智能UPS电源的研究与设计 (1).doc

1、湖南工程学院毕业设计论文 毕 业 设 计 论 文题 目 智 能 UPS 电 源 的 研 究 与 设 计 （院）系 电气与信息工程系 专业 自 动 化 班级 学号 学生姓名 导师姓名 完成日期 湖南工程学院毕业设计（论文）任务书 设计（论文）题目： 智能UPS的研究与设计（在线式中功率UPS电源设计） 姓名 系别 电气与信息工程系 专业 自动化 班级 0001 学号 17 指导老师 教研室主任 一、 基本任务及要求：1、了解UPS的工作原理、类型、基本控制方法、按要求设计做出合理方案选择 2、用8031单片机为核心控制的在线式中功率UPS电源设计。 3、单相交流市电输入184264V，频率50+

2、5HZ，输入功率因数0.85。输出功率为10KVA。4、要求有完善的检测和保护功能（如输入的电压、电流；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

3、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8031 CPU 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

4、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。The research and design of the intelligence UPS power supplyAbstract: On-line UPS, with the function of stabilizing the voltage and the frequency , filtering and resisting the interaction

5、, has been extensively used in every field of the national production, especially for the computer system. In this paper, design a on-line UPS based on 8031 CPU for computer technique was developed. The working principle and the design of hardware and software of the UPS was introduced. The full-dig

6、ital/intelligent control of the UPS was realized by means of advanced electric/electronic technology and computer control technique. First introduces the definition of UPS. It is along with the development of Information and popularity of computer , equipment with high technology put forward more an

7、d more strict demand for quality of power supply. But at times, power a from wall socket is neither clean nor uninterruptible. Many abnormalities such as blackout, brownout, spikes, surges, and noise can occur. This is the function of an uninterruptible power supply(UPS) to act as a buffer and provi

8、de clean, reliable power to uninerable electronic equipment. The design Introduced the development classify and present conditions of UPS systematically.Key words: power supply; UPS(Uninterruptible power supply); on line; 8031 microcontroller.目 录摘 要 I第1 章 绪 论 111 概绪 112 UPS的发展 113 UPS的分类和基本要求 214 本课

9、题的主要任务和基本参数 2 141主要任务 3 142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 421 主体硬件电路的设计 422 各个单元电路的设计 4221 功率因数校正电路的设计4222 整流滤波电路的设计 7223 UPS蓄电池的选择与使用 11224 充电电路的设计 13225 静止逆变电路的设计 20226 静态开关的设计 23227 保护与告警电路的设计 28228 辅助电源的设计 35第3章 8031单片机系统的设计 3931 硬件部分的设计 39 311 CPU的选择 39 312 CPU与A/D接口电路的设计 39 313 CPU与D/A接口

10、电路的设计 39 314 显示电路的设计 40 315 工作电源的设计 40 32 系统软件的设计 40 33 系统整体功能的确定 4134 系统各模块的设计 42 341 主程序的设计 42 342 T0和T1的中断子程序的设计 43 343 显示处理模块 44 344 电流的标度转换子程序 45 345 状态判断模块 46 346 监控模块 46 347 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 4851 系统操作说明书 48 52 系统子程序（或部分程序段）注释表 4953 片内RAM资源分配表 50531 存储单元分配表 50532

11、提示符及其偏移量 51533 工作寄存器的分配 52534 芯片地址表 5254 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11 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

12、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(Uninterruptible Power System)，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

13、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。12 UPS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

14、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。13 UPS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

15、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，l 0KVA以下的为小功率，l0KV

16、A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

17、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。14 本课题的主要任务和基本参数141 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

18、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。142 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184V264V，频率50+5HZ，输入功率因数0.85。2 UPS输出正弦波电压220+5V，频率为50+2HZ(市电同步)、5

19、0+0.5HZ（本机振荡）。3 UPS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；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。）第2章 总体方案的设计及设计的指导思想21 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21 系统原理结构图22各个单元电路的设计221 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

20、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

21、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

22、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

23、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

24、，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184V264V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THD5%。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