（电力电子与电力传动专业论文）新型三相应急电源主电路研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t an o v e lc i r c u i to ft h r e e p h a s ee m e r g e n c yp o w e rs u p p l y ( e p s ) i si n t r o d u c e di nt h i s p a p e r i no r d e r t oo v e r c o m et h es h o r t c o m i n go f c o m p l e xc o n f i g u r a t i o no ft h et r a d i t i o n a le p s c i r c u i t ，t h eb i d i r e c t i o n a lt o p o l o g i e sa r ea p p l i e dt ot h i se p sc i r c u i t t h e r e f o r e ，t h i sc i r c u i th a s s o m em e r i t so f s i m p l ec o n f i g u r a t i o n ，i n t e l l i g e n t ，l o wc o s t ，e t c t h i s p a p e rp u t se m p h a s i so n t h et w ob a s i cc o m p o n e n t so ft h i se p sc i r c u i t ：b i d i r e c t i o n a l d c d cc o n v e r t e rm a db i d i r e c t i o n a lp w mc o n v e r t e r t h r o u g ht h ea n a l y s e so no p e r a t i n g p r i n c i p l e s ，c i r c u i tc o n f i g u r a t i o n sa n d c o n t r o ls t r a t e g i e so ft h e s et w oc o n v e r t e r s ，i ti ss h o w e d t h a tt h e s et w oc o n v e r t e r sc a nb e p r o p e r l y u s e di nt h i se p sc i r c u i t b a s e do nt h ea n a l y s e so ft h ep r i n c i p l e so ft h i se p sc i r c u i t ，t h em a i nc i r c u i td e s i g ni s p r o p o s e di nd e t a i l w ea l s oi n t r o d u c e st h ed e s i g no ft h ea u x i l i a r yc i r c u i t s ，s u c ha st h ec o n t r o l c i r c u i t ，t h ea u x i l i a r yp o w e rc i r c u i t ，t h ep r o t e c t i o nc i r c u i t ，t h es a m p l i n gc i r c u i t ，a n ds oo n w h a t sm o r e ，i na l l u s i o nt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h i se p sc i r c u i t ，w ea l s oi n t r o d u c e st h e d e s i g nm e t h o d so f t h et h e r m a ld e s i g n ，t h e3 dd e s i g na n dt h ed cb u sd e s i g n ， f i n a l l y ，b a s e d o nt h ep r i n c i p l ea n a l y s i sa n dt h es y s t e md e s i g n ，w eb u i l das i m u l a t e c i r c u i ta n dae x p e r i m e n t a lp r o t ot y p e t h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n ts h o w s t h a tt h i se p sc i r c u i ti sn o to n l yf e a s i b l eb u ta l s oa d v a n c e d k e y w o r d s ：t h r e e - p h a s ee m e r g e n c y p o w e r s u p p l n b i d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e r t e r b i d i r e c t i o n a lp w mc o n v e r t e r i i 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 本章主要简要介绍了应急电源e p s 的特点，及其与柴油发电机组和u p s 相对比的优 缺点，并在与传统e p s 电路相比的基础上提出了一个新的e p s 电路拓扑。 1 1 应急电源概述 社会发展越信息化、现代化就越依赖于电，突然的断电必然会给人们的正常生活 秩序和社会的正常运转造成破坏。特别是对于一级负荷中特别重要的负荷，一旦事故中 断供电将会造成重大的政治影响或经济损失，然而电力故障突发性强，往往不以人们 的意志为转移，因为无论供电部门管理得荐严格，电网设施再先进，断电也在所难免。 因此，除正常的电网供电电源外，还必须增设应急电源 4 “。常用的应急电源可有下列 几种： a 独立于正常电源的发电机组； b 供电网络中有效地独立于正常电源的专门馈电线路； c 蓄电池供电的不间断电源( u p s ) 和应急电源。 但多年来，运行经验表明，电气故障是无法限制在某个范围内部的，电力部门从未 保证过不断电。因此，应急电源应是与电网在电气上独立的各种电源，即柴油发电机和 蓄电池。其中蓄电池供电的有不间断电源装鼍( u p s ：u n i n t e r r u p t a b l e p o w e rs u p p l y ) 和允许短时电源中断的应急电源装置( e p s ：e m e r g e n c y p o w e r s u p p l y ) 两种。 1 1 1 柴油发电机组 柴油发电机组目前已为大部分工程所采用。由于柴油发电机的容量较大，可并机运 行且连续供电时间长，所以至今已经有五、六十年的历史了，然而，随着社会的进步， 需求的提高，这种传统的做法也暴露出许多问题，主要有： ( 1 ) 柴油发电机噪音大，产生公害； 浙江大学硕士学位论文 ( 2 ) 排烟中有大量的二氧化硫，污染大气，严重影响环保； ( 3 ) 在高层建筑中，柴油发电机组一般放在地下室，造价高，进风、 冷却、排烟、减震、消音等设施都需要充分考虑； ( 4 ) 日常维护必须到位，维护成本高； ( 5 ) 存在火灾隐患。因为油罐象一个极为危险的“炸弹”，万一失火，后果难以设 想； ( 6 ) 宿动时间较长。 1 1 2u p s u p s 是英文u n i n t e r r u p t i b l ep o w e rs u p p l y 的缩写，即不间断供电电源，人们习 惯将其简称为u p s 。u p s 不仅仅是一个备用电源，它还具备电力净化的功能。随着计算机、 各种办公设备、精密电子仪器的普及，u p s 得到了广泛的应用。没有电就没有切，u p s 作为不可或缺的电力保障和净化设备已为广大用户认可，连供电质量较佳的欧美、日本 等国家都将u p s 视为标准设备l ”。 u p s 的主要功能可以归纳为五个方面： ( 1 ) 双路电源之间的瞬时无间断相互切换功能： ( 2 ) 隔离功能； ( 3 ) 电压变换功能； ( 4 ) 频率变换功能： ( 5 ) 后备功能。 综上所述，u p s 既可保证对负载供电的连续性，又可保证给负载供电的质量。 l - 1 1 3e p s e p s ( e m e r g e n c yp o w e rs u p p l y ) 全称应急电源供电系统。是应用i g b t 逆变技术， 以c p u 控制，采用高电子集成整体模块化结构的强弱电一体化系统。它在紧急的情况作 为重要负荷的第二或第三电源供给，可望成为不少场合的u p s 、柴油发电机组的替代产 品【3 9 1 。 e p s 有如下一些特点： ( 1 ) 采用i g b t 逆变技术、p w m 脉宽调制技术、c p u 控制技术。技术先进，自动切换， 2 浙江大学硕士学位论文 无人值守； ( 2 ) 非应急时基本不耗电，高度节能。正弦波供电，稳压、稳频，无噪音、无公害 ( 3 ) 多合一结构，设计整体化为单个屏、箱、柜。安装方便综合造价低，性价比高 寿命长达2 0 年以上； ( 4 ) 工程设计不需更改主接线，即可替代原有产品实施。无需消噪、排烟、消防 的附加要求，占地极少。 e p s 的应用范围广泛，主要适用于： ( 1 ) 高层建筑的电梯、中央空调、消防水泵及风机及应急照明； ( 2 ) 金融证券监控、金融设施、数据及钞券验析，金库保护等特殊用电； ( 3 ) 军用雷达、移动电站、人防、消防、安防及通讯、广播的连续供电； ( 4 ) 医院、手术、科研、实验、超市、商场人员集中地的供电； ( 5 ) 工厂、企业的中央控制室，关键运转设备的供电。 1 2e p s 主要优点 1 2 1e p s 与柴油发电机组相比 柴油发动机作为传统的备用应急电源，广泛应用于宾馆、饭店，及其它重要负荷的 供电场所。柴油发电机组是一种传统的应急电源模式，虽然目前大部分已建工程采用这 种方式作为一级符合( 包括特别重要负荷) 的第二或第三电源，然而，随着供电电网的 好转，停电次数和断电时间已经明显地减少和缩短，特别是随着环保和消防要求的提高， 、。指标。一薯釜巍p s5 誓jl i 誓j j 爱警：一。t 。柴滴发电桃组j 一1 。结论 。 ，f ：r? 3 ， 启动时间 繇保 快 鬻l 鬻豢熬熬；囊震黧豢溪黎溱然 维护维护简单，可无人值守，自动操需要专人看管，需要定期维护好 作，可计算机监控 作，可计算机监控 浙江大学硕：l 学位论文 供电状况 供电电压稳定，频率稳定，波形电压不稳，频率不稳，效率低好 好，无干扰，效率高 过载及保过载能力强，保护功能完善，电 护源容量与负载功率比为l ：1 过载能力弱，保护功能差，电好 源容量与负载功率比为1 5 ：l 造蜷豁霉黉獭熬麟鬻鬻黉囊黪簿黪 行成本；i 用，电池霹稽环使用驰。二妻i ；o b 凌- i |满i i 藏续运褥费糟：多”| 4 _ _ _ | 。； 表卜le p s 与传统柴油发电机组相比的优势 1 2 2e p s 与u p s 相比 e p s 干i u p s 郡米用，i g b t 逆受技术和脉宽调制p w m 技术，但是由于e p s 允许短时间( 为 0 】秒) 中断供电，而u p s 贝u 要求连续不i n j 断供电。 他们的区别列于表12 ，e p s 与u p s 相比的优势列于表卜3 。 j 囊鬻：黉蘩篓蘩豢麟饕鬻萋攀繁辫；慧黪攀誊i 攀 切换时间小于0 i s小于l o m s 灞甍囊辫霪；灏瓣耩蘸蘸蓥囊黼；鋈l 鬻辫i 鬻臻耩，鏊藕； 服务对象电机、水泵、风机照明等 、， 、 - “7 ：t 。o o 一t 、， 嵩零甍i 蟥黪辫蘩麟饕8 l g 黪懑豢。 工作目的确保应急供电万无一失 计算机类以及精密仪器 、，。 ；t 。，叫 - j 囊i 鬻瓣垒蒸蓑霪毒豢叠 确保供电不间断和稳压 i 囊裹獯篱鬻鬻鬻黧黎蒸囊囊纂i 蠢鬟黼藜蒸鬻蒸冀囊藕薏爨蒸i 爨纛 表1 2e p s 与u p s 的主要区别 价格约为同容量u p s 主机价格的6 0 价格比较昂贵 寿命 ：暴溪瓢城媾臻悉版地互俦 、蠢凳群鬟盼麓。1 ；”强：誊，茹1 一一，、”r 。? 懑冁烈囊蒸冀蒸娶黎慧 戮誊强搿? 1 0 i i + 。 。i 结论 价格优势 明显 、；寿命相对 黎豢，i 浙江大学硕士学位论文 环境要适应恶劣环境，可在任何地下对环境要求较高，只能放在计环境要求 求室、管井等处放置算机房或有空调的房间低 ? 。囊黪i 溪缫骥罐孥黎鬻缫藜攀群攀粪醺蠛 j 虞暖j0 ；o 二镁i 神髓壤黪察糍莲誉j i 鬈；，0 辫诗簿攥雾端蔑j ：；、j ：奠! 性强? 。 o ， 、；。j7 卜，” ”1 拳孽”，矗堪托oo 等，n ：。韪也o n ”，、a、o 。t ，。一。 表卜3e p s 与u p s 相比的优势 综上所述，e p s 可以作为一种可靠的绿色应急供电电源，它尤其适用于当没有第 二路市电，又不便于使用柴油发电机组的场合，既可以采用类同于柴油发电机组的配电 方案，也适用于些工程在局部重要场合作为末端应急备用电源。 随着社会的进步和发展，环境要求的不断提高，e p s 以其特有的优越性越来越被人 们认识和采用，它可以灵活地运用在消防供电回路末端、个别重要场合等。e p $ 的出现， 使得在选择应急电源上，不再只局限于柴油发电机组干n u p s 。人们可以根掘这三者各自 不同的特点分别应用于不同的工程，这将为整个社会的安全提供更有利的保障。 1 3 本论文研究的主要内容 本文提出了一种新型的三相应急电源电路。由于e p s 常应用在消防、照明等大功率 场合，因此，研究应用于大功率负荷或系统中应急供电的三相应急电源，有重要意义， 将产生很大的社会和经济效益。 1 3 1 传统e p s 电路的局限性 由于应急电源e p s 是由后备式u p s 电路发展而来的，因此传统的e p s 电路与后备式 u p s 电路非常相象，如图1 1 所示。其工作原理是：( 1 ) 当市电正常时，e p s 工作在市电 旁路工作状态，输入市电负载供电。同时市电通过整流电路向蓄电池充电。( 2 ) 当市电 出现故障( 无市电，市电电压过高或过低) 时，转换开关切换到逆变器输出端，e p s 工作 在逆变状态，由蓄电池经逆变器转换成交流电给负载供电。 浙江大学硕十学位论文 市 输 图卜l 传统e p s 电路 在向蓄电池充电时，传统f , p s 电路常常采用三相不控整流的方式。采用不控整流方 式的整流器存在从电网吸取畸变电流，造成电网的谐波污染，而直流侧能量无法回馈电 网等缺点。为了消除谐波并提高功率因数，一般在整流桥后还要设计一级p f c ( p o w e r f a c t o rc o r r e c t i o n ) 电路。 而且，出于降低成本方面的考虑，常常需要尽量减少蓄电池的个数。这样又需要为 蓄电池设计专门的充电和放电电路。充电电路要将市电整流后较高的直流电压降低到较 低的蓄电池充电电压：而放电电路又要将较低的蓄电池电压升高到较高的逆变器所需的 直流端压。 因此，传统的e p s 一股要设计不控整流一 p f c 一 充电一 蓄电池一 放电一 逆变器这样一 系列电路，结构相当复杂，控制也比较繁琐。 1 3 2 新型的三相应急电源电路 针对传统e p s 电路的缺点，我们提出了种新型的e p s 电路。 与一般的e p s 电路不同，主电路均采用双向拓扑，其原理框图如图1 2 所示。其工作 原理是：( 1 ) 5 电网正常时，市电输入电压一路直接向负载供电，一路经双向p w m 变流器 全控整流后再由双 自 d c d c 电路降压，给蓄电池充电。( 2 ) 当电网出现故障时，静态开关 关断，切断负载与电网的连接，蓄电池放电，经双向d c d c 电路升压后，由双向p w m 变流 器逆变将直流电压转化成交流电压，供给负载。 浙江大学硕士学位论文 图卜2 系统原理框图 可见，双向p w m 变流器，既可以实现市电正常时的整流和功率因数校正，也可以实 现市电故障时的逆变；双向d c d c 电路，即可以实现在市电正常时的降压功能给蓄电池 充电，也可以实现市电故障时的升压功能。这样就简化- i e p s 电路结构，很好地解决了 传统e p s 电路的缺陷。 图1 - 3 系统主电路图 图卜3 所示的是本系统的主电路图。t t 。六个i g b t 及其反并二极管构成的三相 浙江大学硕士学位论文 桥组成双向p w m 变流器；l p 、c ，为低通滤波器：由t ，t h 及其反并二极管和电感l 组成 双向d c d c 电路对蓄电池进行充放电；由电流、电压互感器分别检测被控电流、电压， 送入d s p 芯片，由d s p 处理器经过约定的控制算法进行运算，产生p _ i v m 控制信号，经过 驱动去控制所有的开关管动作。 综上所述，本文提出了一种新型的三相应急电源e p s 主电路。这种电路克服了传统 e p s 电路的缺陷，大大简化了电路结构，从而降低了成本。整个系统应用了全数字控制 技术，控制硬件和软件应用了美国德州仪器公司推出的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 型数字控制器 ( d s p ) 。因此，实现了e p s 产品的绿色化、智能化和低成本的要求。 浙江大学硕士学位论文 第二章双向d c d c 变流器 本章主要介绍了双向d c d c 电路的工作原理，及其在蓄电池充放电电路中的应用。 2 1双向d c d c 变流器的工作原理 双向d c d c 变流器由电感l ，i b g t 双管t 7 、t 8 ，及续流二极管d 7 、d 8 组成，如图 2 1 所示。 之辞珥c ： = | u 。j ：f f ”习。c r 4 、眦u 。：苎士平鑫。c r 4 、1 i 该双向d c d c 电路有两种工作模式：升压模式和降压模式。 2 1 1 双向d c d c 变流器的升压模式 当蓄电池放电时，双向d c d c 电路工作在升压模式。该升压电路由电感l ，i g b tt 8 和续流二极管d 7 组成，如图2 2 所示。在升压模式下，双向d c d c 电路有两种工作状 态： u o 蓄电池 u d 浙江大学硕士学位论文 图2 - 2 双向d c d c 电路的升压模式 工作状态1 ：当t 8 导通时，蓄电池电压加到储能电感l 的两端，二极管d 7 处于反 偏截止状态，电流通过储能电感l 将电能转换成磁能存在储能电感l 中。同时，提供给 负载的电能由滤波电容c d 放电来供给。其等效电路如图2 3 ( a ) 所示。 工作状态2 ：当t 8 截止时，储能电感两端的电压极性颠倒，二极管变为正偏，为 储能电感l 和蓄电池串联放电提供通路，电流流经二极管至负载和滤波电容c d 。这样 储能电感i j 和蓄电池就一起向负载和滤波电容c d 提供能量。其等效电路如图2 3 ( b ) 所 不。 ( a ) ( b ) 图2 - 3 ( a ) i g b t 导通时的等效电路( b ) i g b t 关断时的等效电路 2 1 2 双向d c d c 变流器的降压模式 当蓄电池充电时，双向d c d c 电路工作在降压模式。该降压电路由电感h ，i g b t t 7 和续流二极管d 8 组成，如图2 - 4 所示。在降压模式下，双向d c d c 电路有两种工作状 态： u o 蓄电池 图2 - 4 双向d c d c 电路的降压模式 u d 工作状态l ：当t 7 导通时，二极管d 8 处于反偏截止状态，电流通过储能电感l 向 浙江大学硕| ：学位论文 蓄电池供电，并同时向滤波电容c o 充电，电流通过储能电感l 将电能转换成磁能存在 储能电感1 中。其等效电路如图2 - 5 ( a ) 所示。 工作状态2 ：当t 8 截止时，由于储能电感的电流不能突变，所以在它的两端便感 应出一个与原来极性相反的自感电势，使续流二极管导通。此时储能电感l 便把原先储 存的磁能转换成电能供给蓄电池。滤波电容c o 是为了降低输出电压u o 的脉动而加入的。 其等效电路如图2 5 ( b ) 所示。 ( a )( b ) 图25 ( a ) i g b t 导通时的等效电路( b ) i g b t 关断时的等效电路 2 2 免维护铅酸蓄电池概述 在e p s 中，广泛使用蓄电池作为储存电能的装置。蓄电池需先用直流电源对其充电， 将电能转化为化学能储存起来。当市电中断时，e p s 将依靠储存在蓄电池中的能量维持 其逆变器的正常工作。此时，蓄电池通过放电将化学能转化为电能提供给e p s 使用。 目前在e p s 中被广泛使用的是无需维护的密封式铅酸蓄电池。它的价格比较贵，一 般大约占e p s 生产成本的1 4 2 5 左右。而在返修的e p s 中，出于蓄电池故障而引起 的e p s 不能正常工作的比例大约占t 3 。由此可见，深入了解蓄电池的工作原理，正确 地使用好蓄电池组，对e p s 无故障运行意义极大【2 ”。 2 2 1 免维护铅酸蓄电池的工作原理 免维护蓄电池的工作原理基本上仍沿袭传统的铅酸蓄电池，它的正极活性物质是二 氧化铅( p b 0 2 ) ，负极活性物质是海绵状金属铅( p b ) ，电解液是稀硫酸( h 2 8 0 4 ) ，其电 浙江大学硕士学位论文 极反应方程式如下： 正极：只s q + 2 也0 0 2 + l r s o ；+ 3 日+ + 2 8 负极：只| s l d 4 + + + 2 p 只+ 娜0 彳 整个蓄电池反映方程式为： 2 e s o j + 2 h 2 0 ；兰b + 只( 忑+ 2 s 0 4 免维护蓄电池在结构、材料上做了重要改进，正极板采用铅钙合金或铅镉合金、低 锑合金，负极板采用铅钙合金，隔板超细玻璃纤维隔板，并采用紧装配和贫液设计工 艺技术，整个蓄电池化学反应在密封塑料蓄电池壳内进行，出气孔上加上单向的安全阀。 这种蓄电池结构，在规定充电电压下进行充电时，正极析出的氧( 0 2 ) 可通过隔板通道 传送到负极板表面，还原为水( h 2 0 ) ，其反应式如下： 讵极：2 h ，o 斗d + 4 日+ + 4 e 负极：2 h + 2 e 斗鸠个 2 只p + 2 h 2 s o , j2 p s 0 4 + 2 h 2 0 这是免维护蓄电池特有的内部氧循环反应机理。在这种充电过程中，电解液中的水 几乎不损失，使蓄电池在使用过程中达到不需加水的目的。 由于经过了上述的重要改进，免维护蓄电池具有体积小、重量轻、自放电小、维护 少、寿命长、使用方便、对环境无污染等优良特性。与传统的铅酸蓄电池相比，在使用、 维护和管理上有着明显的优点： ( 1 ) 使用方便。免维护蓄电池只需严格控制充电电压，根据浮充使用和循环使用的 不同要求，采用规定的电压进行恒压充电，无需值班人员过多关注蓄电池组的充电过程， 不需添加蒸馏水，也不必经常检测电解液的比重及温度，只需定期检测蓄电池端压和放 电容量。 ( 2 ) 安装简便。免维护蓄电池已经进行过充放电处理，为荷电出厂，所以用户在安 装和使用时，无需再进行烦琐的初充电过程。 ( 3 ) 安全可靠。免维护蓄电池采用密封结构，可竖放或卧放使用，无酸雾，无有毒、 有害气体溢出。由于蓄电池采用恒压充电制，蓄电池内部实现氧循环过程，水损失很少， 即使偶尔过充，少量的气体可通过安全阀向外排出，蓄电池壳不至于因压力过大而爆裂。 浙江大学硕士学位论文 2 2 2 免维护铅酸蓄电池的应用 尽管免维护铅酸蓄电池的生产厂家采取各种办法极力减少氢气和氧气的析出，使它 们尽量消化在电池内部，但是绝对控制氢气和氧气的析出是不可能的。从这方面说，全 封闭免维护铅酸蓄电池不是免维护而是少维护。因此，在使用中应遵循下列原则： ( 1 ) 密封铅酸蓄电池可允许运行在一1 5 。c 5 0 。0 的温度范围内，但在5 c 3 5 c 之内 使用可延长蓄电池寿命，在2 0 2 5 范围内使用将获得最高寿命。 ( 2 ) 每节2 v 的免维护蓄电池的浮充电压为2 3 v ，1 2 v 蓄电池的浮充电压为1 3 8 v 。 相对于2 v 的蓄电池，单节蓄电池放电终止电压在满负荷情况下为1 6 7 v ，在低放电率 情况下( 小电流、长时间放电) 要升高至1 7 l8 v 。 ( 3 ) 蓄电池应存放在于燥、凉爽的环境中。长时间存放的蓄电池每6 个月必须充电 一次。 ( 4 ) 免维护蓄电池都配有安全阀，当蓄电池内部气压升高到一定程度时安全阀可自 动排除过剩气体，在内部气压恢复时安全阀会自动恢复。 ( 5 ) 蓄电池的周期寿命( 充放电次数) 取决于放电率、放电深度和恢复性充电的方 式。其中最重要的因素是放电深度。在放电率和时间一定时，放电深度越浅，蓄电池周 期寿命越长。 ( 6 ) 免维护蓄电池意味着可以不用加液，但定期检查外壳有无裂缝、电解液有无渗 漏等仍是必要的。 2 2 3 免维护铅酸蓄电池的选择及充放电 2 2 3 1 蓄电池的容量配置 蓄电池容量要根据蓄电池实际放电电流和所要求的备用时间来决定。选择蓄电池的 容量时，应先计算出要求放电的电流值，然后根据蓄电池生产厂家提供的放电特性曲线 和用户要求的备用时间进行选择。 ( 1 ) 蓄电池最大放电电流的计算 蓄电池最大放电电流值可按下式计算1 3 0 】： 。：p c = o s q ( 2 - i )1 ”。 玎n e “ 浙江大学硕士学位论文 式中： i , n a x 蓄电池最大放电电流值( a ) p e p s 额定输出功率( w ) c o s d o e p s 输出功率因数 玎e p s 逆变效率 n 蓄电池组中的单体蓄电池数 e 蓄电池放电终了电压 ( 2 ) 放电电流的计算 由于在放电过程中蓄电池的放电电流是变化的，蓄电池刚放电时的电流明显小于最 大放电电流。根据蓄电池的放电状态，一般取0 7 5 作为校正因数。蓄电池实际所 需的放电电流为： i = 0 7 5 。 ( 2 2 ) ( 3 ) 蓄电池容量的计算 计算出蓄电池实际所需的放电电流值后，再根据所要求的备用时恻按照蓄电池生产 ，一家所提供的蓄电池放电特性曲线找出要求蓄电池组提供的放电速率，按下式计算出要 求配置的蓄电池容量： 蓄电池容量c 爿肋= 童羔薯笔麓葛暮誊筹 c 。书， 2 2 3 2 免维护铅酸蓄电池的充放电 新的蓄电池在安装完毕后，一般要进行一次较长时间的充电，这叫初充电。蓄电池 的初充电电流大小应按照说明书的规定值或按额定容量1 1 0 的电流来进行初充电。蓄 电池在放电终了可进行再充电，这叫正常充电。正常充电时，最好采用分级定流充电方 式，即在充电初期用较大电流，充电一定时间后，改用小电流，至充电后期采用更小电 流。这种充电方法的充电效率较高，它所需充电时间较短，充电效果也好，并且对延长 蓄电池寿命有利。 蓄电池实际放出的容量与放电电流有关。放电电流越大，蓄电池的效率越低。所以 应避免大电流放电，提高蓄电池的效率。放电深度对蓄电池使用寿命的影响也非常大， 蓄电池放电深度越深，其循环使用的次数就越少。一般放电深度控制在3 0 5 0 为宜。 1 4 浙江大学硕士学位论文 另外，放电电路应该具备蓄电池低电位保护功能，当单节蓄电池电压低于其放电终了电 压时，应停止放电。 2 3 利用双向d c i d c 电路实现蓄电池的充放电 在e p s 设计中，直流母线电压u d 是一个很重要的数据，因为u d 值的高低将影响到 整个系统的格局：从减小电路馈电损耗和分布电感的影响出发，希望在功率器件电压耐 量允许的条件下尽可能提高u d 值，即采取高压低电流格局；但从减少电池串联个数， 提高功率密度，降低电源成本的角度出发，则希望尽可能的降低u d 值。可以看出将蓄 电池直接与直流母线连接的方案很难于使设计优化，而由电感l ，i g b tt ，、t 。及其反 并二极管d 7 、d 8 组成的双向d c d c 电路有效地解决了这一问题。 2 3 1 蓄电池放电电路 当电网发生故障时，蓄电池放电，双向d c d c 变流器工作在升压模式。由l ，t 8 ，d 7 组成一个b o o s t 升压电路，通过调整t 8 的占空比，可以将较低的蓄电池电压升压到三 相逆变器所需要较高的直流母线电压u d ，如图2 6 所示。这样可以大大减少蓄电池串 联个数，从而降低了成本。 图2 - 6 蓄电池放电电路 一般放电电路常采用传统的电压型控制方法，如图2 - 7 所示。直流输出电压u d 的 采样值u d f 与基准电压u d r 比较后产生的误差信号再与三角波比较，从而得到控制t 8 管 开关的p w m 信号。 浙江大学硕士学位论文 n 抓 图2 7 传统电压型控制方法 这种控制方法通过负反馈使得直流端输出电压可控，可以实现输出直流电压的恒压 控制，向逆变器提供稳定的直流电压。然而，由于只是电压单环控制，而没有电流控制 环节，就使得储能电感的电流不可控。因为系统逆变器输出的负载是在工频情况下工作 的，就使储能电感l 上的电流变成了2 倍工频频率的有较大高频纹波的脉动的电流，如 图2 8 ( a ) 所示。尤其当负载是非线形负载的时候，脉动的电流峰值非常大，使储能电 感很容易就饱和，如图2 8 ( b ) 所示。因此，在电压型控制方法的情况下，必须设计大 电流容量的储能电感，以防止电感饱和。而更大的电流容量就意味着储能电感的尺寸就 越大，重量就越重，同时成本也越高i8 1 。 0 i 渤瀚 p h a s e 0 e g l ( a ) 在线性负载情况下 ( b ) 在非线性负载情况下 图2 8 电压型控制方式下储能电感l 上的电流波形 为了解决上述问题，我们将电流型控制方法应用在此放电电路上，以抑制储能电感 上的峰值电流，如图2 - 9 所示。直流输出电压u d 的采样值u d f 与基准电压u d r 比较后 产生的误差信号作为电流环基准与电流采样值进行比较。其误差信号再与三角波比较， fvc弛jj3u 浙江大学硕十学位论文 从而得到控制t 8 管开关的p w m 信号。 ud l 图2 9 电流型控制方法 通过这种电流型控制方法，直流输出端输出由基准电压u d ，控制的恒定的电压u d 。 与此同时，储能电感上的电流也受到电压环误差信号的控制。由于电压环误差信号是一 个纹波很小的直流信号，因此储能电感上的电流就被控成为无低频纹波的电流，如图 2 1 0 所示。n c l ，即使e p s 负载为有较高峰值电流的非线形负载，储能电感的峰值电 流依然会被限制在很小的范围内。这样降低了电感饱和的可能性，从而减小了电感的尺 寸和重量，降低了电感的体积。 图2 1 0 电流型控制方式下储能电感l 上的电流波形 2 3 2 蓄电池充电电路 当电网恢复正常时，蓄电池处于充电状态，双向d c d c 变流器工作在降压模式。 由l ，t 7 ，d 8 组成一个b u c k 降压电路，通过调整t 7 的占空比，可以将较高的直流母线电 压降e , n 蓄电池允许较低的充电电压，实现对蓄电池的充电，如图2 - i l 所示。 浙江大学硕士学位论文 图2 - 1 1 蓄电池充电电路 u d 在传统恒压充电电路中，初期充电电流较大，对蓄电池寿命有很大影响所以一般蓄 电池充电电路采用分级充电电路，即在充电初期采用恒流充电，当蓄电池端电压达到其 浮充电压后，则采用恒压充电，如图2 - 1 2 所示。 浚分级充电电路可以通过如下的控制实现，如图2 1 3 所示。在充电初期，对蓄电 池组先采用恒流充电，给定电流限制在o 2 5 c ( c 是蓄电池组容量) ，利用电流单环p w m 控制，使流到蓄电池的电流不至于过大；当蓄电池容量达到8 0 左右，即检测到端压 上升到2 3 v 单体( 2 5 0 c ) 时，转为恒压充电，给定电压2 3 5 v 单体，利用电压单环p w m 控制，对蓄电池进行浮充充电：当检测到充电电流下降到c 6 0 时，可认为蓄电池组基 本充满。 图2 1 2 蓄电池分级充电电压电流示意图 图2 1 3 蓄电池充电控制 1 8 p w m 浙江太学硕士学位论文 2 4 双向d c i d c 电路的设计 2 4 1 主电路参数设计 2 4 1 1 开关管的选择 双向d c d c 电路的开关管t 7 、t 8 及二极管d 7 、d 8 ，可以由集成在起的双管i g b t 模块构成。其中d 7 和d 8 分别是i g b tt 7 和t 8 的反并二极管。 i g b t 与m o s f e t 和g t r 相比，更适用于大功率场合。但是它也有两个缺点：( 1 ) 由 于有两个串联的p n 结，它的饱和压降比较高( 2 ) 由于有较长的拖尾电流，增加了开关损 耗，并对开关频率有一定的限制。 不过随着i g b t 越来越广泛的工作在各种场合，很多半导体公司都对其做了深入的 研究，使得i g b t 在性能上得到了很大的改善，并且将继续改善。目前，饱和电压已经 从大约4 v 降低到2 v ；拖尾时间也从大约5 a s ，缩短到现在大约只有l o o n s 。 一般来说，我们主要根据i g b t 上承受的最大电压和流过i g l 3 t 二的最大电流两个重 要指标来选择合适的i g b t 。对于本双向d c d c 变流器，这两个指标可以由如下公式得 到： u 。= u d 。 ( 2 4 ) ， 1 4 p 。z i ( 2 5 ) 钿“心 、一 式中：u i g b t 上承受的最大电压 u ，一直流母线上的最大电压 i 。i g b t 上流过的最大电流 尸蓄电池端输出功率 仉。直流母线上的最低电压 浙江大学硕士学位论文 2 4 1 2 储能电感l 的设计 储能电感l 的大小可f h 如下公式得到 ：g t d ( - d ) 2 工。c o c ( j 1 ) i o m 式中：直流端电压 1 开关周期 d 占空比 ，。临界连续电流 。最小负载电流 2 4 1 3 蓄电池端滤波电容的设计 ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) 为了使蓄电池两端电压脉动量砜满足设计要求，应用式( 2 8 ) 可以确定滤波电容 c 。的大小。 c 。= 篙 ( 2 - 8 ) 式中： 直流端电压 r 开关周期 l 储能电感 一一蓄电池两端电压脉动量 2 4 2 驱动电路的设计 i g b t 的驱动电路采用了富士公司生产的i g b t 专用驱动集成片e x b 8 4 1 。与分立元件 的驱动电路相比，它有体积小、效率高、可靠性高的优点。 e x b 8 4 1 的内部结构简图如图2 一1 4 所示。由图可见，e x b 8 4 1 有如下特点：( 1 ) 内部 2 0 浙江大学硕士学位论文 封装了用于高隔离电压的光耦；( 2 ) 单电源供电；( 3 ) 内装有过流保护电路；( 4 ) 有过 流保护输出( 5 ) 单列直插式封装使得其具有高密度的安装方式。 图2 1 4e x b 8 4 1 的内部结构图 e x b 8 4 l 是十六脚封装，各引脚的功能如表2 一l 所示。 引脚号码功能说明 1 连接用于反偏置电源的滤波电容，与1 g b t 发射极相接 2 电源端( + 2 0 v ) 3 驱动输出 4外接电容器，防止过流保护误动作 5 过流保护输出 6 i g b t 集电极电压监视 7 8 不接 9 电源地端 1 0 ，l l 不接 1 2 ，1 3无 1 4 驱动信号输入( 一) 1 5 驱动信号输入( + ) 1 6无 表2 - 1e x b 8 4 1 各引脚功能 图2 1 5 是e x b 8 4 1 的典型应用电路。在使用时，应注意如下方面：( 1 ) i g b t 栅射极 2 l 浙江大学硕士学位论文 驱动回路接线一定要小于1 米( 2 ) i g b t 栅射极驱动接线应为绞线( 3 ) 如果在i g b t 集电 极产生大的电压尖脉冲，那么增加i g b t 的栅串联电阻( 4 ) 4 7 虾的电容器是为了吸引由 于电源接线附抗引起的供电电压变化，它并不是电源滤波器用的电容器。 2 ：光耦台器 图2 一t 5e x b 8 4 1 的典型应用电路 浙江大学硕士学位论文 第三章双向p w m 变流器 本章主要介绍了双向p w m 变流器的两种工作模式逆变和整流及其工作原理，并 简要介绍了智能功率模块i p m 的原理和应用。 3 1 三相p w m 逆变器 当电网发生故障时，蓄电池通过双向d c d c 电路升压放电，这时，双向p w m 变 流器工作在逆变器状态，将直流电压变换成交流电压再经过低通滤波器向负载提供稳定 的三相正弦电压，如图3 1 所示。 逆变器 图3 1 双向p w m 变流器工作在逆变器状态 图3 一l 所示的逆变器实际上是一个电压型的三相半桥逆变器。其负载选用星形连 接，其中点为o ，直流电源侧假想的中点为0 。这种逆变器由于串联了两个相同容量的 大电容，因此可以使中点电位不漂移，因而具有较强的带不平衡负载的能力。 浙江大学硕士学位论文 3 1 1 三相逆变器的工作原理 三相逆变电路一般采用s p w m 调制方式，即三相逆变器中的三相输出桥臂的控制信 号由三角载波和正弦波调制波相比较给出。每个桥臂上下两个开关管的触发脉冲时间互 补，并且对于三个逆变桥臂采用相同的三角载波与各自不同的正弦调制波进行比较。如 图3 2 所示。 图3 - 2 三相s p w m 逆变电路的工作波形 2 4 ( a ) ( b ) ( c ) ( d ) 4 3 6 5 2 如如如如魄如 浙江大学硕士学位论文 3 1 1 1 控制脉冲时序分布 载波信号为对称的三角波，如图3 - 2 ( a ) 所示，其幅值为己，频率为六；调制信号 为三相正弦波“。，和“。，按图选坐标有： “g d2 u s i n c o t “9 6 2 u s 。s i n ( c o f 一詈万) “g 。= u s i n ( o ) t + 万) ( 3 一1 ) 式中：u 。为调制波峰值； c o = 2 z f ，厂为逆变器输出电压频率。 由图可见，频率比k 为： k ：粤：；：5( 3 2 ) 厂z 、 调制比m 为： ：孕( 3 3 ) u 。 、 7 必须指出，选择较低的k 值是为了画图简便，在实际应用中，按照目前功率器件的 开关性能，k 值应选得远远高于上述值。根据三角波“。和调制波“。的交点，可以决定各 相控制脉冲时序，如图3 2 ( b ) 所示。由图可见，各脉冲时序有如下特点： ( 1 ) 各相上下桥臂控制脉冲在相位上互补； ( 2 ) 任何时刻，有三个控制脉冲处于高位，其他则处于低位； ( 3 ) 控制脉冲的宽度受控于m 值。 3 1 1 2 三相桥臂中点电位 由于各相上下桥臂控制脉冲在相位上互补，因而上下桥臂开关也以互补的方式轮流 导通，故桥臂中点对电源中性点0 的电压为双极性s p w m 波。以a 相为例，a 点对0 的电压u a o t 可表示为： 2 5 浙江大学硕士学位论文 u d u d 当正或d 。导通时 当疋或d 。导通时 ( 3 - 4 ) 由式( 3 - 4 ) 可见，。r 的波形与b 9 1 波形相仿，只是电压幅值不同而已。其余两相类 推。 3 1 1 3 输出电压分析 在1 】1 的条件下，在三相s p w m 逆变电路中有： ， 洲。= m 睾( 3 5 ) 上 式中：洲。为a 相对直流电源中点o 间电压的基波分量的峰值。因此a 相对直流电 源中点o 间电压的基波分量的有效值。为： u 。 = = = - - ! l , 22 ( 3 - 6 ) 由于0 与负载中点0 之间虽然有交变的方波电压，但无基波分量电压，因此有： 叱洲= 乩d 。( 3 7 ) 式中：u a 0 1 为a 相相电压基波有效值。其他两相可依次类推。 根据三相正弦交流电路，线电压基波有效值与相电压基波有效值之间有以下关系： u 日l = , 3 u a 0 1( 3 - 8 ) 将式( 3 - 6 ) 和( 3 - 7 ) 代入上式有： u 。，：4 7 - , 7 肌u d = 0 6 1 2 m u di 。；， ( 3 9 ) 上式表明，在m l 和一定的条件下，u a 。与m 成线性关系。 由式( 3 - 9 ) ，直流电压利用率为： 铲等= 0 6 1 2 m k 。 ( 3 1 0 ) 塑鋈查兰堡主兰堡堕塞一 3 1 1 4 频率比k 的选择 在单相s p w m 逆变电路中k 应选为奇数值，使得输出波形具有奇函数对称和半波对 称的性质，因此输出电压中只有奇次谐波，富氏级数中仅包含正弦项。而在三相电路中 k 值可按下式选择 k ：6 n 一3( 3 1 1 ) 式中n 为正奇数，于是k 也为正奇数，且是3 的倍数。当k 为正奇数时，输出电压谐波 将聚集在以k ( 及其整数倍) 次谐波为中心所形成的双边频带上。这样，例如在考察1 a a o 和“自d 的k 次谐波时，其相位差为k 1 2 0 。，若k 为3 的整数倍，则该相位差为零( 或者 3 6 0 。的整数倍) ，结果就是线电压“。中无k 次( 及其整数倍) 谐波。这对提高输出电 压的正弦度和减少t t t d 大有好处。 3 1 1 5 负载对电路工作的影响 ( 1 ) 在纯阻性负载的情况下，逆变器三相输出的电流与电压相位相同。因此，在 任何时刻中各桥臂只有可控元件i