開題報告

電氣工程及自動化

船用小型UPS電源系統(tǒng)設計

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

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

（1）

受電源的限制功率小，承擔的負荷太小，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，如波動問題、頻率問題等

因此，船上一些重要設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)。

當船舶主電源發(fā)生故障時，在應急發(fā)電機啟動并正常運行前，為了確保通訊導航設備、無線電設備、檢測報警設備及維系生命安全的重要設備供電的連續(xù)性，應當采用更為保險的UPS系統(tǒng)。應急發(fā)電機正常運行后，所有的UPS負載均可轉(zhuǎn)移到應急配電板上。

那么到底什么是UPS呢？不間斷電源，從名稱上看，即保證一些重要負載供電的連續(xù)性，如報警設備、監(jiān)控設備等。這些設備一旦出現(xiàn)供電間斷，可能會引起重大事故。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行充電，旁通電路給負載供電；當外部電源因發(fā)生故障而停止供電時，由蓄電池作為電源，經(jīng)逆變器逆變后對負載供電。好的UPS系統(tǒng)應滿足一下要求：輸出正弦電壓波形、電源波形畸變小、輸出頻率穩(wěn)定、電壓波動小、效率高、損耗小、噪音低、操作簡單、維修方便。

陸用UPS技術相對成熟，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)量遠不及陸上電網(wǎng)，且由于多種設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格的要求，因此，作為船舶供電網(wǎng)絡的關鍵設備，船用UPS技術的研究具有重要的理論意義和實際意義。

我國在船用UPS的設計和制造方面已經(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技術存在諸多局限性。

目前UPS主要向兩個方向發(fā)展，一是網(wǎng)絡智能化控制控制，二是全數(shù)字化技術。智能化，即采用并聯(lián)技術將多臺小功率UPS設備連接后實現(xiàn)并聯(lián)運行，這樣不但可以方便靈活地配置整個電源系統(tǒng)的容量，而且可以實現(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的控制技術相應地向網(wǎng)絡智能化方向發(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：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；制作設計靈活，并聯(lián)的多臺UPS一致性好；可改進性好，一旦有更好的控制方法，只要修改程序即可，無需變動硬件電路，即硬件電路軟件化，大大縮短了設計周期；輸出電能質(zhì)量好，可靠性高，便于實現(xiàn)網(wǎng)絡智能化管理；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，應急作用，當船舶因為意外故障而斷電，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：

設計一個為船舶中通訊設備，照明設備、控制設備、輔助機械設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

負載

蓄電池組

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

設計的基本內(nèi)容：

（1）

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

（2）

主電路各個元件的參數(shù)計算和型號選擇。

（3）

研究UPS與常用電源的合理切換。

（4）

設計蓄電池組的充電回路。

（5）

對系統(tǒng)進行仿真和研究。

（6）

整理設計數(shù)據(jù)資料，設計總結(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)過計算后才能得出。所謂合理切換，即船電正常時UPS系統(tǒng)不工作，當船電不正常時啟用UPS系統(tǒng)，保證供電的連續(xù)性。充電電路的設計是本文的一個重點，蓄電池電壓較高，有一定的設計難度。充電要求電壓必須大于蓄電池組電壓，還得保證不能過沖，即應該有電壓反饋、鎖定環(huán)節(jié)。當然，UPS中有一個很重要的環(huán)節(jié)----逆變，逆變技術的先進與否直接反映電源的質(zhì)量。本次設計采用三相橋式電壓型逆變電路，原理圖如下：

開關器件采用全控型電力MOSFET，主要特點是驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小。第二個特點是開關速度快，工作頻率高，熱穩(wěn)定性能好。MOS管的驅(qū)動使用特定的驅(qū)動電路完成。直流電輸入，電路正常工作時，每個瞬時有三個橋臂導通，同一相的上下兩個橋臂要通斷互補。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)，從輸出端進行電壓采樣，采樣值與設定值比較，形成偏差，再通過PI調(diào)節(jié)器自動調(diào)整，把調(diào)整信號輸入單片機，單片機控制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）查找相關資料，總體方案設計論證，作好開題報告。

（2）根據(jù)方案，設計所需要的逆變電路。

（3）計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，設計控制電路。

（5）挑選適合的芯片，設計蓄電池好充電回路

（6）對所需的電路進行仿真。

（7）完成報告，總結(jié)設計過程。

四、參考文獻

[1]

王兆安,黃俊.電力電子技術[M].第4版.北京:機械工業(yè)出版社,2000.[2]

陳建業(yè).電力電子電路的計算機仿真[M].北京:清華大學出版社,2003.[3]

閻石.數(shù)字電子技術基礎[M].第4版.北京:高等教育出版社,2005.[4]

康華光.陳大欽.電子技術基礎(模擬部分)[M].第4版.北京：高等教育出版社，2004.[5]

楊旭,裴云慶,王兆安.開關電源技術[M].北京:機械工業(yè)出版社,2003.[6]

顧繩谷.電機及拖動基礎[M].第3版.北京:機械工業(yè)出版社,2003.[7]

張穎超等.高精度三相PWM波形產(chǎn)生器SA4828在逆變器中的應用[J].國外電子元器件,2000,36(9):3~5.[8]

張春來,趙殿禮,文元全.船舶電氣[M].北京:人民交通出版社,2008.[9]

康華光.電子技術基礎(模擬部分)[M].第四版.北京:高等教育出版社,1999.[10]王兆安.電力電子變流技術[M].北京:機械工業(yè)出版社,2003.[11]夏德鈐,翁貽方.自動控制理論[M].第三版.北京:機械工業(yè)出版社,2007.