電力電子裝置電流檢測與過流保護系統(tǒng)設(shè)計畢業(yè)設(shè)計(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 等。 UPS 和直流電源是企業(yè)重要的供電保障設(shè)備，傳統(tǒng)的維護管理包括： ① 日常巡檢外觀，定期更換電池、濾波電容、風機等易損件，大修時做電池活化等； ② 改造或采用換代設(shè)備，使用高級工具測試電池性能。這種管理方式企業(yè)投入成本高，維護人員工作量大，不易實時掌握設(shè)備運行狀態(tài)和關(guān)鍵數(shù)據(jù)，設(shè)備事故預(yù)防能力低。實施在線維護管理可避免傳統(tǒng)方式的不足之處，獲得良好效益。 UPS 電源系統(tǒng)由五部分組成：主路、旁路、電池等電源輸入電路，進行 AC/DC 變換的整流器 (REC)，進行 DC/AC 變換 的逆變器 (INV)，逆變和旁路輸出切換電路以及蓄能電池。其系統(tǒng)的穩(wěn)壓功能通常是由整流器完成的，整流器件采用可控硅或高頻開關(guān)整流器，本身具有可根據(jù)外電的變化控制輸出幅度的功能，從而當外電發(fā)生變化時 (該變化應(yīng)滿足系統(tǒng)要求 )，輸出幅度基本不變的整流電壓。凈化功能由儲能電池來完成，由于整流器對瞬時脈沖干擾不能消除，整流后的電壓仍存在干擾脈沖。儲能電池除可存儲直流直能的功能外，對整流器來說就像接了一只大容器電容器，其等效電容量的大小，與儲能電池容量大小成正比。由于電容兩端的電壓是不能突變的，即利用了電容器對脈沖的平滑 特性消除了脈沖干擾，起到了凈化功能，也稱對干擾的屏蔽。頻率的穩(wěn)定則由變換器來完成，頻率穩(wěn)定度取決于變換器的振蕩頻率的穩(wěn)定程度。為方便 UPS 電源系統(tǒng)的日常操作與維護，設(shè)計了系統(tǒng)工作開關(guān)，主機自檢故障后的自動旁路開關(guān)，檢修旁路開關(guān)等開關(guān)控制。 第 2 章 不間斷電源簡介 5 設(shè)備工作過程 當市電正常 380Vac 時，直流主回路有直流電壓，供給 DCAC 交流逆變器，輸出穩(wěn)定的 220V或 380Vac 交流電壓，同時市電經(jīng)整流后對電池充電。當任何時候市電欠壓或突然掉電，則由電池組通過隔離二極管開關(guān)向直流回路饋送電能。從電網(wǎng)供電到電池供電沒有切換 時間。當電池能量即將耗盡時，不間斷電源發(fā)出聲光報警，并在電池放電下限點停止逆變器工作，長鳴告警。不間斷電源還有過載保護功能，當發(fā)生超載 (150%負載 )時，跳到旁路狀態(tài)，并在負載正常時自動返回。當發(fā)生嚴重超載 (超過 200%額定負載 )時，不間斷電源立即停止逆變器輸出并跳到旁路狀態(tài)，此時前面輸入空氣開關(guān)也可能跳閘。消除故障后，只要合上開關(guān)，重新開機即開始恢復(fù)工作。 設(shè)備異常情況 使用不間斷電源是為了應(yīng)對電網(wǎng)可能出現(xiàn)的以下情況： （ 1） 停電 (電網(wǎng)停止工作，無電壓輸出 ) （ 2） 壓降 (亦稱下陷，電網(wǎng)電壓低于標稱電壓 15%20%，時間可能持續(xù)數(shù)秒 ) （ 3） 電涌 (亦稱浪涌、突波，電網(wǎng)電壓瞬間高于標稱電壓 10%以上，時間持續(xù)數(shù)秒 ) （ 4） 持續(xù)欠壓 （ 5） 持續(xù)過壓 （ 6） 線噪 (因線路屏蔽差而引入的射頻或電磁干擾 ) （ 7） 頻率漂移 (發(fā)電機不穩(wěn)定造成的電網(wǎng)頻率偏差 ) （ 8） 開關(guān)瞬態(tài) (亦稱暫態(tài)，由電氣設(shè)備開關(guān)或放電造成的電壓偏差，有時可高達20200 伏，但是持續(xù)時間極短，僅數(shù)納秒 ) （ 9） 諧波 (電網(wǎng)中由非線性特性的電氣設(shè)備產(chǎn)生的對交流電正弦波形的干擾 ) 不間斷電源發(fā)展特點 （ 1）高效率、高可靠性 UPS 由于 IT 設(shè)備不斷增多、用電量加劇、機房面積緊張、低耗節(jié)能需求等客觀 因素的存在，高效率、高可靠性的 UPS 技術(shù)倍受關(guān)注。為提高 UPS 運行效率，高性能電力電子器件不斷被研發(fā)成功并投入實際應(yīng)用，如 IGBT、 MOSFET、 GTR、智能功率模塊 IPM、MOS 控制晶閘管 MCT 等，變流技術(shù)也需要隨著電力電子器件而更新。此外，業(yè)界正逐步推廣 UPS 內(nèi)部多模塊冗余并聯(lián)運行、甚至多臺 UPS 組成的系統(tǒng)冗余運行技術(shù)，在并聯(lián)運行中，當單一模塊或單機發(fā)生故障時，其功能則自動轉(zhuǎn)由冗余單元承擔，大大提高了 UPS 供電系統(tǒng)的可靠性。 東北電力大學(xué)自動化工程學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 6 （ 2）大功率化、模塊化 由于 IT 行業(yè)迅猛發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)量 也在以爆炸式的速度持續(xù)增長，隨之而來功率消耗增大。 UPS 一方面朝著更大功率的方向發(fā)展，另一方面為應(yīng)對不間斷電源容量分期擴充的需求，產(chǎn)品模塊化已是不可阻擋的趨勢。更個性化的用戶需求、更龐大的數(shù)據(jù)中心規(guī)模及更高的維護成本使得 UPS 已不再是單純的不間斷供電設(shè)備，針對不同行業(yè)領(lǐng)域的全套電源供應(yīng)與管理解決方案才將倍受市場青睞。 行業(yè)內(nèi)針對模塊化 UPS 解決方案基本形成了兩個方向：一是單機冗余化，即通過多模塊冗余并聯(lián)構(gòu)成大功率單相或者三相 UPS，其可用性指標得到了質(zhì)的飛躍；二是全模塊化結(jié)構(gòu)，即一個模塊是一臺完整的 UPS，通過冗余并聯(lián)直接構(gòu)成中等功率 UPS，在兼顧可用性指標的同時還具有良好的性價比。 （ 3）高頻化 相比傳統(tǒng)的工頻 UPS，高頻 UPS 采用功率因數(shù)校正和高頻軟開關(guān)技術(shù)，省去了工頻電能轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，因此運行效率更高、對電網(wǎng)的諧波污染及無功消耗極小，完全能夠滿足國內(nèi)外相關(guān)電力行業(yè)的標準要求。此外，高頻電能變換裝置在減小磁性部件體積和重量、降低制造成本、遏制運行噪音、節(jié)能環(huán)保等方面效果顯著，因此越來越受到用戶認可。 （ 4）數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化 數(shù)字化技術(shù)的優(yōu)勢在當今信息社會中愈加明顯。在 UPS 產(chǎn)品的研發(fā)和制造過程 中采用全數(shù)字化技術(shù)可有效縮小產(chǎn)品體積、降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品的可靠性及針對用戶需求的匹配性；而數(shù)字化控制技術(shù)則會在 UPS 系統(tǒng)運行過程中準確及時地進行信號采樣、處理、控制（包括電壓電流環(huán)等）、通信等工作，并將各環(huán)節(jié)的控制參數(shù)優(yōu)化統(tǒng)一后發(fā)送給UPS 綜合控制單元，從而使 UPS 系統(tǒng)的運行更具效率，實現(xiàn)更簡單、更穩(wěn)定的通信與均流，并獲取優(yōu)良的電磁兼容指標。智能化主要貫穿于 UPS 系統(tǒng)的控制、檢測與通信過程中，完全由計算機管理。計算機及其外設(shè)能自主應(yīng)付一些可預(yù)見的問題，進行自動處理和調(diào)整，發(fā)出預(yù)警、告警信息等。通 信設(shè)施所處環(huán)境日趨復(fù)雜，增大了維護難度，對電源設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控管理提出了新的要求。網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)可通過對 UPS 配置與計算機互連的軟硬件接口，實現(xiàn)計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)資料的雙重保護、網(wǎng)絡(luò)遠程事件記錄和監(jiān)測控制、故障告警、參數(shù)自動測試分析等功能，使維護人員更為輕松、安全、高效地通過互聯(lián)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)查詢、控制等維護工作。 （ 5）綠色、節(jié)能、環(huán)保 在世界能源格局變化加劇，國際油價劇烈震蕩，全球能源供應(yīng)緊張的形勢下，節(jié)能環(huán)保已成為 UPS 廠商進行產(chǎn)品技術(shù)創(chuàng)新的指導(dǎo)原則。對 UPS 而言，輸入功率因數(shù)的高低表明其吸收電網(wǎng)有功 功率的能力及對電網(wǎng)影響的程度。降低電源的輸入諧波，不但能改善 UPS 第 2 章 不間斷電源簡介 7 對電網(wǎng)的負載特性，減少給電網(wǎng)帶來的嚴重污染，也能降低對其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的諧波干擾。已有許多 UPS 廠商推出的產(chǎn)品功率因數(shù)接近 1，可最大限度地減少無功功率的消耗。 設(shè)備分類與應(yīng)用 UPS 按工作原理分成后備式、在線式與在線互動式三大類。 其中，最常用的是后備式 UPS，它具備了自動穩(wěn)壓、斷電保護等 UPS 最基礎(chǔ)也最重要的功能，雖然一般有 10ms 左右的轉(zhuǎn)換時間，但由于結(jié)構(gòu)簡單而具有價格便宜，可靠性高等優(yōu)點，因此廣泛應(yīng)用于微機、外設(shè)、 POS 機等領(lǐng)域 。 后備式 UPS 電源又分為后備式正弦波輸出 UPS 電源和后備式方波輸出 UPS 電源。 后備式正弦波輸出 UPS 電源：單機輸出可做到 ~2KW，當市電在 170V~264V間變化時，向用戶提供經(jīng)調(diào)壓器處理的市電；當市電超出 170V~264V范圍時，才由 UPS提供高質(zhì)量的正弦波電源。 后備式方波輸出 UPS電源：與后備式正弦波輸出 UPS電源不同的只是為用戶提供 50Hz方波電源。 在線式 UPS 結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，但性能完善，能解決所有電源問題，如四通 PS 系列，其顯著特點是能夠持續(xù)零中斷地輸出純凈正弦波交流電，能夠解決尖峰 、浪涌、頻率漂移等全部的電源問題；由于需要較大的投資，通常應(yīng)用在關(guān)鍵設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)中心等對電力要求苛刻的環(huán)境中。 在線互動式 UPS，同后備式相比較，在線互動式具有濾波功能，抗市電干擾能力很強，轉(zhuǎn)換時間小于 4ms，逆變輸出為模擬正弦波，所以能配備服務(wù)器、路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，或者用在電力環(huán)境較惡劣的地區(qū)。 不間斷電源現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于：礦山、航天、工業(yè)、通訊、國防、醫(yī)院、計算機業(yè)務(wù)終端、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、數(shù)據(jù)存儲設(shè)備、 UPS 不間斷電源、應(yīng)急照明系統(tǒng)、鐵路、航運、交通、電廠、變電站、核電站、消防安全報警系統(tǒng)、無線通訊系 統(tǒng)、程控交換機、移動通訊、太陽能儲存能量轉(zhuǎn)換設(shè)備、控制設(shè)備及其緊急保護系統(tǒng)、個人計算機等領(lǐng)域。 東北電力大學(xué)自動化工程學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 8 第 3 章 電流檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計 單片機原理簡介 單片機是指集成在一個芯片上的微型計算機，也就是把組成微型計算機的各種功能部件，包括 CPU(Central Processing Unit)、隨機存儲器 RAM(Random Access Memory)、只讀存儲器 ROM(Readonly Memory)、基本輸入 /輸出 (Input/Output)接口電路。定時器 /計數(shù)器等部件都制作在一塊集成芯片上， 構(gòu)成一個完整的微型計算機從而實現(xiàn)微型計算機的基本功能 [6]。 AT89C51 簡述 AT89C51 提供以下標準功能： 4k 字節(jié) Flash 閃速存儲器， 128 字節(jié)內(nèi)部 RAM， 32 個I/O 口線，兩個 16 位定時 /計數(shù)器，一個 5 向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時， AT89C51 可降至 0Hz 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式 [4]。空閑方式停止 CPU的工作，但允許 RAM，定時 /計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存 RAM 中的內(nèi)容，但振蕩器停 止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復(fù)位。 AT89C51 管腳圖如下 ： 圖 AT89C51 引腳排列 第 3 章 電流檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計簡述 9 A/D 轉(zhuǎn)換電路 ADC0804 簡述 ADC0804是一個早期的 A/D轉(zhuǎn)換器，因其價格低廉而在要求不高的場合得到廣泛應(yīng)用。ADC0804 是一個 8 位、單通道、低價格 A/D 轉(zhuǎn)換器，主要特點是：模數(shù)轉(zhuǎn)換時間大約 100us；方便的 TTL 或 CMOS 標準接口；可以滿足差分電壓輸入；具有參考電壓出入端；內(nèi)含時鐘發(fā)生器；單電源工作時（ 0V5V）輸入信號電壓范圍是 0V5V；不需要調(diào)零等等 [2]。 ADC0804 管腳圖如下： 圖 ADC0804 管腳圖 ADC0804 外圍電路以及與單片機的鏈接圖 圖 ADC0804 外圍電路圖 東北電力大學(xué)自動化工程學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 10 調(diào)整變阻器 HAUBLAN20K，使輔助參考端 VREF 腳得到 V標準參考電壓。在CLKIN、 CLKOUT 端設(shè)計 RC 振蕩電路，由于 ADC0804 頻率限制在 100～ 1460 kHz，通過對頻率公式 F=1／ ()的計算，選擇電阻 R=20k，電容 C=200pF，即可得到符合設(shè)計要求的頻率。 圖 ADC0804 與單片機的的鏈接圖 數(shù)碼管顯示電路 74HC4511 管腳與工作原理 本設(shè)計選用 74HC4511 作為驅(qū)動芯片 ,以七段數(shù)碼管管作為顯示器件的顯示模塊最為系統(tǒng)的輸出 .為了數(shù)碼管的保險器件 .我們在數(shù)碼管與驅(qū)動芯片之間加 1K 歐姆的電阻作為限流電阻 ,保證驅(qū)動芯片以及數(shù)碼管的安全運行 74HC4511 管腳圖如 圖 ： 第 3 章 電流檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計簡述 11 七段數(shù)碼管引腳與工作原理 在單排年級 應(yīng)用系統(tǒng)和智能化儀器儀表中廣泛使用各種顯示器來顯示數(shù)據(jù)文字或者是圖形畫面，其中最常用的顯示器是 LED(發(fā)光二級管顯示器 )，因為它具有驅(qū)動電路簡單，配臵靈活方便，功耗低響應(yīng)速度快，可靠性高以及易于實現(xiàn)而且價格低廉等優(yōu)點 [7]。 LED 顯示實際上是由若干發(fā)光二級管構(gòu)成的，當發(fā)光管導(dǎo)通時，相應(yīng)的一個點或者是一個筆畫發(fā)光，控制不同組合的二極管導(dǎo)通，就能顯示出各種字符。 圖 發(fā)光管接入電路的具體接法 系統(tǒng)整體電路原理圖 基于單片機的霍爾電流電流檢測系統(tǒng)的原理圖如圖 7 所示，系統(tǒng)由一個主控系統(tǒng)和一個 檢測模塊組成。被測電流通過 ACS712 芯片時，該芯片利用霍爾效應(yīng)，將被測電流轉(zhuǎn)換成 0~5V DC 模擬信號，該模擬量經(jīng) A/D 裝換變成數(shù)字量。 A／ D 采樣處理模塊主要是對從ADC0804 采集來的數(shù)據(jù)進行處理，完成對二進制數(shù)據(jù) BCD 碼的轉(zhuǎn)換，并且通過 Pl 口輸出顯示， Pl 口的低 4 位輸出 BCD 碼，高 4 位為數(shù)碼管的片選信號。 ADC0804 與 AT89C51