智能UPS电源的研究与设计 (1)Word下载.doc
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输出电压、电流;
蓄电池的充放电电流的检测,逆变器的工作情况检测,对这些情况进行保护和响应的显示报警等。
)
二、进度安排及完成时间:
1、第一周至第二周:
明确课题任务及要求,搜集课题所需资料,掌握资料查阅方法,了解本课题研究现状、存在问题及研究的实际意义。
2、第三周至第四周:
查阅相关资料,自学相关内容,了解UPS系统的功能,确定课题总体方案,分配课题任务,确定个人研究重点,做好选题报告。
3、第五周至第八周:
研究UPS控制系统设计方法以及以8031单片机为核心构成一个在线式UPS电源的硬件设计。
4、第九周至第十四周:
系统软件设计。
第十六周至第十七周:
整理资料,准备答辩。
5、答辩
智能UPS电源的研究与设计
摘要:
在线式UPS具有稳压、稳频、滤波、抗干扰等功能,广泛地应用于国民生产的各个部门,对计算机系统尤为重要。
本设计为一种基于8031CPU控制的在线式不间断电源(UPS)。
这里着重介绍了该UPS的工作原理及硬件与软件设计。
通过运用先进的电力电子技术和计算机控制技术,实现了该UPS的全数字、智能化控制。
首先介绍了UPS电源的定义。
UPS电源是随着信息技术的不断发展和计算机技术应用日益普及,高新技术产品对供电的质量要求越来越高。
而普通交流电网供电时,所提供的电能不能满足负载的严格要求,许多意外事故如浪涌、尖端干扰、噪音都可能发生。
UPS在市电供电异常时,能向负载提供优质的电能。
本论文系统的介绍了UPS电源的分类发展和现况,对将来的发展趋势进行了预测。
关键词:
不间断电源,在线式,8031单片机。
TheresearchanddesignoftheintelligenceUPSpowersupply
Abstract:
On-lineUPS,withthefunctionofstabilizingthevoltageandthefrequency,filteringandresistingtheinteraction,hasbeenextensivelyusedineveryfieldofthenationalproduction,especiallyforthecomputersystem.Inthispaper,designaon-lineUPSbasedon8031CPUforcomputertechniquewasdeveloped.TheworkingprincipleandthedesignofhardwareandsoftwareoftheUPSwasintroduced.Thefull-digital/intelligentcontroloftheUPSwasrealizedbymeansofadvancedelectric/electronictechnologyandcomputercontroltechnique.FirstintroducesthedefinitionofUPS.ItisalongwiththedevelopmentofInformationandpopularityofcomputer,equipmentwithhightechnologyputforwardmoreandmorestrictdemandforqualityofpowersupply.Butattimes,powerafromwallsocketisneithercleannoruninterruptible.Manyabnormalitiessuchasblackout,brownout,spikes,surges,andnoisecanoccur.Thisisthefunctionofanuninterruptiblepowersupply(UPS)toactasabufferandprovideclean,reliablepowertouninerableelectronicequipment.ThedesignIntroducedthedevelopmentclassifyandpresentconditionsofUPSsystematically.
Keywords:
powersupply;
UPS(Uninterruptiblepowersupply);
online;
8031microcontroller.
目录
摘要…………………………………………………………………………………………I
第1章绪论…………………………………………………………………………………1
1.1概绪…………………………………………………………………………………1
1.2UPS的发展…………………………………………………………………………1
1.3UPS的分类和基本要求……………………………………………………………2
1.4本课题的主要任务和基本参数……………………………………………………2
1.4.1主要任务………………………………………………………………………3
1.4.2课题名称及主要数据参数和要求……………………………………………3
第2章总体方案的设计及其设计的指导思想………………………………………………4
2.1主体硬件电路的设计…………………………………………………………………4
2.2各个单元电路的设计…………………………………………………………………4
2.2.1功率因数校正电路的设计……………………………………………………4
2.2.2整流滤波电路的设计………………………………………………………7
2.2.3UPS蓄电池的选择与使用………………………………………………11
2.2.4充电电路的设计……………………………………………………………13
2.2.5静止逆变电路的设计………………………………………………………20
2.2.6静态开关的设计……………………………………………………………23
2.2.7保护与告警电路的设计……………………………………………………28
2.2.8辅助电源的设计……………………………………………………………35
第3章8031单片机系统的设计………………………………………………………………39
3.1硬件部分的设计……………………………………………………………………39
3.1.1CPU的选择…………………………………………………………………39
3.1.2CPU与A/D接口电路的设计………………………………………………39
3.1.3CPU与D/A接口电路的设计………………………………………………39
3.1.4显示电路的设计…………………………………………………………40
3.1.5工作电源的设计…………………………………………………………40
3.2系统软件的设计…………………………………………………………………40
3.3系统整体功能的确定……………………………………………………………41
3.4系统各模块的设计………………………………………………………………42
3.4.1主程序的设计…………………………………………………………42
3.4.2T0和T1的中断子程序的设计………………………………………43
3.4.3显示处理模块…………………………………………………………44
3.4.4电流的标度转换子程序………………………………………………45
3.4.5状态判断模块…………………………………………………………46
3.4.6监控模块………………………………………………………………46
3.4.7越限报警子程序的设计………………………………………………46
第4章源程序的调试………………………………………………………………………47
第5章系统操作说明及系统地址资源分配表……………………………………………48
5.1系统操作说明书…………………………………………………………………48
5.2系统子程序(或部分程序段)注释表…………………………………………49
5.3片内RAM资源分配表……………………………………………………………50
5.3.1存储单元分配表…………………………………………………………50
5.3.2提示符及其偏移量………………………………………………………51
5.3.3工作寄存器的分配………………………………………………………52
5.3.4芯片地址表………………………………………………………………52
5.4代码表……………………………………………………………………………52
第6章总结………………………………………………………………………………54
致谢…………………………………………………………………………………………55
参考文献……………………………………………………………………………………56
附录一系统主程序清单
附录二功率因数电路图
附录三充电电路图
附录四静态转换开关电路图
附录五保护电路图
附录六微处理器电路图
第1章绪论
1.1概绪
随着科学技术的发展,现代化的工业控制设备、通信装置及科研实施等都将以电子计算机为核心。
计算机是一种精密电子设备,它对交流电源的供电质量、可靠性和连续性(不间断)等都有严格的要求,不允许有3-5ms的供电间断。
市电的电压波动、脉冲干扰和突然中断,将会导致随机存储器数据的丢失和程序破坏,有时甚至会使磁盘面和磁头遭到损坏,造成难以弥补的损失。
例如:
使CAA,CAD和CAM系统及金融部门的计算机业务系统数据丢失,地面和空间卫星的通讯中断,以及实时在线控制的自动化连续生产停止等等。
对计算机故障情况的统计表明,有80%的原因是由于供电电源的质量问题。
因而,人们自然对供电质量提出了更高的要求:
一是要解决市电中断或瞬变时对计算机等负载产生的不良影响;
二是要保证输出优质正弦波。
为此,不间断电源系统(UninterruptiblePowerSystem),简称UPS,日益成为计算机必不可少的配套设备。
UPS具有稳压、稳频、滤波、抗干扰、防止电压浪涌等功能,而更重要的是,当突然停电时,UPS可以对负载继续暂时供电,使人们来得及处理由于停电而带来的影响,避免损失(如:
保护信息、数据等)。
此外,UPS还广泛用于远距通信系统、卫星地面站、数控系统、生产线过程控制、飞机场的空中交通管制系统、银行、医疗设备以及报警、保护、检测等装置中。
这些系统,对供电质量及起可靠性、连续性都提出了较高的要求,而一般电网是难以满足的。
1.2UPS的发展
UPS随着IT业的急剧发展而快速增长。
由于技术的进步,计算机功能变得越来越强,而硬件构成却越来越小巧,对UPS容量要求逐步变小,10年前完成同样功能的计算机系统所需的UPS,要比今天的计算机所需的UPS容量大得多。
另一方面,今天UPS的保护概念也发生明显变化,UPS已经从简单的硬件保护和数据保护,提高到为网络系统的可用性,信息的可用性提供强有力的保障。
可以想象,如果没有UPS会造成何种后果。
UPS电源在几十年的发展中经历了从晶闸管、功率晶体管、IGBT、IPM等不同的发展时期,电路结构经历了后备式、在线互动式、在线双变换式等不同的形态。
预计未来UPS技术将进一步朝着数字化、模块化、绿色化、智能化、高频化等几个主要方向发展。
1.3UPS的分类和基本要求
UPS的分类方法很多,若按工作原理分,有动态式和静态式。
静态式UPS又分为后备式和在线式。
后备式的UPS电源是当市电正常时,市电经高频滤波和抗浪涌无源滤波电路后直接送给负载,同时充电器给蓄电池充电,这时逆变器不工作;
市电断电后,逆变器启动将电池的直流能量转变为交流,并输给负载。
在线式UPS则是平时由市电经过整流器、逆变器向负载提供交流电源,一旦市电中断时,UPS改由蓄电池经过逆变器向负载提供电源。
所以在线式UPS在正常情况下,也是通过UPS内部的逆变器对负载供电,避免了由市电带来的各种电压波动和干扰,易于实现稳压、稳频。
后备式UPS按备用方式可分为备用冗余系统和并联冗余系统两类。
在线式UPS有三端口式和串联在线式。
若按输入输出方式分,有单相输入单相输出、三相输入单相输出、三相输入三相输出。
按输出波形分,有方波、梯形波和正弦波。
按输出功率分,有小功率、中功率、大功率。
一般来说,l0KVA以下的为小功
率,l0KVA以上到100KVA的为中功率,而100KVA以上的为大功率。
大功率和早期的UPS,它们的逆变器使用晶闸管作为控制部件。
当前,中小功率的UPS则使用功率晶体管、功率MOSFET,IGBT等作为逆变器的换向控制部件。
目前,有不少的微型计算机都使用500-1000VA的UPS。
按系统的组合方式和结构形式分类,有简单交流不间断电源装置,具有手动切换的UPS,具有转换开关的UPS,互为备用的两组独立的UPS,采用并联型静止开关的UPS,具有多重并联功能的UPS,以及具有备用单元或备用电源的UPS.虽然UPS的种类和形式很多,对它的需求量也越来越大,但是UPS有其必须满足的基本要求:
1.低成本。
很多负载需要供电,但电源异常、停电等对负载影响的频繁程度与UPS的价格要综合考虑,因此,经常强调的是UPS的低成本。
2.高可靠性。
采用UPS的目的在于市电异常时,保证对负载优质供电,因此要求UPS具有高可靠性。
3.小型轻量。
UPS一般作为高质量负载的电源,特别是计算机的电源要求量很大,因此要求UPS小型轻量易于搬动。
4.高效率。
实际应用中广泛采用的是由逆变器供电的在线方式。
1.4本课题的主要任务和基本参数
1.4.1主要任务
UPS系统的方案及总体设计;
包括主体电路的设计和单片机控制电路的设计(要用到单片机的控制整个系统),因此要完成单片机应用系统的硬、软件设计并完成软件调试,以满足整个系统的要求。
整个系统的设计包括硬件设计和软件设计两部分。
硬件设计主要完成UPS整个硬件电路及I/O接口的设计:
包括功率因数校正电路、充电电路、整流及滤波电路、蓄电池的选择、转换开关保护电路及各自的采样电路等组成;
软件设计主要完成控制整个系统的应用程序与调试。
包括主程序、控制算法程序、速度采样和电流检测以及I/O接口控制等程序面的设计,并绘出整个系统的主程序和子程序的流程图。
1.4.2设计课题名称及主要技术参数和要求
课题名称:
《智能UPS电源的研究与设计》
设计要求:
1单相交流市电输入为184V—264V,频率50+5HZ,输入功率因数0.85。
2UPS输出正弦波电压220+5V,频率为50+2HZ(市电同步)、50+0.5HZ(本机振荡)。
3UPS输出功率为10KVA。
4采用8031单片机控制。
5要求有完善的检测和保护功能(如输入的电压、电流;
)
第2章总体方案的设计及设计的指导思想
2.1主体硬件电路的设计
在线式UPS原理图如上所示,在线式UPS主要是由以下几部分组成:
充电器、逆变器、输出变压器及滤波器、静态开关、蓄电池组、整流滤波电路、充电电路、保护与报警电路和功率因数校正电路。
图2.1系统原理结构图
2.2各个单元电路的设计
2.2.1功率因数校正电路的设计
之所以要引用功率因数校正电路是因为功率因数较低的UPS存在许多问题,主要有:
1使电网波形畸变,线路损耗加大
(1)电网中混入高次谐波后,使电压波形产生畸变,造成三相不对称,加速设备的绝缘体老化,损坏绝缘介质,使设备容易过载,增加线路损耗。
(2)对于工频电流,有色金属导体中电流的分布可近似为在整个截面内是均匀的。
通过高频电流时,集肤效应严重,导体的有效电阻增加,损耗增加。
(3)随着频率的加快,导体的交流电阻和直流电阻均呈上升趋势,线路的损耗也随之增加。
(4)由于电流波形畸变,流过导体的电流除基波电流外,还增加了高次谐波电流分量,势必增加电路损耗。
2降低供电系统的功率因数、增大系统供电容量
电网中的电流是由基波电流和高次谐波电流叠加而成的,由于高次谐波的增加,导致线路中的电流增大,从而产生畸变功率。
畸变功率是无功功率,因此总无功功率增大。
3降低用电设备的使用寿命
(1)由于谐波干扰会引起电压不平衡,使电机产生附加损耗和发热,导致其寿命下降。
实验证明,三相不平衡电压可在电感电动机的转子中感应出2倍于基频的负序电流,3.5%的电压不平衡度可使电机温升增加25%,电机绝缘体的寿命缩短将近一半。
(2)在高次谐波作用下,由于集肤效应和邻近效应,变压器的绕组中产生的附加铜耗、铁芯损耗也相应增加,使变压器寿命缩短。
(3)对于架空线路,当谐波电流通过时,可能引起串联谐振,产生危险的过电压:
对于电缆线路,由于其绝缘材料中含有少量气体,气体在谐波电压作用下电离而形成电荷,并逐渐变为中性,在变化为中性的过程中,会发散电能,从而加速绝缘介质的老化、缩短使用寿命。
(4)高次谐波对过电流继电器、过电压继电器、距离继电器等运行都有明显的影响,易使这些继电器的动作特性发生较大的变化,导致继电保护装置和自动化装置动作不稳定,甚至发生误动作或拒动。
4干扰仪器、仪表
由于高次谐波引起电压波动,且在波形的断点处有“毛刺”存在,从而易损坏仪器、仪表的微电子线路。
特别是在越来越多地使用带微机的数字仪表的情况下,高次谐波的大量存在会影响其计量精度。
另外,各种电量的计量装置都是按50HZ标准正弦波设计的,当供电电压或负荷电压中含有高次谐波时,都会影响这些计量装置的正常工作。
5使计算机无法工作
目前,计算机应用已普及到各行各业,它们对电源的质量要求较高,如果电源中含有高次谐波,则会对数据的传输和处理造成严重影响,使计算机产生误动作,使正常的工作程序遭到破坏。
综上所述如今设计制造功率因数接近l的UPS已成为UPS发展的必然趋势。
在UPS中引入功率因数校正技术,一方面消除由于整流滤波电路产生的谐波电流,一方面补偿﹑提高功率因数,这是UPS的一大发展趋势。
功率因数校正可分为无源功率因数校正和有源功率因数校正。
采用无源功率因数校正时,应在UPS输入端加入电感量很大的低频电感,以便减小滤波电容充电电流的尖峰。
这种校正方法比较简单,但是校正效果不理想,通常经无源功率因数校正后,功率因数可达0.85。
此外,采用无源校正时,功率因数校正电感的体积很大,增加UPS的体积,因此,目前这种方法很少采用。
这里我们采用功率因数校正控制器UC3854来设计有关电路。
由美国UNITRODE公司生产的UC3854系列功率因数校正控制器,其采用平均电流型(ACM)控制,不像峰值电流型控制,即使没有斜率补偿,也可获得正弦输入电流,并且噪声低,灵敏度高。
功率因数校正电路原理图见附录1。
电路分析:
在此设计的PFC电路的主要性能参数为单相交流市电输入可为184V—264V之间的任意值,输出功率为10KVA,输出电压为385V,线路功率因数=0.85,总电流谐波畸变THD≤5%。
功率级电路也是一个升压斩波器,它借助电感L(1mH)工作于连续传导模式(CCM)。
CCM斩波器的占空因数取决于输出直流电压与交流输入电压之
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