智能UPS电源的研究与设计 (1).doc

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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184—264V，频率50+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；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

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