摘 要

UPS，即不间断电源，就是将蓄电池（多为铅酸免维的蓄电池）与主机相连接，通过主机逆变器等装置模块将DC直流电转换成市电的系统，主要用于给重要设备提供不间断的电能供应。UPS的分类方法很多，根据UPS的电路结构、不间断供电的及其人们的习惯，UPS可以分成后备式、双变换在线式、在线互动式和双变换电压补偿在线式4种。本次设计采用的是双变换在线式UPS，当电网系统正常时，由电网进过AC/DC、DC/AC两次的变换后给负载端进行供电；而当电网发生异常时，由蓄电池经过一次的DC/AV变换对负载端进行供电。

目前，市面上为了提高解决功率因数，普遍采用的是使用SPWM调控整流器来实现解决这个问题，但是传统的整流二极管变成了可控器件，这样不光严重增加了成本，而且还加入了复杂的控制策略，基于这两个问题，本次设计加入PFC电路来实现提高功率因数，从另外一个角度来解决这个问题。

本文简单介绍了不间断电源UPS的发展趋势和现阶段所存在的突出问题进行解决，并针对其中一个电网领域，即舰船电网进行研究和讨论，为了提升其安全性、可靠性以及高效性，自行设计研发了一款高功率因数的船用不间断电源系统，以满足当下任务的需要。

从硬件电路上来讲，UPS是一个非常复杂的控制系统，可以分成滤波电路、整流器、充电装置、蓄电池组件、逆变器、控制单元。针对电能利用率不高以及电路不方便检测故障点进行实时保护这两个突出的问题，本次设计加入了PFC功率因数校正装置来解决利用率不高的问题，引入电压检测电路以及液晶屏进行实时显示开检测故障点。

关键词：船用不间断电源UPS；整流器；逆变器；PFC功率因数校正

Abstract

UPS, the uninterrupted power supply, is the connection between the battery and the mainframe, which converts the DC/DC to the market by the mainframe inverter and other device modules, which is mainly used to supply uninterrupted power supply to the important equipment. There are many kinds of UPS classification methods. According to the circuit structure of UPS, uninterrupted power supply and people's habit, UPS can be divided into 4 types: backup type, double transform online, online interactive and double transform voltage compensation online. This design uses double transform online UPS. When the power grid system is normal, power supply is supplied to the load end after the power grid has been transformed into AC/DC and DC/AC two times. When the power grid is abnormal, the battery is supplied by the DC/AV transformation to the load end.

At present, in order to improve the power factor to improve the power factor, it is generally adopted to use SPWM to control the rectifier to solve this problem. But the traditional rectifier diode becomes a controllable device, so the cost is greatly increased, and the complex control strategy is added. Based on these two problems, the design is added to the P FC circuit to improve power factor, from another point of view to solve this problem.

This paper briefly introduces the development trend of uninterruptible power supply UPS and the outstanding problems existing in the present stage. In order to improve its safety, reliability and efficiency, an uninterruptible power supply system with high power factor is designed and developed in order to improve its safety, reliability and efficiency. In order to meet the needs of the present task.

From the hardware circuit, UPS is a very complex control system, which can be divided into filter circuit, rectifier, charging device, battery component, inverter and control unit. In view of the two outstanding problems, such as low utilization rate of electric energy and real-time protection of fault points by circuit inconvenient detection, this design adds the PFC power factor correction device to solve the problem of low utilization, and introduces voltage detection circuit and liquid crystal screen to display the fault point in real time.

Key Words: Marine uninterruptible power supply UPS; rectifier; inverter; PFC power factor correction

目 录

第1章 绪论1

1.1 研究目的及其意义1

1.2 国内外研究发展现状趋势分析2

1.3 应用领域及前景3

1.4 设计内容4

1.5 本章小结4

第2章 高功率因数UPS设计方案及原理分析5

2.1 总体设计5

2.2 整流器设计5

2.2.1 整流器数学模型5

2.3 充电装置设计6

2.3.1 蓄电池充电方式确定6

2.3.2 蓄电池充电电路设计7

2.4 PFC功率因数校正装置设计7

2.4.1 工作原理介绍7

2.5 逆变器设计7

2.5.1 拓扑结构介绍7

2.5.2 SPWM控制介绍8

2.5.3 逆变器控制策略设计9

2.6 滤波电路设计10

2.6.1 滤波器数学模型10

2.7 辅助功能装置设计 11

2.7.1 液晶屏实时显示11

2.7.2 输入输出电压电流保护及原理12

2.8 本章小结12

第3章 高功率因数UPS硬件系统13

3.1 滤波电路硬件系统设计13

3.1.1 滤波硬件电路图13

3.1.2 选型及其参数确定13

3.2 逆变器硬件系统设计14

3.2.1 逆变器硬件电路图14

3.2.2 物理模型转化为控制模型15

3.2.3 选型及其参数确定16

3.3 PFC电路硬件系统设计17

3.3.1 PFC电路硬件电路图17

3.3.2 选型及其参数确定18

3.4 变压整流器硬件部分设计19

3.4.1 变压整流器硬件电路图19

3.4.2 选型及其参数确定19

3.5 充电器硬件系统设计20

3.5.1 充电器硬件电路图20

3.5.2 选型及其参数确定20

3.6 辅助功能装置硬件电路图21

3.6.1 辅助电源设计21

3.6.2 液晶显示屏控制电路22

3.6.3 采样检测电路22

3.7 整体硬件电路图23

3.8 本章小结24

第4章 高功率因数UPS软件系统25

4.1 CPU主控制软件系统25

4.2 逆变器软件系统25

4.3 蓄电池充电器软件系统27

4.4 液晶显示屏软件系统28

4.5 本章小结28

第5章 高功率不间断电源Matlab仿真29

5.1 总体仿真框图29

5.2逆变器仿真结果29

5.3高功率因数实现仿真图30

5.4本章小结31

第6章 结论与展望32

参考文献33

致谢34

1. 绪论

1.1研究目的及其意义

船舶作为现代生活不可缺少的一部分，无论是在旅游出行，货物进出口等不同的交通运输领域都扮演着十分重要的角色，为了让船舶供电系统的稳定并且安全的运行，一般会有3套供电系统：1.主供电系统、2.应急电源、 3.直流蓄电池供电系统。在一般的情况下，船舶靠主供电系统进行供电，但是当发生突发情况时，主供电系统暂时无法供电时，不间断电源（UPS）就可以缓解燃眉之急，临时取代主电源，对于不间断电源（UPS）这门技术而言，是一个新兴的产业具有很大的潜力，过去的UPS产品由于电力电子技术以及制作工艺水平不高，供电时间短，智能化性能差，随着相关技术的不断完善，它的使用性能得到了不断的加强，现在正朝着体积小型化，功率因数高效化，可靠性元件化，动态性优良化，功能全方位化，控制性能灵活化的特性方向不断发展。在技术快速发展的当今USP(EPS)产品越来越全面，包括从EPS到极大的三相USP供电系统，为了满足人们在不同领域中的使用需求。

传统的UPS有以下几种功能：

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