三相10KVAUPS电源初步设计.docx
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三相10KVAUPS电源初步设计
第一章绪论
1.1电力电子技术概况
电力电子技术有广泛的应用，其中UPS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。
当市电正常时，UPS将市电稳压或稳压、稳频后供负载使用，同时向机内电池充电；当市电中断时（异常时），UPS立即在4-10ms内或“零”中断时间内将蓄电池的电源通过逆变转换的方式向负载继续供应电力，使负载维持正常的工作，以便保存资料并保护负载的软硬件不受损坏。
从原理上来说，UPS是一种集数字和模拟电路,自动控制逆变器与免维护贮能装置于一体的电力电子设备；
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从功能上来说，UPS可以在市电出现异常时,有效地净化市电；还可以在市电突然中断时持续一定时间给电脑等设备供电,使你能有充裕的时间应付；
从用途上来说，随着信息化社会的来临，UPS广泛地应用于从信息采集、传送、处理、储存到应用的各个环节，其重要性是随着信息应用重要性的日益提高而增加的。
不间断电源（UPS）在将关键负载（例如计算机、通信系统、医疗/生命支持系统和工业控制）连接至公共电网方面扮演着重要角色。
它们旨在为主要处于任何正常或异常实用电源条件下的负载提供清洁、持续的电源。
在各种UPS拓扑或配置中，在线UPS，也称为反向器首选UPS，可为负载提供最佳的线路调节性能和最强大的保护以防止出现公共电源问题。
它可以在多条输入线路条件下提供稳定的正弦输出电压。
从公共电力线获得电源后，它将保持正弦输入电流处于高输入功率因素。
这些增强的输入/输出特性使在线UPS成为许多应用领域中的理想解决方案。
但是，由于使用多个电源转换级和相关的模拟控制器，在线UPS从传统意义上说已经成为最复杂和最昂贵的系统类型。
除模拟控制器之外，在线设计还需要使用低端微控制器以提供与主机计算机的简便连接，以便建立交互式通信并对系统进行适当监控。
这些基于多个模拟和数字控制器的设计导致组件集成度降低和系统成本增加。
可以用于实现高度集成的高性能微控制器现已推出，但是它们未必能提供经济高效的解决方案。
当今的低成本、高性能DSP控制器。
其中包括：
模数转换器（ADC）、PWM输出、定时器、保护电路、串行通信和其它功能。
这些部件的高CPU带宽和集成电力电子外设使实现在线UPS的全面数字控制成为可能。
包括作为指令的乘法累加（MAC），都是单周期。
因此，可以高速执行多种控制算法，从而使实现所需的高采样速率成为可能，以便获得良好的动态反应。
这也使得能够在单芯片中实现在线UPS的多控制环路。
从而提高集成度并降低系统成本。
数字控制还为每个控制器带来可编程性、抗噪声干扰和避免冗余电压及电流传感器的使用等优点。
由于组件变少了，系统将需要更少的工程时间并且可以变得更小巧、更可靠。
与传统模拟控制相比，DSP控制提供了另一个巨大优势-软件。
额外的DSP带宽可用于实施更复杂的算法以及与主机系统和I/O器件（例如LCD显示屏）进行通信。
DSP可编程性意味着可以使用增强的算法更新系统以提高可靠性。
1.2本次设计的内容
本次设计的主要内容是三相10KVAUPS电源，其本原理是当市电正常时，市电经整流器整流为直流给蓄电池充电，可保证蓄电池的电量充足。
一旦市电异常乃至停电，即由蓄电池向逆变器供电，蓄电池的直流电经逆变器变换为横品恒压交流电继续向负载供电，因此从负载侧看，供电部受短期市电停电的影响。
三相10KVAUPS电源设计包括方案的经济技术论证、整流电路的设计、逆变电路的设计、蓄电池容量的确定及选择、通过计算选择器件的具体型号、驱动电路的选择或设计以及绘制相关电路图。
第二章电路的设计
2.1总体设计方案
在正常情况下，即电源由市电提供，市电经过整流器整流为直流，存储到蓄电池中作为备用电源，而后再经逆变器转变成交流电提供给负载。
但是由于逆变器容易发生故障，所以在电路旁侧加一旁路电源，以便解决当逆变器发生故障不能将市电输送给负载的难题。
系统的方框图如图2.1所示
图2.1UPS电源设计方框图
各部分电路说明如下：
1、整流电路：
把交流电能转换为直流电能的电路。
大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成，
2、储能电路：
本设计方案要求采用蓄电池储能。
功率为10KVA，取UPS电源的功率因数为0.8，蓄电池串联后的电压近似等于整流电路输出电压可知：
需要11个12V蓄电池串联组成。
所以蓄电池所需伏安数X：
X＝=60.60A
所以延时1小时得用60.60AH的电池，现在需要延时10分钟，则需要10.10AH的电池。
因此所选择的蓄电池满足上述条件即可。
3、逆变电路：
在驱动信号的控制下，将直流电源转换成频率和电压可以任意调节的交流电源。
2.1.1主电路的设计
1整流电路
作品设计的整流电路采用三相桥式全控整流电路，如图2.2所示。
这种电路的参数随着负载的变化而变化。
对于共阴极组的三个晶闸管，阳极所接交流电压值最高的一个导通。
而对于共阳极组的三个晶闸管，则是阴极所接交流电压值最低的一个导通。
这样，任何时刻共阳极和共阴极组中各有一个晶闸管处于导通状态，施加于负载上的电压为某一线电压。
输出都端部的电容起到了滤波作用。
图2.2三相桥式全控整流电路
晶闸管参数：
保证电流连续的最小电感：
L=0.693（mH）（2-1）
晶闸管的电流有效值：
（2-2）
晶闸管通态平均电流：
（2-3）
晶闸管的电流值：
（2-4）
变压器参数：
变压器二次侧电流：
（2-5）
变压器原边电流：
（2-6）
根据逆变电路可求出整流电路的输出电压和输出电流，
输出电压==126.67V,输出电流=3.91A
根据三相桥式求法可以求得
晶闸管通态平均电流：
晶闸管的电流有效值：
晶闸管的额定电流：
I=*（1.5~2）=（2.16~2.88）A
晶闸管的额定电压：
U=（2~3）=（620.55~930.83）V
变压器二次侧电流：
变压器二次侧电压：
变压器变比为：
==1.28
额定功率：
P=*=296.40*2.61=773.60W
变压器原边电流：
保证电流连续的最小电感：
L=0.693（mH）=0.693*85.58mH
这样既可确定各器件的选择。
整流电路中，主要应用的是晶闸管进行的整流，而晶闸管和二极管的最大不同之处是晶闸管工作需要一些附加条件
当晶闸管承受反向电压时，无论门集是否有触发电流，晶闸管都不导通。
当晶闸管承受正向电压时，仅在门集有触发电流的情况下晶闸管才能导通。
晶闸管一旦导通，门集便失去控制作用，无论门集触发电流是否还纯在，晶闸管都保持导通。
若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。
综上，我们需要给晶闸管加以触发电路，触发电路电路图如图2.3所示
图2.3触发电路
2逆变电路
对于三相输出的逆变器，三相负载的平衡是一个必须考虑的重要问题，目前性能较好的大中型UPS都要求具备三相100%不平衡的功能。
为了适应三相负载不平衡的需要，三相逆变器采用三个单项桥分别变换，然后再把输出按120°的相位差组合起来的方式，如图，每个单项桥式逆变器需用四个开关管。
因此总共需要12个开关器件，节后复杂。
带来的好处是：
三个单项逆变器工作独立，其输出互不影响，实际上三个单相逆变器并联，只是相位不同。
这样可以允许三相负载100%不平衡，三相严重不平衡也不会对任一逆变器输入产生影响。
图2.4逆变电路
图2.4中各相逆变器结构相同，为全桥逆变电路。
采用高频SPWM技术，功率开关管选用IGBT，开关频率为30Hz。
通过正弦波控制信号与三角波比较的方法，得到基波为50Hz的SPWM波，再经滤波器滤除高频，可输出低失真的50Hz正弦波。
整流晶闸管的选取：
晶闸管的电压额定值：
（2-7）
其中为电压波形系数，为安全系数
晶闸管的电流额定值：
（2-8）
开关器件的选择:
电压额定值：
（2-9）
电流额定值:
（2-10）
设计要求UPS电源的功率S=10KVA，功率因数为0.8，输出交流电压Uo=380V。
则可以计算出Io===11.75A
根据晶闸管的电压额定公式可求出，晶闸管的额定电压值，并确定晶闸管的选取
根据晶闸管的电流额定公式可求出，晶闸管的额定电流值，并确定晶闸管的选取
根据所求参数确定相应器件的选取
3整体电路
市电经过三相桥式全控整流电路进行整流，将交流电转换成直流电，给蓄电池充电，同时经过逆变器将直流转换回交流给负载供电，此时负载得到的交流电压比市电电压质量高，即使市电发生质量问题，也能获得正常的恒压恒频的正弦波交流输出，并且具有稳压稳频的功能，因此也称为稳压稳频电源。
同时，如果主回路发生故障，有旁路电源做为备用，这样，便提高了供电的可靠性。
整体设计电路图如图2.5所示。
图2.5整体设计电路图
2.2.2保护电路的设计
有些用户会认为，UPS的负载能力越大，对负载的保护效果会越好，于是在购买时选用了高价格高负载能力的产品。
而用户在实际应用时的负载只是UPS额定的30%甚至更少，其实这样亦会影响到UPS的使用寿命，毕竟其所带的电池组很多时候都不能完全正常地进行工作。
当然也不是说100%的额定负载是最好的，如果这样，UPS出现任何小问题都会造成很大的损坏，实际操作表明选择50%~80%的负载为最佳。
1：
过电压保护
晶闸管的过电压能力较差，当它承受超过反向击穿电压时，会被反向击穿而损坏。
如果正向电压超过管子的正向转折电压，会造成晶闸管硬开通，不仅使电路工作失常，且多次硬开关也会损坏管子。
因此必须抑制晶闸管可能出现的过电压，常采用简单有效的过电压保护措施。
对于晶闸管的过电压保护可参考主电路的过电压保护，我们使用阻容保护，电路图如图2.6
图2.6过电压保护电路
.晶闸管阻容吸收元件参数可按表表2.1所提供的经验数据选取，电容耐压一般闸管额定电压1.1～1.5倍。
表2.1过电压保护电路原件选择参数
晶闸管额定电流IT（AV）/A
1000
500
200
100
50
20
10
电容C/UF
2
1
0.5
0.25
0.2
0.15
0.1
电阻R/欧姆
2
5
10
20
40
80
100
所以选用电容为0.1μF，电阻为100欧姆。
2：
晶闸管的过电流保护
常见的过电流保护有：
快速熔断器保护，过电流继电器保护，直流快速开关过电流保护。
快速熔断器保护是最有效的保护措施；过电流继电器保护中过电流继电器开关时间长（只有在短路电流不大时才有用；直流快速开关过电流保护功能很好，但造价高，体积大，不宜采用。
因此，过电流保护选用快速熔断器如图2.7。
图2.7过电流保护电路
对于晶闸管的过电流保护，快速熔断器的熔体采用一定的银质熔丝，周围充英砂填料，构成封闭式熔断器。
选择快熔，要考虑一下几点：
（1）快熔的额定电压应大于线路正常工作电压；
（2）快熔的额定电流应大于或等于内部熔体的额定电流；
（3）熔体的额定电流是有效值。
对于快速熔断器的选择，要选择晶闸管额定平均电流的1.2-1.5倍。
2.3元器件型号选择
经过计算分析和查找有关资料选择如下器件：
1蓄电池选择IFR32900e型12V15AH蓄电池。
2整流电路晶闸管选择3CT3型。
3整流电感选择80mH的。
4整流变压器选择变S11-1000/10型。
5逆变电路晶闸管选择3CT20型。
6对整流电路过电压保护电路中选电容0.1μ
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