中小功率应急电源系统设计

湖南文理学院课程设计报告湖南文理学院课程设计报告 课程名称 专业课程设计 院 部 电气与信息工程学院 专业班级 自动化 07101 班 学生姓名 指导教师 完成时间 2010 12 26 报告成绩 评阅意见 评阅教师 日期 中小功率应急电源系统设计中小功率应急电源系统设计 一 前言一 前言 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再严格 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 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 UPs 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置 UPS 和允许短时电源中断的应急电 源装置 EPS 两种 柴油发电机组至今已经有五 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的问题 如柴油机发电机噪音大 排烟中含有有 害气体 污染大气等 但是的它的发电容量大 在大容量的场合 依然有应用 UPS 是不间断电源 但是它一般用于计算机 办公设备等场合 对环境要求比较高 鉴于上述的两种备用电源的局限性 EPS 应用而生 EPS Emergency Powr Supply 全称应急电源供电系统 它在紧急的情况作为重要负荷的第二或第三电源供 给 不同程度上替代 UPS 和柴油发电机组产品 逆变电源的发展是和电力电子器件的发展联系在一起的 器件的发展带动着 逆变电源的发展 逆变电源出现于电力电子技术飞速发展的 20 世纪 60 年代 到目前 为止它已经历了三个发展阶段 第一代逆变电源的特点是采用晶闸管作为逆变器的开关器件 第二代逆变电源的特点是采用自关断器件作为逆变器的开关器件 自 20 世纪 70 年代后期 各种自关断 器件模块相继实用化 极大地推动了逆变电源的发展 第三代逆变电源的特点是采用了数字控制技术 使逆变电源的性能得到提高 数 字技术的引入 使得第二代逆变电源对非线性负载的适应性不强以及动态性能不好的 缺点到解决 1 11 1 设计内容 设计内容 研究应急电源的主要拓扑结构 正确设计系统控制电路及各功能电路 对系统工作原理进行分析 完成主要程序流程图及关键程序的设计 1 21 2 设计的基本要求 设计的基本要求 对应急电源的系统结构及具体性能进行综合比较研究 确定中小功率应用电源系 统拓扑结构 设计一款输出功率为 10KW 等级的应急电源 1 31 3 设计目的 设计目的 通过解决实际问题 巩固和加深在专业课程中所学的理论知识 基本掌握单片机 应用电路 电力电子技术等的一般设计方法 提高电路的设计和实验能力 加深对单 片机软硬知识 电力电子器件及工作原理的理解 利用所学的专业理论知识进行软硬 件整体设计 锻炼学生理论联系实际 提高学生的综合应用能力 训练学生综合应用 已学课程的基本知识 独立进行专业课程设计和开发工作 掌握单片机程序设计 调 试和应用电路设计 分析及调试检测和以单片机核心的电路设计的基本方法和技术 通过设计 能培养学生综合运用其所学知识的能力 独立分析问题与解决问题的能力 能培养其创新意识与能力 学到许多实际设计与应用方面的基本知识与基本技能 如 理论分析 实验与仿真研究 文献检索与阅读 计算机操作与语言文字表达等 为 以后的工作打下良好的基础 二 中小功率 二 中小功率 10KW10KW 电源具体设计方案 电源具体设计方案 2 12 1 问题分析问题分析 中小功率应急电源在现代家庭 小型企业及银行等得到广泛应用 其发展也很迅速 本设计采用目前较为流行的主电路双向拓扑结构 2 22 2 总体设计思想 总体设计思想 与一般的 EPS 电路不同 主电路均采用双向拓扑 主电路原理框图如下 负载 蓄电池组 双向DC DC 电路 滤波电路 双向PWM 变换器 AT89S52 控制 检测 告 警 市电 负 载 接触器 其工作原理是 1 当电网正常时 市电输入电压一路直接向负载供电 一路经双 向 pWM 变流器全控整流后再由双向 DC DC 电路降压 给蓄电池充电 2 当电网出现故 障时 接触器开关关断 切断负载与电网的连接 蓄电池放电 经双向 DC DC 电路升 压后 由双向 PWM 变流器逆变将直流电压转化成交流电压 供给负载 可见 双向 PWM 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 DC DC 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 这样就简化了 EPS 电路结构 很好地解决了传统 EPS 电路的 缺陷 2 32 3 中小功率电源的原理图如下 中小功率电源的原理图如下 系统主电路图 2 3 12 3 1 双向 双向 DC DCDC DC 变流器的工作原理变流器的工作原理 双向 DC DC 变流器由电感 L IGBT 双管 T7 T8 及续流二极管 D7 D8 组成 如图 所示 该双向 DC DC 电路有两种工作模式 升压模式 降压模式 I I 升压模式 升压模式 当蓄电池放电时 双向 DC DC 电路工作在升压模式 该升压电路有电感 L IGBT T8 和续流二极管 D7 组成 在升压模式下 双向 DC DC 电路有两种工作状态 工作状态 1 当 T8 导通时 蓄电池电压加到储能电感 L 的两端 二极管 D7 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 中 同时 提 供给负载的电能由滤波电容 Cd 放电来供给 工作状态 2 当 T8 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 和徐电磁串联放电提供通路 电流流经二极管至负载和滤波电容 Cd 这样 储能电感 L 和蓄电池就一起向复负载和滤波电容 Cd 提供能量 IIII 降压模式 降压模式 当蓄电池充电时 双向 DC DC 电路工作在降压模式 该降压电路由电感 L IGBT T7 和续流二极管 D8 组成 在降压模式下 双向 DC DC 电路有两种工作状态 工作状态 1 当 T7 导通时 二极管 D8 处于反偏截止状态 电流通过储能电感 L 向 蓄电池供电 并同时向滤波电容个 C0 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 L 中 工作状态 2 当 T7 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 是续流二极管导通 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 滤波电容是为了降低输出电压的脉动而加入的 2 3 22 3 2 双向 双向 SPWMSPWM 变流器变流器 I I PWMPWM 逆变逆变 当电网发生故障时 蓄电池通过双向 DC DC 电路升压放电 这时 双向 PWM 变流 器工作在逆变器状态 将直流电压变换成交流电压在经过低通滤波器向负载提供稳定 的三项正弦电压 如图所示 双向 PWM 电路 上图是三相电压型逆变电路 电路中直流侧通常只有一个电容器就可以了 和单 相半桥 全桥逆变电路相同 电压型三相桥式逆变电路的基本工作方式也是 180 度导 电方式 即每个桥臂的导电角度为 180 度 同一相上下交替导电 各相开始导电的角 度依次相差 120 度 在任一瞬间 将有三个桥臂同时导通 可能是上面一个臂下面两 个臂 也可能是上面两个臂下面一个臂同时导通 IIII PWMPWM 整流整流 由 SPEM 逆变电路的工作原理可知 按照正弦波和三角波相比较的方法对电路中的 T1 T6 进行 SPWM 控制 就可以砸瞧的就留输入端产生一个 SPWM 波 Uab Ubc Uca 它 们中含有核正弦信号波同频率且幅值成比例的基波分量 以及和三角波载波有关的频 率很高的谐波 而不含有低次此谐波 由于电感 Ls 包括外接电抗器的电感和交流电 源内部电感 的滤波作用 告辞谐波电压只会是交流电流 is 产生很小的脉动 可以忽 略 这样 当正弦信号波的频率和电源频率相同时 is 也为与电源频率相同的正弦波 2 3 32 3 3 蓄电池 蓄电池 目前在 EPS 中被广泛使用的是无需维护的密封式铅酸蓄电池 设计中使用 18 个 12V 的 蓄电池 电极反应如下 充电 2PbSO4 2H2O PbO2 Pb 2H2SO4 电解池 阳极 PbSO4 2H2O 2e PbO2 4H SO42 阴极 PbSO4 2e Pb SO42 放电 PbO2 Pb 2H2SO4 2PbSO4 2H2O 原电池 负极 Pb SO42 2e PbSO4 正极 PbO2 4H SO42 2e PbSO4 2H2O 三 控制电路三 控制电路 3 13 1 SPWMSPWM 产生电路产生电路 本设计主控器件采用 AT89S52 为了提高系统的可靠性 spwm 有专用的集成芯片 AD9833 产生 波形产生部分包括 AD9833 高速运放 AD8021 以及恒温振荡器等 AD9833 产生的信号幅值仅为 0 65V 为了提高控制精度 先经高速运放 AD8021 放大再 送入相应的模拟比较器 AD8021 的 490MHz 的带宽足以保证信号的无失真放大 3 23 2 IGBTIGBT 的驱动的驱动 传统 IGBT 驱动器有 EXB840 EXB841 等 其特点是驱动电源需要四路隔离电源 这无 疑使得驱动电路变得复杂 美国国际整流器公司生产的专用芯片 IR2132 只需要 1 个供 电电源即可驱动三相桥式逆变电路的 6 个功率开关器件 可以是整个驱动电路变得简 单可靠 IR2132 可以用来驱动工作在母线电压不高于 600V 的电路中的功率器件 输出 最大正向峰值驱动电流为 250mA 二反向峰值驱动电流为 500mA 它内部设计有过流 过压 欠压保护 封锁和指示网络 内部自举技术的巧妙运用使其可以用于高压系统 它还可以对同一桥臂上下两个功率器件的门极驱动信号产生 0 8us 互锁延时时间 它 自身内部工作和电源电压的范围较宽 3 20V 其内部结构图和驱动接线图如下 IR2132 内部结构图 IR2132 接线图 3 33 3 采样电路设计 采样电路设计 3 3 13 3 1 电压采样 电压采样 1 市电电压 2 直流侧电压 3 蓄电池端压 4 三相输出交流电压 3 3 23 3 2 电流采样 电流采样 1 双向 DC DC 电路的储能电感电流 2 双向 PWM 变流器的三相滤波电感电流 电压 电流的采样均采用霍尔传感器 霍尔传感器是一种应用霍尔效应工作原理 通过检测磁场变化 转变为电信号输出的传感器模块 本系统中采用的霍尔传感器是 南京托肯电子科技有限公司生产的电压传感器 TBV10 25A 和电流传感器 TBC50LA 它们 可分别用于测量直流 交流和脉冲电压与电流 并且有 精度高 低温漂 宽频带 反 应快 良好的的线性度 无插入损失 抗干扰能力强和电流过载能力等特点 经电压 电流霍尔传感器采样得到的电压 电流信号还不能直接送入单片机进行处理 需要转 换成单片机能够接受的信号才行 从传感器获得的信号首先经过电压跟随器 然后经 过电平变换 接到 AD 转换器的输入口 有单片机实时采样 3 43 4 控制器电源 控制器电源 控制芯片电源如图所示 市电通过降压变压器 桥式整流 和滤波之后 送入 7818 和 7915 产生正负 15V 电源 为正 负 15V 供电的芯片供电 通过三 端可调稳压器 稳压为 5V 电压 为单片机等芯片供电 图中为画 出 四 系统软件设计四 系统软件设计 主程序流程图 Y Y 开始 初始化 N 采样市电 过压或欠压或断电 采样蓄电池 切断市电 Y 电量充足 N Y 充电采样输出电压 N Y 电压正常 采用输出电流 N 封锁输出 过流 N 结束 Y 封锁输出 市电正常 逆变输出 市电正常 N 复位按键按下 外部中断 开放输出 禁止逆变输出 五 设计体会五 设计体会 为期两周的专业课程设计结束了 通过这次的课程设计 我不仅加深了对单片机 电力电子技术等理论的理解 将理论知识应用到实际当中去 解决实际问题 锻炼了我 们的实践能力 也是对我们以后的实际工作能力的具体训练和考察过程 而且我还学 会了如何去培养我们的创新精神和团队精神 从而不断地战胜自己 超越自己 更重 要的是 我在这一设计过程中 学会了坚持不懈 不轻易言弃 本次专业课程设计让我学到许多东西 课程设计培养了严肃认真和实事求是的科 学态度 培养了吃苦耐劳的精神以及相对应的工程意识 同学之间的友谊互助也充分 的在设计当中体现出来 本次专业课程设计培养了我们查阅资料的能力 为了获得更 多的关于中小功率应急电源的设计资料 在老师和同学的帮助下 从图书馆和网上找 了很多的资料 浏览了给个时期的应急电源的设计 我获益匪浅 在老师的推荐下 我使用了一款电力电子仿真软件 Psim 并利用该软件成功的对主电路进行了仿真 由于本组成员设计能力有限 不足之处还望老师批评指正 六 主电路仿真图六 主电路仿真图 说明 第一幅图是三相信号波和三角载波 第二幅图是一个 IGBT 的门控信号 第三幅 图是输出的一相对假想直流电压中点的电压 第四幅图是输出的线电压 第五幅图是 输出相电压 七 单片机源程序七 单片机源程序 include include define uchar unsigned char define uint unsigned int define AD1674H XBYTE 0 x7FFF AD1674 读操作时高 8 位地址以及启动 地址 define AD1674L XBYTE 0 xFFFF AD1674 读操作是低 4 位地址 sbit P1 0 P1 0 CD4501 A sbit P1 1 P1 1 CD4501 B sbit P1 2 P1 2 CD4501 C sbit P1 3 P1 3 市电正常指示 sbit P1 4 P1 4 市电断电指示 sbit P1 5 P1 5 市电过压指示 sbit P1 6 P1 6 市电欠压指示 sbit P1 7 P1 7 负载过载指示 sbit P2 0 P2 0 过载声音警报 sbit P2 1 P2 1 市电开通控制 sbit P2 2 P2 2 spwm 信号控制 sbit P2 3 P2 3 输出控制 sbit P2 4 P2 4 升压斩波信号控制 sbit P2 5 P2 5 降压斩波信号控制 sbit P2 7 P2 7 AD1674 的 A0 sbit P3 2 P3 2 复位 sbit P3 6 P3 6 AD1674 读写控制 sbit P3 7 P3 7 同上 uchar powerflag 正常为 0 断电为 1 过压为 2 欠压 为 3 int outvoltage uchar code discode 10 0 xc0 0 xf9 0 xa4 0 xb0 0 x99 0 x92 0 x82 0 xf8 0 x80 0 x90 void reset interrupt 0 if powerflag 0 P2 1 1 else P2 2 1 int ADconvert AD 转换子程序 int Data Data1 AD1674H 0 Data 10 while Data Data1 AD1674H Data Data1 Data Data 4 Data Data1 return Data void display int vol SBUF discode vol 100 while TI TI 0 SBUF discode vol 100 10 while TI TI 0 SBUF discode vol 10