文档介绍：后备式UPS的应用与仿真研究
指导老师:张虹
学生姓名:王浩安
学号:070220122
本课题研究意义和背景
UPS(Uninterrupted Power System)又称不间断电源,是一个市电修正、断电保护、电力控制等功能于一体的智能体,其研究涉及电力电子、半导体、计算机、信息处理、控制、和人工智能等科学技术领域。
UPS的应用非常广泛,尤其在对电力的稳定性,精准性和持续性要求很高领域,包括银行、财政机构、机场、公安部门、担任国防任务的实验室,甚至是个人办公使用的仪器设备等。
本设计主要研究内容
本次毕业设计的目标,是对一种后备式小功率的UPS进行结构设计,该UPS主要工作环境为家庭或者个人办公场所,主要功用是对个人电脑等办公设备进行停电保护。
设计的主要工作是,对UPS的总体电路分模块进行设计并进行仿真,确定各功率器件的功能与应用要求;
选择合适的电路逆变控制方案,达到用户对电力质量的需求;
确定输出功率、断电转换时间;
为后备式UPS制定了一种简易的正弦波方案,以满足部分感性负载对电源的要求。
最后,验证所有仿真结果。
UPS功率器件的选择
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),绝缘栅型双极性晶体管,是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。
IGBT开关特性图
电力二极管
电力二极管和信息电子电路中的普通二极管有一定的区别因素:
1)正向导通时要流过很大的电流,其电流密度较大,因而额外载流子的注入水平较高,电导调制效应不能忽略。
2)引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响;
3)承受的电流变化率di/dt较大,因而其引线和器件自身的电感效应也会有较大影响;
4)为了提高反向耐压(一般可达数百伏特),其掺杂浓度低也造成正向压降较大。
PWM控制技术
在采样控制理论中有一个重要理论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积。效果基本相同,是指环节的输出响应波形基本相同。低频段非常接近,仅在高频段略有差异。
面积等效原理:分别将如图所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节(R-L电路)上,如图3-2所示。其输出电流i(t)-2b所示。从波形可以看出,在i(t)的上升段,i(t)的形状也略有不同,但其下降段则几乎完全相同。脉冲越窄,各i(t)响应波形的差异也越小。如果周期性地施加上述脉冲,则响应i(t)也是周期性的。用傅里叶级数分解后将可看出,各在低频段的特性将非常接近,仅在高频段有所不同。
SPWM波形——脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形
SPWM波的调制方法
对于可变脉宽占空比的计算法,实现的算法有:
(1)自然采样法;
(2)对称规则采样法;
(3)不对称规则采样法;
(4)直接PWM法。
鉴于前三种方法的复杂性,所以采用直接PWM法:通过控制芯片计算每个开关周期下的PWM脉宽,使每一载波周期内逆变器输出脉冲的面积和在同一载波周期内希望得到的正弦波的面积相等。如图3-4所示,载波周期为T的SPWM波,假设希望得到的输出正弦电压为:
(1)
式(1)中为正弦波的振幅,从到的正弦波的面积为:
(2)
式(2)中是逆变器直流环节的输出电压,是到区间所需脉冲的宽度。即
SPWM波的调制方法
调制法
与计算法相对应的是调制法,即把所希望输出的波形作为调制信号,把接受调制的信号作为载波,通过对信号波的调制得到所期望的PWM波形。这里的载波信号通常采用三角波或锯齿波,其中等腰三角波应用最为广泛,因为等腰三角波上任意一点的水平宽度与高度成线性关系且左右对称,当它与缓慢变化的信号波相交时,在交点时刻对开关器件进行通断控制,就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲,这正好符合PWM控制的要求。当信号波为正弦波时,所得到的就是SPWM波形。