開題報(bào)告

電氣工程及自動(dòng)化

船用小型UPS電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一、綜述本課題國內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)，說明選題的依據(jù)和意義

有些小型船用應(yīng)急電源一般采用沖放電板帶蓄電池來組成，當(dāng)蓄電池處在浮充狀態(tài)時(shí)，能夠提供不間斷電源，但有一些缺點(diǎn)：

（1）

受電源的限制功率小，承擔(dān)的負(fù)荷太小，滿足不了要求

（2）

不能提供交流電源

（3）

電源品質(zhì)不能保證，如波動(dòng)問題、頻率問題等

因此，船上一些重要設(shè)備的備用電源不能直接由充放電板提供，需要更加穩(wěn)定

UPS（Uninterrupted

Power

Supply）系統(tǒng)。

當(dāng)船舶主電源發(fā)生故障時(shí)，在應(yīng)急發(fā)電機(jī)啟動(dòng)并正常運(yùn)行前，為了確保通訊導(dǎo)航設(shè)備、無線電設(shè)備、檢測報(bào)警設(shè)備及維系生命安全的重要設(shè)備供電的連續(xù)性，應(yīng)當(dāng)采用更為保險(xiǎn)的UPS系統(tǒng)。應(yīng)急發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行后，所有的UPS負(fù)載均可轉(zhuǎn)移到應(yīng)急配電板上。

那么到底什么是UPS呢？不間斷電源，從名稱上看，即保證一些重要負(fù)載供電的連續(xù)性，如報(bào)警設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備等。這些設(shè)備一旦出現(xiàn)供電間斷，可能會(huì)引起重大事故。UPS主要構(gòu)成包括整流器、充電部分、蓄電池（組）、直流匯流排、逆變器。UPS的基本工作原理：外部電源經(jīng)過整流后通過充電回路對蓄電池進(jìn)行充電，旁通電路給負(fù)載供電；當(dāng)外部電源因發(fā)生故障而停止供電時(shí)，由蓄電池作為電源，經(jīng)逆變器逆變后對負(fù)載供電。好的UPS系統(tǒng)應(yīng)滿足一下要求：輸出正弦電壓波形、電源波形畸變小、輸出頻率穩(wěn)定、電壓波動(dòng)小、效率高、損耗小、噪音低、操作簡單、維修方便。

陸用UPS技術(shù)相對成熟，主要是陸地穩(wěn)定，干擾小，滿足以上要求更為簡單。但是，船舶交流電網(wǎng)的線路及供電質(zhì)量遠(yuǎn)不及陸上電網(wǎng)，且由于多種設(shè)備集中在船艙狹小的空間內(nèi)，這對船用UPS電源的抗電磁干擾及可靠性提出了嚴(yán)格的要求，因此，作為船舶供電網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵設(shè)備，船用UPS技術(shù)的研究具有重要的理論意義和實(shí)際意義。

我國在船用UPS的設(shè)計(jì)和制造方面已經(jīng)取得了出不成績，但與陸用UPS產(chǎn)品相比還存在著一定的差距，目前我國船用UPS技術(shù)存在諸多局限性。

目前UPS主要向兩個(gè)方向發(fā)展，一是網(wǎng)絡(luò)智能化控制控制，二是全數(shù)字化技術(shù)。智能化，即采用并聯(lián)技術(shù)將多臺小功率UPS設(shè)備連接后實(shí)現(xiàn)并聯(lián)運(yùn)行，這樣不但可以方便靈活地配置整個(gè)電源系統(tǒng)的容量，而且可以實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)的冗余，大大提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可用性、可靠性，因此船用UPS的控制技術(shù)相應(yīng)地向網(wǎng)絡(luò)智能化方向發(fā)展是勢在必行。采用微處理器、數(shù)字信號處理DSP構(gòu)成的全數(shù)字式控制UPS有很明顯的優(yōu)點(diǎn)：可以大大減少控制元件的數(shù)量，提高系統(tǒng)抗干擾能力，降低故障率及對工作溫度的要求；制作設(shè)計(jì)靈活，并聯(lián)的多臺UPS一致性好；可改進(jìn)性好，一旦有更好的控制方法，只要修改程序即可，無需變動(dòng)硬件電路，即硬件電路軟件化，大大縮短了設(shè)計(jì)周期；輸出電能質(zhì)量好，可靠性高，便于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)智能化管理；并聯(lián)多臺UPS，控制方法靈活，更有利于發(fā)揮冗余優(yōu)勢。

船上使用UPS具有重要的作用和意義：一，應(yīng)急作用，當(dāng)船舶因?yàn)橐馔夤收隙鴶嚯?，比如電線老化、氣候影響等等，UPS可以防止突然斷電而影響船上重要儀器的工作，給船上各個(gè)供電系統(tǒng)造成損害；二，消除電源上的電涌、瞬間高電壓、瞬間低電壓、電線噪聲和頻率偏移等“電源污染”，可以極大的改善電源質(zhì)量，為船舶供電系統(tǒng)提供高質(zhì)量、不間斷的穩(wěn)定電源。因此，在當(dāng)前的形勢下，船用UPS電源的使用越來越廣泛，而對UPS的研究也是非常有必要的。

二、研究的基本內(nèi)容，擬解決的主要問題：

設(shè)計(jì)一個(gè)為船舶中通訊設(shè)備，照明設(shè)備、控制設(shè)備、輔助機(jī)械設(shè)備等提供性能可靠的后備UPS電源系統(tǒng)。此UPS系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)如下框圖所示，三相逆變電路

LC濾波

負(fù)載

蓄電池組

要求選蓄電池組的電壓為168V，能獨(dú)立提供的線電壓為66V，最大輸出電流為20A，供電時(shí)間為30min，當(dāng)輸出由空載變?yōu)闈M載時(shí)輸出電壓下降不超過2.5%。

設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容：

（1）

根據(jù)要求設(shè)計(jì)出主電路的結(jié)構(gòu)形式，畫出主電路的原理框圖。

（2）

主電路各個(gè)元件的參數(shù)計(jì)算和型號選擇。

（3）

研究UPS與常用電源的合理切換。

（4）

設(shè)計(jì)蓄電池組的充電回路。

（5）

對系統(tǒng)進(jìn)行仿真和研究。

（6）

整理設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)資料，設(shè)計(jì)總結(jié)，撰寫論文。

電路的基本框架圖已經(jīng)給出如上圖，各元件的參數(shù)選擇需經(jīng)過計(jì)算后才能得出。所謂合理切換，即船電正常時(shí)UPS系統(tǒng)不工作，當(dāng)船電不正常時(shí)啟用UPS系統(tǒng)，保證供電的連續(xù)性。充電電路的設(shè)計(jì)是本文的一個(gè)重點(diǎn)，蓄電池電壓較高，有一定的設(shè)計(jì)難度。充電要求電壓必須大于蓄電池組電壓，還得保證不能過沖，即應(yīng)該有電壓反饋、鎖定環(huán)節(jié)。當(dāng)然，UPS中有一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)----逆變，逆變技術(shù)的先進(jìn)與否直接反映電源的質(zhì)量。本次設(shè)計(jì)采用三相橋式電壓型逆變電路，原理圖如下：

開關(guān)器件采用全控型電力MOSFET，主要特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電路簡單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小。第二個(gè)特點(diǎn)是開關(guān)速度快，工作頻率高，熱穩(wěn)定性能好。MOS管的驅(qū)動(dòng)使用特定的驅(qū)動(dòng)電路完成。直流電輸入，電路正常工作時(shí)，每個(gè)瞬時(shí)有三個(gè)橋臂導(dǎo)通，同一相的上下兩個(gè)橋臂要通斷互補(bǔ)。為了防止短路直通現(xiàn)象，可采取先斷后通策略。

MOS管的通斷控制采用PWM控制方法，PWM波由芯產(chǎn)生，輸出PWM波形的占空比由軟件控制。有電壓閉環(huán)反饋環(huán)節(jié)，從輸出端進(jìn)行電壓采樣，采樣值與設(shè)定值比較，形成偏差，再通過PI調(diào)節(jié)器自動(dòng)調(diào)整，把調(diào)整信號輸入單片機(jī)，單片機(jī)控制PWM芯片波改變其輸出PWM的占空比。

三、研究步驟、方法及措施：

（1）查找相關(guān)資料，總體方案設(shè)計(jì)論證，作好開題報(bào)告。

（2）根據(jù)方案，設(shè)計(jì)所需要的逆變電路。

（3）計(jì)算所需電力電子器件的參數(shù)，挑選合適的型號。

（4）挑選合適的主芯片，設(shè)計(jì)控制電路。

（5）挑選適合的芯片，設(shè)計(jì)蓄電池好充電回路

（6）對所需的電路進(jìn)行仿真。

（7）完成報(bào)告，總結(jié)設(shè)計(jì)過程。

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