理念提出的一个重要前提。

直流不间断电源取消了交流逆变过程，大大减少了元器件的使用量。

特别是取消了大功率逆变电路及其相关电路，并相应地减少了供电功耗，因此，采用直流不间断供电具有较交流具有以下更好的性能：

低生产成本、低运行成本、高可靠性、高效率[4,7,10]。

（2）智能化，网络化管理：

智能化，网络化的UPS最基本的功能是在长时间断电情况下，能自动安全地关闭网络、确保网络系统及数据的安全性。

此外，通过远程控制装置，用户也可以实时接收来自UPS的信息，便于管理。

（3）绿色化：

各种用电设备和电源装置产生的谐波电压和谐波电流，对市电电源是一种污染。

这就要求UPS做到使用户负载既不受到已污染市电电源的影响，同时用户负载产生的谐波电压和谐波电流也不去污染市电。

（4）数字控制技术：

UPS的数字化并不是简单的指在系统中应用了数字器件，如单片机，DSP（DigitalSignalProcessor）及FPGA（FieldProgrammableGataArray）等，而是指整个系统的控制应用数字器件的计算能力和控制方法来完成[13]。

采用数字PWM技术[3,6,8]，是数字控制技术的核心，用于保证UPS输出电压的质量。

数字控制的另一重要功能是实现UPS的初始自检和运行自检，进行故障保护和故障隔离。

数字化技术的使用提高了UPS产品输出电压的稳定性和纯净程度，同时也提高了UPS产品自身的可靠性。

随着硬件技术的发展，处理器计算速度的提高，数字控制技术必然成为UPS控制技术的发展主流。

1.3.2课题研究意义

随着数字化技术的发展，一些应用数字式控制的直流UPS产品开始出现在UPS市场上。

由于数字化技术的应用能使有效的提高UPS输出电压的稳定性和纯净程度，同时也提高了UPS产品自身的可靠性，加之直流供电模式的不间断电源在设备体积，使用环境等条件上较交流不间断电源又有了很大的选择余地。

因此一种数字式控制的直流不间断电源极有可能对现有交流不间断电源产生影响和冲击，具有潜在的巨大市场。

从技术上而言，直流UPS较交流UPS有种种优势。

交流UPS是将交流电转化为直流电，然后再转化为交流电输给终端设备。

而直流UPS只需要将交流电转化为直流电，直接供给终端设备。

由于节省了逆变器这个UPS中成本最高，最复杂的部件，交流UPS购置成本和运营成本可降低20%-30%，总效率提高12-15%，可节电8%左右，而且更容易管理、维护[9]。

从可靠性方便讲，用UPS是为了防止停电，而现在的UPS往往成为故障原因。

由于交流UPS结构复杂，元器件众多，很容易出现单点故障、还会出现两个谐波源，对电网和系统本身形成干扰，而引入数字式控制的直流UPS则可保证稳定性和可靠性。

1.3.3课题主要研究内容

此次设计要研究的是一种应用于消防，轨道交通等领域监控、保安系统的在线数字式直流不间断电源。

它能提供稳定的24V的直流输出电压，恒定功率为100W，能在市电断电后持续工作2小时，切换时间小于10ms。

2总设计方案研究路线的设计与分析

2.1设计方案

图2.1总体设计方案

2.2方案评价

该在线式不间断电源设计方案通过ATmel公司生产的AVR单片机ATmega48实现蓄电池充放电电压电流的检测与控制：

（1）电压检测通过分压电阻和单片机模数转换读出电压值换算而得，具有电路简单，精度高的优点。

（2）蓄电池充、放电电流一般为毫安级，若用一般的测量方法，引入的测量电路会对所测电流产生不小的影响，使得测量误差很大，故需由专门设计的电流采样电路获得。

本设计采用的是由0.5欧的采样电阻将电压差分信号输入HCPL-7840光耦隔离芯片，经差分放大电路后，再由单片机模数转换计算采样电阻的输入电压，从而算得电流值。

该测量方案对实际电流影响较小，测得的数据稳定性高。

（3）蓄电池充电电压反馈控制电路则采用Boost升压电路实现，对输入的直流电压要求小，一般在12V左右。

开关管开闭频率则由单片机产生的pWm控制，而采样的电压电流值又对PWM的占空比形成闭环反馈，使得充电电压或电流得到实时控制以完成蓄电池合理安全的充、放电。

该充电方案能有效提高蓄电池的使用寿命和设备整体可靠性。

2.3研究路线

图2.2研究路线

本次设计的研究路线如图2.2，主要分为以下几点：

1）设计在线式直流不间断电源的基本电路

2）研究并解决市电正常时蓄电池过冲保护问题和市电断电后蓄电池电压输出稳压和低压保护

3）熟练并掌握AVR