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单相3kVA/220V热后备式UPS研究

作　者: 余佳佳
导　师: 赵阳
学　校: 湖北工业大学
专　业: 电力电子与电力传动
关键词: 热后备式充电机逆变器 PI控制极点配置
分类号: TM46
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

随着网络信息化的逐步提高，在人们的日常生活和工作中，对供电电源的可靠性要求愈来愈高，在许多紧要场所，UPS作为关键电气设备的后备电源，获得了越来越普遍的运用。此外，随着电气设备功率等级以及数量的逐年增加，研究UPS电源冗余化技术成为了研究热点。本文在总结国内外现有的UPS结构以及适用场合的基础上，对船用单相UPS的实现方法进行分析和探讨。本文首先简要介绍了UPS的研究现状，选择了本文所用的系统结构即热后备式UPS，它的设计主要包括充电机和逆变器两个变流器部分的设计。接着对选用的充电机和逆变器主电路拓扑分别进行了数学建模，其中包括了基于SPWM调制的状态空间平均法的运用。然后针对充电机的技术要求，对充电机系统的开关频率大小、直流侧母线电压等级、交流侧电感大小以及直流侧母线电容大小等主电路参数进行了深入详细的研究与设计。然后针对逆变器的技术要求，对逆变器系统的负载参数以及交流侧输出滤波器参数等主电路参数进行了深入详细的研究与设计，并利用输出滤波器的伯德图检验了滤波器的效果。控制器的设计是实现整个控制系统的核心。本文中充电机选择交流侧电感电流内环直流侧母线电压外环的双闭环控制策略；针对电压外环，选用PI控制器对充电机的直流侧母线电压的稳定进行控制；针对电流内环，选用PI控制器对充电机交流侧电流进行跟踪电网电压相位控制。通过具体的技术要求，分别设计了内环和外环PI控制器的各个参数并通过控制器的开环和闭环伯德图分析了其特性，并通过MATLAB/SIMULINK平台所搭建的模型对控制系统进行了仿真验证。本文中逆变器控制器的设计，首先对单闭环PID控制和双闭环PIPI控制两种策略进行了对比分析；并通过极点配置法分别得到了两种控制策略控制器的各个参数，并通过MATLAB/SIMULINK平台对两种控制系统进行了仿真验证，得出了逆变器选用双闭环PIPI控制策略的结论。最后，对单相3kVA/220V热后备式UPS进行了实验研究，就实验样机完成所采用的几项关键技术做了说明，包括锁相环技术、掉电检测与切换技术。然后对实验样机的硬件系统和软件系统进行了说明，并通过实验对整个系统的设计正确性进行了验证。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-7
目录  7-9
第1章绪论  9-17
  1.1 选题背景  9
  1.2 UPS 电源的现状及发展  9-15
    1.2.1 UPS 的分类  10-11
    1.2.2 UPS 的控制技术  11-15
    1.2.3 UPS 的发展方向  15
  1.3 本文的主要研究内容  15-17
第2章单相 UPS 系统中充电机的建模与主电路设计  17-27
  2.1 单相 UPS 系统中充电机的数学建模  17-22
    2.1.1 充电机的系统结构和工作原理  17-18
    2.1.2 SPWM 调制技术  18-20
    2.1.3 充电机的数学模型  20-22
  2.2 单相 UPS 系统中充电机的主电路参数设计  22-26
    2.2.1 开关频率的选定  22
    2.2.2 直流侧母线电压的选择  22-23
    2.2.3 交流侧电感的设计  23-25
    2.2.4 直流侧母线电容的设计  25-26
  2.3 本章小结  26-27
第3章单相 UPS 系统中逆变器的建模与主电路设计  27-33
  3.1 单相 UPS 系统中逆变器的数学建模  27-29
    3.1.1 逆变器的系统结构和工作原理  27-28
    3.1.2 逆变器的数学模型  28-29
  3.2 单相 UPS 系统中逆变器的主电路参数设计  29-32
    3.2.1 技术要求  30
    3.2.2 计算负载参数  30-31
    3.2.3 交流侧输出滤波器的设计  31-32
  3.3 本章小结  32-33
第4章单相 UPS 系统控制器的设计  33-56
  4.1 单相 UPS 系统中充电机的控制器设计与仿真分析  33-42
    4.1.1 充电机双环控制系统  33-34
    4.1.2 电流内环 PI 控制器设计  34-36
    4.1.3 电压外环 PI 控制器设计  36-38
    4.1.4 基于双闭环系统 PI 控制器的仿真分析  38-42
  4.2 单相 UPS 系统中逆变器控制器的设计与仿真分析  42-54
    4.2.1 逆变器单闭环 PID 控制器的设计与仿真分析  42-48
    4.2.2 逆变器双闭环 PIPI 控制器的设计与仿真分析  48-54
  4.3 本章小结  54-56
第5章单相 UPS 实验研究  56-68
  5.1 锁相环设计  56-57
  5.2 掉电检测设计  57-58
  5.3 切换电路设计  58-59
  5.4 系统硬件设计  59-61
    5.4.1 实验样机功率管设计  59-60
    5.4.2 控制电路设计  60-61
  5.5 系统软件设计  61-63
  5.6 实验结果  63-67
  5.7 本章小结  67-68
第6章全文总结  68-70
  6.1 本文完成的工作  68-69
  6.2 工作展望  69-70
致谢  70-71
参考文献  71-74
攻读硕士学位期间发表的论文  74

单相3kVA/220V热后备式UPS研究

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