新型三相應(yīng)急電源的研究與設(shè)計說明

1、 .PAGE78 / NUMPAGES84目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc292957517摘要 PAGEREF _Toc292957517 h IHYPERLINK l _Toc292957518Abstract PAGEREF _Toc292957518 h IIHYPERLINK l _Toc292957519第1章緒論 PAGEREF _Toc292957519 h 1HYPERLINK l _Toc2929575201.1 應(yīng)急電源的應(yīng)用背景 PAGEREF _Toc292957520 h 1HYPERLINK l _Toc2929575211.

2、2 應(yīng)急電源的分類 PAGEREF _Toc292957521 h 2HYPERLINK l _Toc2929575221.3 應(yīng)急電源的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 PAGEREF _Toc292957522 h 2HYPERLINK l _Toc2929575231.3.1 EPS應(yīng)用現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc292957523 h 2HYPERLINK l _Toc2929575241.3.2 EPS發(fā)展趨勢 PAGEREF _Toc292957524 h 3HYPERLINK l _Toc2929575251.4 本文的主要研究容 PAGEREF _Toc292957525 h 4HYPER

3、LINK l _Toc292957526第2章系統(tǒng)方案設(shè)計與認(rèn)證 PAGEREF _Toc292957526 h 5HYPERLINK l _Toc2929575272.1 系統(tǒng)方案 PAGEREF _Toc292957527 h 5HYPERLINK l _Toc2929575282.2 論證分析 PAGEREF _Toc292957528 h 6 HYPERLINK l _Toc292957529 第3章應(yīng)急電源主電路工作原理與設(shè)計 PAGEREF _Toc292957529 h 8HYPERLINK l _Toc2929575303.1 雙向DC/DC變流器 PAGEREF _Toc29

4、2957530 h 8HYPERLINK l _Toc2929575313.1.1 雙向DC/DC變流器的工作原理 PAGEREF _Toc292957531 h 8HYPERLINK l _Toc2929575323.1.2 雙向DC/DC電路的設(shè)計 PAGEREF _Toc292957532 h 9HYPERLINK l _Toc2929575333.2 蓄電池概述 PAGEREF _Toc292957533 h 10HYPERLINK l _Toc2929575343.2.1 鉛酸蓄電池的工作原理 PAGEREF _Toc292957534 h 10HYPERLINK l _Toc292

5、9575353.2.2 常用的鉛酸蓄電池分類 PAGEREF _Toc292957535 h 10HYPERLINK l _Toc2929575363.2.3 蓄電池的充電特性 PAGEREF _Toc292957536 h 11HYPERLINK l _Toc2929575373.2.4 電池容量的選擇 PAGEREF _Toc292957537 h 12HYPERLINK l _Toc2929575383.3 雙向PWM變流器 PAGEREF _Toc292957538 h 12HYPERLINK l _Toc2929575393.3.1 PWM逆變電路 PAGEREF _Toc29295

6、7539 h 12HYPERLINK l _Toc2929575403.3.2 PWM整流電路 PAGEREF _Toc292957540 h 16HYPERLINK l _Toc2929575413.3.3 雙向PWM電路設(shè)計 PAGEREF _Toc292957541 h 19HYPERLINK l _Toc2929575423.4 本章小結(jié) PAGEREF _Toc292957542 h 20HYPERLINK l _Toc292957543第4章應(yīng)急電源控制系統(tǒng)原理與設(shè)計 PAGEREF _Toc292957543 h 21HYPERLINK l _Toc2929575444.1 雙向

7、DC/DC電路的控制波形的產(chǎn)生 PAGEREF _Toc292957544 h 21HYPERLINK l _Toc2929575454.2 PWM逆變電路的控制波形的產(chǎn)生 PAGEREF _Toc292957545 h 22HYPERLINK l _Toc2929575464.2.1 SA4828概述 PAGEREF _Toc292957546 h 22HYPERLINK l _Toc2929575474.2.2 SA4828的工作原理 PAGEREF _Toc292957547 h 23HYPERLINK l _Toc2929575484.2.3 SA4828參數(shù)計算 PAGEREF _T

8、oc292957548 h 25HYPERLINK l _Toc2929575494.3 PWM整流電路的控制與波形產(chǎn)生 PAGEREF _Toc292957549 h 26HYPERLINK l _Toc2929575504.3.1 間接電流控制 PAGEREF _Toc292957550 h 26HYPERLINK l _Toc2929575514.3.2 直接電流控制 PAGEREF _Toc292957551 h 28HYPERLINK l _Toc2929575524.3.3 PWM整流控制波形的產(chǎn)生 PAGEREF _Toc292957552 h 29HYPERLINK l _To

9、c2929575534.4 驅(qū)動電路的設(shè)計 PAGEREF _Toc292957553 h 30HYPERLINK l _Toc2929575544.5 信號處理電路 PAGEREF _Toc292957554 h 31HYPERLINK l _Toc2929575554.6 蓄電池充電控制 PAGEREF _Toc292957555 h 31HYPERLINK l _Toc2929575564.6.1 充電方法 PAGEREF _Toc292957556 h 31HYPERLINK l _Toc2929575574.6.2 充電方法選擇 PAGEREF _Toc292957557 h 33H

10、YPERLINK l _Toc2929575584.6.3 蓄電池性能檢測 PAGEREF _Toc292957558 h 33HYPERLINK l _Toc2929575594.7 CAN總線與其通信 PAGEREF _Toc292957559 h 34HYPERLINK l _Toc2929575604.7.1 簡介 PAGEREF _Toc292957560 h 34HYPERLINK l _Toc2929575614.7.2 基本概念 PAGEREF _Toc292957561 h 34HYPERLINK l _Toc2929575624.7.3 CAN控制器與計算機(jī)的接口技術(shù) PA

11、GEREF _Toc292957562 h 35HYPERLINK l _Toc2929575634.7.4 SC2102 CAN總線PCI插卡 PAGEREF _Toc292957563 h 35HYPERLINK l _Toc2929575644.7.5 通信協(xié)議 PAGEREF _Toc292957564 h 38HYPERLINK l _Toc2929575654.7.6 P8xC591中CAN控制器寄存器設(shè)置 PAGEREF _Toc292957565 h 39HYPERLINK l _Toc2929575664.8 P8xC591簡介 PAGEREF _Toc292957566 h

12、 43HYPERLINK l _Toc2929575674.8.1 特性 PAGEREF _Toc292957567 h 43HYPERLINK l _Toc2929575684.8.2 概述 PAGEREF _Toc292957568 h 43HYPERLINK l _Toc2929575694.8.3 脈寬調(diào)制輸出 PAGEREF _Toc292957569 h 44HYPERLINK l _Toc2929575704.8.4 ADC功能簡介 PAGEREF _Toc292957570 h 45HYPERLINK l _Toc2929575714.9 輔助電源電路 PAGEREF _Toc

13、292957571 h 46HYPERLINK l _Toc2929575724.10 本章小結(jié) PAGEREF _Toc292957572 h 47HYPERLINK l _Toc292957573第5章抗干擾簡析 PAGEREF _Toc292957573 h 48HYPERLINK l _Toc2929575745.1 干擾源 PAGEREF _Toc292957574 h 48HYPERLINK l _Toc2929575755.2 耦合機(jī)制 PAGEREF _Toc292957575 h 48HYPERLINK l _Toc2929575765.3 干擾防治措施 PAGEREF _T

14、oc292957576 h 48HYPERLINK l _Toc292957577第6章系統(tǒng)軟件設(shè)計與仿真 PAGEREF _Toc292957577 h 49HYPERLINK l _Toc2929575786.1 蓄電池充電程序設(shè)計 PAGEREF _Toc292957578 h 49HYPERLINK l _Toc2929575796.2 CAN接收中斷服務(wù)程序設(shè)計 PAGEREF _Toc292957579 h 50HYPERLINK l _Toc2929575806.3 查詢控制發(fā)送程序設(shè)計 PAGEREF _Toc292957580 h 51HYPERLINK l _Toc2929

15、575816.4 主程序設(shè)計 PAGEREF _Toc292957581 h 51HYPERLINK l _Toc2929575826.5 外部復(fù)位中斷程序設(shè)計 PAGEREF _Toc292957582 h 51HYPERLINK l _Toc2929575836.6 定時器T0中斷服務(wù)程序設(shè)計 PAGEREF _Toc292957583 h 52HYPERLINK l _Toc2929575846.7 軟件仿真 PAGEREF _Toc292957584 h 53HYPERLINK l _Toc2929575856.8 本章小結(jié) PAGEREF _Toc292957585 h 56HYPE

16、RLINK l _Toc292957586總結(jié) PAGEREF _Toc292957586 h 57HYPERLINK l _Toc292957587參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc292957587 h 58HYPERLINK l _Toc292957588致 PAGEREF _Toc292957588 h 59HYPERLINK l _Toc292957589附錄A 系統(tǒng)電路圖 PAGEREF _Toc292957589 h 60HYPERLINK l _Toc292957590附錄B 源程序 PAGEREF _Toc292957590 h 61畢業(yè)設(shè)計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原

17、創(chuàng)性聲明本人重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文），是我個人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作與取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得與其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了意。作 者 簽 名：日 期：指導(dǎo)教師簽名： 日期：使用授權(quán)說明本人完全了解大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字

18、化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉咳?。作者簽名： 日 期：摘 要隨著社會的發(fā)展，高層建筑、醫(yī)院以與工廠等公共設(shè)施對供電要求將越來越高,一旦中斷供電，將會造成重大的事故或經(jīng)濟(jì)損失,本文提出了一種可減少這種損失的應(yīng)急電源。本文對一種在線式三相應(yīng)急電源的工作原理進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，其基本工作原理為：當(dāng)市電正常時，負(fù)載由市電供電；當(dāng)市電異常時，負(fù)載由蓄電池供電。主電路由雙向PWM電路、雙向DC/DC電路、蓄電池和濾波電路等組成，通過分析它們的電路結(jié)構(gòu)、工作原理、設(shè)計和控制策略，闡述了它們在EPS電路中的應(yīng)用。系統(tǒng)控制技術(shù)采用PWM技術(shù)，其中三相逆變器采用專門的

19、三相SPWM波發(fā)生器SA4828。本文提出的EPS還具有遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能，下位機(jī)（P8xC591）通過CAN總線與上位機(jī)（PC）進(jìn)行相互通信，下位機(jī)檢測到的狀態(tài)信息可以與時地反饋給上位機(jī)，由上位機(jī)實時顯示系統(tǒng)工作的狀態(tài)曲線。本設(shè)計的優(yōu)點(diǎn)是功率因數(shù)較高，啟動時間短，應(yīng)急速度快，無噪聲，維護(hù)簡單，可以無人值守。最后，在理論分析和系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)上，應(yīng)用計算機(jī)仿真軟件Psim對系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。關(guān)鍵詞：三相應(yīng)急電壓，雙向DC/DC電路，雙向PWM變流器，CAN總線，蓄電池AbstractWith the development of society, such communal facilities as

20、 the High-rise buildings, hospital and factory, etc. will be higher and higher to the demand for supplying power.The interruption of the supply will lead to grave accident or economic losses.This paper presents a new emergency power supply to reduce such losses.In this paper,we systematically analys

21、is a on line three-phase emergency power supply,The basic working principle is: The loads supplied by grid when the grid voltage is normal; The loads supplied by batteries when the grid voltage is abnormal.The main circuit is consist of bidirectional PWM converter,bidirectional DC/DC converter, batt

22、eries and filter circuit.By analyzing their circuit structure,working principle,design and control strategy,illustration of their application in the EPS circuit.System control technology uses PWM technology.The three-phase inverter uses a special three-phase SPWM wave generator SA4828.This proposed

23、EPS also has the function of remote monitoring,Lower computer(P8xC591) through the CAN bus with the host computer(PC) communication,lower computer detected status information can be timely feedback to the host computer,and host computer real-time display from the work of state curve.This design has

24、the advantages of high power factor,short start time,quick emergency,no noise,simple maintenance and unattended.Finally,base on the princile anlysis and the system design, we simulate with computer simulation software Psim.Keyword：Three-Phase Emergency Power Supply, Bidirectional DC/DC ConverterBidi

25、rectional PWM Converter, CAN Bus, Lead-acid batteries 第1章 緒 論1.1 應(yīng)急電源的應(yīng)用背景社會發(fā)展越信息化、現(xiàn)代化，就越依賴于電，突然的斷電必然會給人們的正常生活秩序和社會的正常運(yùn)轉(zhuǎn)造成破壞。特別是對于一級負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷，一旦事故中斷供電，將會造成重大的政治影響或經(jīng)濟(jì)損失，然而電力故障突發(fā)性強(qiáng)，往往不以人們的意志為轉(zhuǎn)移，因為無論供電部門管理得再嚴(yán)格，電網(wǎng)設(shè)施再先進(jìn)，斷電也在所難免。因此除正常的電網(wǎng)供電電源外，還必須增設(shè)應(yīng)急電源。常用的應(yīng)急電源可有下列幾種:a.獨(dú)立于正常電源的發(fā)電機(jī)組；b.供電網(wǎng)絡(luò)中有效地獨(dú)立于正常電源的專門饋電線

26、路；c.蓄電池供電的不間斷電源(UPS)和應(yīng)急電源。但多年來，運(yùn)行經(jīng)驗表明，電氣故障是無法限制在某個圍部的，電力部門從未保證過不斷電。因此，應(yīng)急電源應(yīng)是與電網(wǎng)在電氣上獨(dú)立的各種電源，即柴油發(fā)電機(jī)和蓄電池。其中蓄電池供電的有不間斷電源裝置(UPS)和允許短時電源中斷的應(yīng)急電源裝置(EPS)兩種。柴油發(fā)電機(jī)組至今已經(jīng)有五、六十年的歷史了，然而，隨著社會的進(jìn)步，需求的提高，這種傳統(tǒng)的做法也暴露出許多的問題。如柴油機(jī)發(fā)電機(jī)噪音大，排煙中含有有害氣體，污染大氣等。但是它的發(fā)電容量大，在大容量的場合，依然有應(yīng)用。UPS是不間斷電源，但是它一般用于計算機(jī)、辦公設(shè)備等場合，對環(huán)境要求比較高。鑒于上述的兩種備用

27、電源的局限性，EPS應(yīng)用而生。EPS（Emergency Power Supply）全稱應(yīng)急電源供電系統(tǒng)。它在緊急的情況作為重要負(fù)荷的第二或第三電源供給，不同程度上替代UPS和柴油發(fā)電機(jī)組產(chǎn)品。EPS與傳統(tǒng)的柴油發(fā)電機(jī)相比具有啟動時間短，無排氣排煙，無振動，維護(hù)簡單，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，無人值守。1.2 應(yīng)急電源的分類 目前市場上的EPS品牌較多，但針對所帶負(fù)載的種類大致可以分為以下三種：一是主要用于應(yīng)急照明和事故照明的EPS；二是除應(yīng)急照明、事故照明之外，還有空調(diào)、電梯、卷簾門、排氣風(fēng)機(jī)、水泵等電感性負(fù)載或兼而有之的混合供電的三相系列EPS；三是直接給電動機(jī)供電的變頻系列EPS。1.3 應(yīng)急電

28、源的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢1.3.1 EPS應(yīng)用現(xiàn)狀目前市場上的EPS應(yīng)急電源品牌眾多，在設(shè)計上所采用的控制方式和控制手段不盡一樣，但針對所帶負(fù)載的種類大致可以歸納為以下三種：一是主要用于應(yīng)急照明和事故照明的單相EPS；二是用于應(yīng)急照明、事故照明之外，還有應(yīng)用于空調(diào)、電梯、卷簾門、排氣風(fēng)機(jī)、水泵等電感性負(fù)載或兼而有之的混合供電的三相系列EPS；三是直接給電動機(jī)供電的變頻系列EPS。在設(shè)計EPS時，目前都著重考慮其安全性、可靠性、適用性與合理性。主要有：(1）斷電轉(zhuǎn)換時間一般在毫秒級(25ms)，以保證供電的與時性；(2）負(fù)載適應(yīng)能力強(qiáng)，包括電容性、電感性、混合型負(fù)載，而且過載能力和抗沖擊能力強(qiáng)；

29、(3）有多路輸出，防止輸出單一而形成故障；(4）有消防聯(lián)動和遠(yuǎn)程控制信號，可以實現(xiàn)手動與自動相互轉(zhuǎn)換；(5）環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，適用于各種惡劣環(huán)境，有防止高低溫、濕熱、鹽霧、灰塵、震動與鼠咬等措施；(6）使用壽命長，有電池快速充電能力和管理能力；(7）節(jié)能，運(yùn)行效率高，運(yùn)行成本低；(8）有無人值守、自動操作功能；(9）報警功能齊全，能與時提供各種異常狀況的報警；(10）有強(qiáng)啟動功能，避免電池環(huán)節(jié)保護(hù)后無法啟動； (11）無煙霧、無噪音、無公害等；1.3.2 EPS發(fā)展趨勢由于EPS所帶負(fù)載類型的復(fù)雜性和環(huán)境的相對固定性，針對不同場合、不同負(fù)載，可對EPS功能做得更貼近現(xiàn)實應(yīng)用。其中包括以下幾方面。

30、 1.結(jié)構(gòu)組成EPS為了更好地結(jié)合實際應(yīng)用，往往采用“多合一”的結(jié)構(gòu)設(shè)計，但由于負(fù)載與環(huán)境的復(fù)雜性，也由此帶來設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化和所、用戶選型的困難。解決的辦法是采用模塊化設(shè)計，將主機(jī)與輸入或輸出配電分離開來。主機(jī)模塊完成主要的能量轉(zhuǎn)換與通訊控制功能；配電模塊實現(xiàn)豐富的配電管理功能。主機(jī)模塊通過標(biāo)準(zhǔn)控制接口實現(xiàn)對配電模塊的管理，如雙電源自動切換功能，多回路輸出功能，消防聯(lián)動功能均應(yīng)在配電模塊中實現(xiàn)。2.配電模塊應(yīng)增加功能EPS是用于緊急負(fù)載的供電，其負(fù)載往往為非單一的負(fù)載，而這些負(fù)載在緊急情況下的關(guān)鍵程度不盡一樣，因此，對于EPS來說，某些配電管理功能至關(guān)重要。（1）順序啟動功能,諸如EPS的負(fù)載很大

31、一部分是感性沖擊負(fù)載，具有較大的啟動電流，在選型時必須加大EPS容量，從而造成設(shè)備資源的浪費(fèi)以與用戶成本的增加。實際上，由于EPS負(fù)載供電的可間斷性，EPS可增加一個8路或16路的可編程配電管理接口，通過對負(fù)載啟動的順序、時間進(jìn)行控制，可在很大程度上解決啟動沖擊電流和加大選型容量的問題。（2）部分卸載功能由EPS負(fù)載性質(zhì)決定，當(dāng)過載發(fā)生時，需要EPS盡可能繼續(xù)工作，而不能像UPS那樣進(jìn)行保護(hù)性關(guān)機(jī)，因此，同樣可通過配電管理接口卸除次要負(fù)載。 （3）電池管理由于EPS的使用環(huán)境一般較UPS惡劣，為盡可能延長蓄電池的使用壽命，充電器應(yīng)同時具備以下功能：可設(shè)定充電限流；可設(shè)定電池放電終止電壓；具有自

32、動浮充功能，充電機(jī)制應(yīng)符合DIN41773標(biāo)準(zhǔn)；具有浮充電壓溫度補(bǔ)償功能；智能電池檢測功能；深放電保護(hù)(可強(qiáng)制應(yīng)急)1。1.4 本文的主要研究容與一般的EPS電路不同，本設(shè)計的主電路采用雙向SPWM電路和雙向DC/DC電路。當(dāng)市電正常時，系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)換開關(guān)，由市電直接向負(fù)載供電，同時通過PWM整流電路和降壓斬波電路為蓄電池供電。當(dāng)市電異常時，切斷市電至負(fù)載的通道，由升壓斬波電路和PWM逆變電路為負(fù)載供電。由于采用了PWM整流電路，再加上適當(dāng)?shù)目刂?，可以使其輸入電流非常接近正弦波，且和輸入電壓同相位，功率因?shù)近似為1。這種整流電路也可以稱為單位功率因數(shù)變流器，或高功率因數(shù)整流器。PWM整流器的控制

33、方式采用應(yīng)用較多的電流滯環(huán)控制。本設(shè)計含有CAN總線，可以實現(xiàn)EPS的遠(yuǎn)程監(jiān)控。為提高CAN模塊通信的穩(wěn)定性，CAN收發(fā)器的輸入輸出都采用高速光電耦合器。控制器局域網(wǎng)CAN為串行通信協(xié)議，能有效地支持具有很高安全等級的分布實時控制，其傳輸速率可達(dá)1Mbps。蓄電池是逆變電源的一個很重要的部分。在市電故障后，由蓄電池?fù)?dān)任供電任務(wù)，因此，正確合理的使用和管理蓄電池是設(shè)計應(yīng)急電源的重點(diǎn)。市電正常時，應(yīng)合理為蓄電池充電。蓄電池的充電方法很多，有恒流充電、恒壓充電、浮充充電、脈沖充電等。配合應(yīng)急電源的設(shè)計規(guī)，本設(shè)計中，蓄電池充電基本上分為三個階段。第一個階段：在蓄電池缺電嚴(yán)重的時候采用恒流充電，以使蓄電

34、池較快的恢復(fù)大部分的能量。第二個階段：當(dāng)恒流充電到蓄電池電壓上升至某一設(shè)定值時，結(jié)束恒流充電，切換至恒壓充電，以恢復(fù)剩下的能量。第三個階段：當(dāng)恒壓充電達(dá)到設(shè)定的時間后，結(jié)束恒壓充電，轉(zhuǎn)入浮充狀態(tài)，以補(bǔ)償蓄電池由于自放電而損失的能量，減少充放電循環(huán)次數(shù)，提高活性物質(zhì)利用率和使用壽命。第2章 系統(tǒng)方案設(shè)計與認(rèn)證2.1 系統(tǒng)方案方案一（1）硬件組成：整流濾波電路、充電電路、蓄電池組、逆變器、輸出濾波器、微控制器（P8XC591）、上位機(jī)。（2）工作原理：市電正常時通過轉(zhuǎn)換開關(guān)，由市電直接給負(fù)載供電，同時通過整流濾波電路和充電電路，向蓄電池充電。當(dāng)市電不正常時（斷電），切斷市電至負(fù)載的通路，通過逆變器

35、和輸出濾波器，由蓄電池向負(fù)載供電，系統(tǒng)由微控制器控制。上位機(jī)可以下達(dá)對整個電路的控制命令，并且可以隨時監(jiān)測整個電路的運(yùn)行情況，上位機(jī)與微處理器使用RS232接口。（3）系統(tǒng)原理圖如圖2.1所示圖2.1 方案一系統(tǒng)原理圖方案二（1）硬件組成：三相開關(guān)、蓄電池組、雙向DC/DC電路、雙向PWM電路、濾波電路、微控制器、PC機(jī)。（2）工作原理：當(dāng)市電正常時，通過開關(guān)直接向負(fù)載供電，同時通過雙向PWM電路和雙向DC/DC電路向蓄電池充電。市電異常時（如斷電），通過電磁閥切斷市電至負(fù)載的線路，通過雙向DC/DC電路、雙向PWM電路以與濾波電路向負(fù)載供電。整個電路由微控制器（P8XC591）直接控制，PC

36、機(jī)可以在線對整個EPS的工作情況進(jìn)行監(jiān)控。（3）系統(tǒng)原理框圖如圖2.2所示圖2.2 方案二系統(tǒng)原理圖2.2 論證分析方案一的主電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，控制也比較繁瑣，而且其整流電路的功率因素不高。方案二的主電路結(jié)構(gòu)和控制手段相對簡單，可靠性較高。晶閘管相控整流電路的輸入電流滯后于電壓，其滯后角隨著觸發(fā)延時角的增大而增大，位移因數(shù)也隨之降低。同時，輸入電流中諧波分量很大，所以功率因數(shù)很低。二極管整流電路雖然位移因數(shù)接近1，但輸入電流中諧波分量很大，所以功率因數(shù)也很低。隨著以IGBT為代表的全控型器件的不斷進(jìn)步，在逆變電路中采用的PWM控制技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。目前，SPWM控制技術(shù)已在交流調(diào)速用變頻器和不

37、間斷電源中獲得了廣泛的應(yīng)用。把逆變電路中的SPWM控制技術(shù)用于整流電路，就形成了PWM整流電路。通過對PWM整流電路的適當(dāng)控制，可以使其輸入電流非常接近正弦波，且和輸入電壓通相位，功率因數(shù)近似為1。這種整流電路也可以稱為單位功率因數(shù)變流器，或高功率因數(shù)整流器。將整流和逆變結(jié)合以與把升壓斬波和降壓斬波結(jié)合起來，電路的結(jié)構(gòu)更加緊湊，工作性能也更好。CAN總線與RS232相比，具有如下優(yōu)勢。（1）直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km（速率在5kbps以下）；通信速率最高可達(dá)1Mbps（通信距離最長為40m）。（2）CAN的每幀信息都有CRC校驗與其他檢錯措施，具有極好的檢錯效果。（3）CAN節(jié)點(diǎn)在錯誤嚴(yán)重的

38、情況下具有自動關(guān)閉輸出的功能，以使總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響。（4）CAN采用非破壞總線仲裁技術(shù)。（5）發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動重發(fā)。（6）可根據(jù)報文的ID決定接收或屏蔽該報文。最終方案：從系統(tǒng)簡化和可靠性的角度考慮，主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用雙向PWM整流逆變電路和雙向DC/DC變換電路，使用CAN總線與上位機(jī)通信，即選擇方案二。第3章 應(yīng)急電源主電路工作原理與設(shè)計3.1 雙向DC/DC變流器3.1.1 雙向DC/DC變流器的工作原理雙向DC/DC變流器主要由電感L，兩個IGBT組成。如圖3.1所示。該電路有兩種模式：升壓模式（蓄電池放電）和降壓模式（蓄電池充電）。 圖3.1 雙向DC/DC

39、變流器主電路1.升壓放電模式當(dāng)蓄電池放電時，雙向DC/DC電路工作于升壓模式。該模式由蓄電池、電感L、V8和VD7組成。當(dāng)V8在驅(qū)動信號下而導(dǎo)通時，蓄電池給電感L充電，此時VD7處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)V8截止時，由蓄電池、電感L、VD7組成續(xù)流回路，給負(fù)載和濾波電容Cd提供能量。2.降壓儲能模式當(dāng)蓄電池要充電時，雙向DC/DC電路工作于降壓模式。該模式有蓄電池、電感L、V7和VD8組成。當(dāng)VD7在驅(qū)動信號下導(dǎo)通時，二極管VD8處于截止?fàn)顟B(tài)，電流通過儲能電感L向蓄電池充電。當(dāng)V7截止時，儲能電感、蓄電池和VD8組成續(xù)流回路，為蓄電池充電。濾波電容C0可以降低蓄電池端壓的脈動2。3.1.2 雙向DC/D

40、C電路的設(shè)計1.開關(guān)管的選擇在雙向DC/DC電路中，有功率管V7、V8和續(xù)流二極管VD7、VD8，如圖3.1所示?？梢赃x用由功率管和反并聯(lián)的二極管集成在一起的雙管IGBT模塊，不僅可以使體積減小，而且可以提高工作性能。IGBT綜合了GTR和MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，因而具有良好的特性，稱為中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件3。選用IGBT時，主要考慮IGBT上承受的最大電壓和流過IGBT上的最大電流以與開關(guān)頻率等指標(biāo)來選擇合適的IGBT。對于本雙向DC/DC變流器，電壓、電流指標(biāo)可以由如下公式得到：Umax=Udmax (3.1)Imax1.4P/Udmin (3.2)式中：UmaxIGBT上承受的最大

41、電壓 Udmax直流母線上的最大電壓 ImaxIGBT上流過的最大電流 P蓄電池端輸出功率 Udmin直流母線上的最低電壓為了滿足安全性和可靠性，實際IGBT的電壓電流參數(shù)應(yīng)適當(dāng)提高一點(diǎn)。三菱公司的IGBT模塊CM75DY-24H，其耐壓值為1200V，最大電流容量為75A。2.儲能電感L的設(shè)計儲能電感是雙向DC/DC必不可少的元件，儲能電感的選型直接影響雙向DC/DC電路的工作性能。儲能電感L的大小可由如下公式得到：L=UdTD(1-D)/(2IOC) （3.3）IOC=(1/51/3)IOM （3.4）式中：Ud直流端電壓 T開關(guān)周期 D占空比 IOC臨界連續(xù)電流 IOM最小負(fù)載電流3.蓄

42、電池端濾波電容的設(shè)計為了使蓄電池兩端的電壓脈動較小，應(yīng)在蓄電池兩端加上濾波電容，其容量如下式：C=UdT2/8LU0 (3.5)式中：Ud直流端電壓 T開關(guān)周期 L儲能電感U0蓄電池兩端的電壓脈動量4實際參考取值為2mF，耐壓600V。3.2 蓄電池概述在應(yīng)急電源系統(tǒng)中，廣泛使用蓄電池作為儲能裝置。在市電正常時，系統(tǒng)通過充電回路給蓄電池充電，在市電出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)通過蓄電池的放電回路為負(fù)載繼續(xù)提供電能。目前，在應(yīng)急電源系統(tǒng)中，密封式鉛酸蓄電池得到了廣泛的應(yīng)用。但它價格比較貴。因此，正確合理地使用鉛酸蓄電池對EPS的無故障運(yùn)行有重要的影響。3.2.1 鉛酸蓄電池的工作原理鉛酸蓄電池電極主要由鉛與

43、其氧化物制成，電解液是硫酸溶液。其電極反應(yīng)式如下：充電：2PbSO4+2H2O=PbO2+Pb+2H2SO4陽極：PbSO4+2H2O-2e-PbO2+4H+SO42-陰極：PbSO4+2e-Pb+SO42-放電：PbO2+Pb+2H2SO42PbSO4+2H2O 負(fù)極：Pb+SO42-2e-PbSO4正極：PbO2+4H+SO42-+2e- PbSO4+2H2O3.2.2常用的鉛酸蓄電池分類我們常用的鉛酸蓄電池主要分為三類,分別為普通蓄電池、干荷蓄電池和免維護(hù)蓄電池三種。 (1）普通蓄電池；普通蓄電池的極板是由鉛和鉛的氧化物構(gòu)成，電解液是硫酸的水溶液。它的主要優(yōu)點(diǎn)是電壓穩(wěn)定、價格便宜；缺點(diǎn)是

44、比能低(即每公斤蓄電池存儲的電能)、使用壽命短和日常維護(hù)頻繁。(2）干荷蓄電池：它的全稱是干式荷電鉛酸蓄電池，它的主要特點(diǎn)是負(fù)極板有較高的儲電能力，在完全干燥狀態(tài)下，能在兩年保存所得到的電量，使用時，只需加入電解液，等過2030分鐘就可使用。 (3）免維護(hù)蓄電池：免維護(hù)蓄電池由于自身結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢，電解液的消耗量非常小，在使用壽命基本不需要補(bǔ)充蒸餾水。它還具有耐震、耐高溫、體積小、自放電小的特點(diǎn)。使用壽命一般為普通蓄電池的兩倍。市場上的免維護(hù)蓄電池也有兩種：第一種在購買時一次性加電解液以后使用中不需要維護(hù)(添加補(bǔ)充液)；另一種是電池本身出廠時就已經(jīng)加好電解液并封死，用戶根本就不能加補(bǔ)充液。3.2

45、.3 蓄電池的充電特性容量是蓄電池的一個很重要的參數(shù)，蓄電池的容量是指：充滿電的蓄電池用一定的電流放電至規(guī)定放電終止電壓的放電量，采用如下兩種表示方法：1、安時容量=放電電流放電時間2、瓦時容量=安時容量平均放電電壓通常采用第一種表示方法，所以確定蓄電池組的容量時，應(yīng)考慮放電電流的大小和放電時間的長短。蓄電池充電通常要完成兩個任務(wù)，首先是盡可能快地使電池恢復(fù)到額定容量，另一個任務(wù)是用浮充充電以彌補(bǔ)因自放電等而損失的電量，維持電池的額定容量。上世紀(jì)60年代中期，美國科學(xué)家馬斯對開口蓄電池的充電過程作了大量的試驗研究，并提出了以最低出氣率為前提的，蓄電池可接受的充電曲線，如圖所示。實驗表明，如果充

46、電電流按這條曲線變化，就可以大大縮短充電時間，并且對電池的容量和壽命也沒有影響。原則上把這條曲線稱為最佳充電曲線。如圖3.2所示。ti0圖3.據(jù)機(jī)B840YI 的有效值，則在整流運(yùn)2蓄電池可接受充電電流曲線3.2.4 電池容量的選擇蓄電池的容量選擇對整個系統(tǒng)的正常運(yùn)行起著非常重要的作用，如果市電供電中斷時，蓄電池應(yīng)急供電時間若小于用戶所預(yù)期的應(yīng)急時間，EPS將不能起到應(yīng)有的作用，甚至在消防應(yīng)急時危與人身安全。所以除了正確使用蓄電池之外，在主電路設(shè)計時，要針對系統(tǒng)具體要求，對蓄電池進(jìn)行合理的容量配置，使它的實際可供使用容量能滿足要求，蓄電池的實際可使用容量與放電電流大小、環(huán)境溫度、蓄電池存儲的時

47、間長短、負(fù)載特性等因素有關(guān)。本系統(tǒng)采用30節(jié)單體標(biāo)稱電壓為12V的蓄電池串聯(lián)，組成360V標(biāo)稱工作電壓的蓄電池組，要求應(yīng)急供電時間為90分鐘，可以得出蓄電池所選擇的容量 單節(jié)電池容量=P1.5/（360）=1010001.5/360/0.8=52.1（Ah）上式中P為EPS系統(tǒng)的額定輸出功率，考慮到濾波器的損耗以與功率開關(guān)的開關(guān)損耗，逆變器的效率為0.8。同時考慮到電池標(biāo)稱容量為10小時率，所以當(dāng)放電時間為1.5h時，實際電池釋放容量達(dá)不到標(biāo)稱值，所以根據(jù)經(jīng)驗，采用標(biāo)稱容量為65Ah容量的蓄電池組能滿足系統(tǒng)要求，由此可以選用標(biāo)稱容量為65Ah的30節(jié)OT65-12單體蓄電池串聯(lián)在一起組成一組電

48、池組，可以滿足10KW的EPS電源系統(tǒng)在市電斷電后向用戶提供90分鐘的應(yīng)急電力供應(yīng)。3.3 雙向PWM變流器3.3.1 PWM逆變電路1.PWM逆變電路的工作原理圖3.3 PWM逆變電路當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障（過壓、斷電等）時，蓄電池先通過雙向DC/DC電路進(jìn)行升壓，然后通過PWM逆變電路將直流母線電壓逆變成PWM波，輸出經(jīng)過濾波以后供給負(fù)載。圖3.3 是三相橋式PWM型逆變電路，這種電路一般采用雙極性控制方式。圖3.4 三相橋式PWM逆變電路波形三相逆變電路一般采用SPWM調(diào)制方式，A,B,C三相的PWM控制通常公用一個三角載波uc，三相的調(diào)制信號urA、urB和urC依次相差120。A、B和C各相

49、功率開關(guān)器件的控制規(guī)律一樣，現(xiàn)以A相為例來說明。當(dāng)urAuc時，給上橋臂V1以導(dǎo)通信號，給下橋臂V4以關(guān)斷信號，則A相相對于直流電源假想中點(diǎn)N的輸出電壓uAN=Ud/2。當(dāng)urAuc時，給下橋臂V4以導(dǎo)通信號，給上橋臂V1以關(guān)斷信號，則A相相對于直流電源假想中點(diǎn)N的輸出電壓uAN=-Ud/2。V1和V4的驅(qū)動信號始終是互補(bǔ)的。當(dāng)給V1(V4)加導(dǎo)通信號時，可能是V1(V4)導(dǎo)通，也可能是二極管VD1(VD4)續(xù)流導(dǎo)通，這要由阻感負(fù)載中電流的方向來決定。B相和C相控制方式都和A相一樣。電路的波形如圖3.4 所示。N為直流電源假想中性點(diǎn)。n為輸出電壓中性點(diǎn)。可以看出，uAN、 uBN和uCN的PW

50、M波形都只有Ud/2兩種電平。圖中的線電壓UAB的波形可由uAN -uBN得出?？梢钥闯?，當(dāng)臂1與臂6導(dǎo)通時，uAB=Ud，當(dāng)臂3和4導(dǎo)通時，uAB=-Ud，當(dāng)臂1和3或臂4和6導(dǎo)通時，uAB =0。因此，逆變器的輸出線電壓PWM波由Ud和0三種電平構(gòu)成。從波形圖可以看出，負(fù)載相電壓的PWM波由（2/3）Ud、（1/3）Ud和0共5種電平組成。在調(diào)制比小于1的情況下，輸出線電壓的有效值為Ud/4，即UAB=0.612 Ud。在三相PWM逆變電路中，通常公用一個三角波載波，且取載波比N為3的整數(shù)倍，以使三相輸出波嚴(yán)格對稱。同時，為了使一相的PWM波正負(fù)半周鏡對稱，N應(yīng)取奇數(shù)5。2.輸出濾波器的工

51、作原理工程上根據(jù)輸出端口對信號頻率圍的要求，設(shè)計專門的網(wǎng)絡(luò)，置于輸入輸出端口之間，使輸出端口所需要的頻率分量能夠順利通過，而抑制不需要的頻率分量，這種具有選頻功能的中間網(wǎng)絡(luò)，工程上稱為濾波器。工程上利用電感L和電容C彼此相反而又互補(bǔ)的頻率特性，先設(shè)計具有一定濾波功能的單元電路，然后再用搭“積木”的方式（如并聯(lián)、級聯(lián)等），連接成各種各樣的濾波器網(wǎng)絡(luò)。圖3.5 所示為低通濾波器的單元電路。（a）L型 （b）T性 （c）型圖3.5 低通濾波器的單元電路本設(shè)計三相逆變器采用L型的低通濾波器。其工作原理為：設(shè)逆變器輸出電壓的基波頻率為f1，載波頻率表為fc，截止頻率為fs。由于f1fs，故1Lfs,故c

52、L1/cC, 故cL對基波的K倍次諧波信號阻抗很高；1/cC對基波的K倍次諧波信號分流很大，因此濾波器不允許基波的K倍次諧波信號通過。因為逆變橋輸出電壓諧波聚集在以基波的K倍次諧波為中心所形成的雙邊頻帶上。因此在逆變器輸出端應(yīng)該設(shè)置濾波器。K值越高，K倍次頻率附近的高次諧波越容易濾除。即載波頻率越高，輸出電壓波形中的諧波頻率也越高，也越容易被濾除。3.逆變電路諧波分析PWM逆變電路可以使輸出電壓、電流接近正弦波，但由于使用載波對正弦信號波調(diào)制，也產(chǎn)生了和載波有關(guān)的諧波分量。這些諧波分量的頻率和幅值是衡量PWM逆變電路性能的重要指標(biāo)之一，因此有必要對PWM波形進(jìn)行諧波分析。同步調(diào)制可以看成異步調(diào)

53、制的特殊情況，因此只分析異步調(diào)制方式就可以了。采用異步調(diào)制時，不同信號波周期的PWM波形是不一樣的，因此無法直接以信號波周期為基準(zhǔn)進(jìn)行傅里葉分析。以載波周期為基礎(chǔ)，在利用貝塞爾函數(shù)可以推導(dǎo)出PWM波的傅里葉級數(shù)表達(dá)式，但這種分析過程相當(dāng)復(fù)雜，而其結(jié)論卻是很簡單而直觀的。三相橋式PWM逆變電路可以每相各有一個載波信號，也可以三相公用一個載波信號?，F(xiàn)分析應(yīng)用較多的公用載波信號時的情況。在其輸出線電壓中，所包含的諧波角頻率為 nckr式中，n=1,3,5，時，k=3（2m-1）1，m=1,2，； n=2,4,6，時，k=6m+1（m=0,1，）或k=6m-1（m=1,2，）；在不同調(diào)制度a時的三相橋

54、式PWM逆變電路中，輸出線電壓中不含低次諧波，與單相電路相比，一個較為顯著的區(qū)別是載波角頻率c整數(shù)倍的諧波沒有了，諧波中幅值較高的是c2r和2cr。上述分析都是在理想條件下進(jìn)行的。在實際電路中，由于采樣時刻的誤差以與為避免同一相上下橋臂直通而設(shè)置的死區(qū)的影響，諧波的分布情況將更為復(fù)雜。一般來說，實際電路中的諧波含量比理想條件下要多一些，甚至還會出現(xiàn)少量的低次諧波。從上述分析中可以看出，SPWM波形中所含的諧波主要是角頻率c、2c與其附近的諧波。一般情況下cr，所以PWM波形中所含的主要諧波的頻率要比基波頻率高得多，是很容易濾除的。載波頻率越高，SPWM波形中諧波頻率就越高，所需濾波器的體積就越

55、小。另外，一般的濾波器都有一定的狂度，如按載波頻率設(shè)計濾波器，載波附近的諧波也可濾除。如濾波器設(shè)計為高通濾波器，且按載波角頻率c來設(shè)計，那么角頻率為2c、3c等與其附近的諧波也就同時被濾除了6。其頻譜圖如圖3.6所示。圖3.6 輸出線電壓頻譜圖3.3.2 PWM整流電路1.概述目前各個領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用的整流電路大多是晶閘管相控整流電路或二極管整流電路。晶閘管相控整流電路的輸入電流滯后于電壓，其滯后角隨著觸發(fā)延時角的增大而增大，位移因數(shù)也隨之降低。同時，輸入電流中諧波分量也相當(dāng)大，因此功率因數(shù)很低。二極管整流電路雖然位移因數(shù)接近1，但輸入電流中諧波分量很大，所以功率因數(shù)也很低。把逆變電路中的SPWM

56、控制技術(shù)用于整流電路，就形成了PWM整流電路。通過對PWM整流電路合適的控制，可以使輸入電流非常接近正弦波，且和輸入電壓通相位，功率因數(shù)近似為1。2.PWM整流電路工作原理當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)正常時，市電一路通過轉(zhuǎn)換開關(guān)直接給負(fù)載供電。另一路通過雙向PWM變流器整流，在通過雙向DC/DC電路降壓電路為蓄電池充電。此時，雙向PWM電路工作于整流狀態(tài)。采用PWM整流技術(shù)，可以提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可以達(dá)到1，并且也減少了對市電的諧波污染7。工作模式：（1）橋中所有處于通態(tài)的三個器件都是二極管,所以的可控器件均處于阻態(tài)，因此這種模式也叫3D0V模式。在圖3.7中，處于通態(tài)的三個器件為VD1、VD5和

57、VD6，電網(wǎng)通過二極管VD1、VD5和VD6向直流側(cè)輸送能量，此時，uab=Ud，ubc=.Ud，uca=0。（2）橋中有兩個二極管和一個可控器件處于通態(tài)，這種模式也稱為2D1V模式。橋中處于通態(tài)的三個器件是兩個二極管VD2和VD3與一個可控器件V1，電網(wǎng)通過VD2和VD3向直流側(cè)輸送能量。由于V1導(dǎo)通，由VD2和V1將電源uab暫時處于短路狀態(tài)，此時uab=0，ubc=Ud，uca=.Ud。（3）橋中有一個二極管和兩個可控器件處于通態(tài)，這種模式也稱為1D2V模式。在這種模式下，各相經(jīng)輸入電感短路，整流橋與直流側(cè)相脫離，所以uab=ubc= uca=0。圖3.7三相電壓型PWM整流器電路3.P

58、WM整流器直流電壓對電源電流控制的影響在PWM整流器中，直流輸出電壓Udc不僅要滿足負(fù)載對電壓的要求，而且要能控制流過連接電感L中電流為需要的波形。這就必須對Udc采取一定的限制。從電源控制方面考慮，Udc過低，不能完成控制L中電流的任務(wù)；Udc過高，會提高器件的耐壓定額，增加系統(tǒng)成本，同時也降低系統(tǒng)可靠性8。如圖3.8所示，為將Udc穩(wěn)定在設(shè)定值，整流器的控制系統(tǒng)都含有直流輸出電壓調(diào)節(jié)器，若用該調(diào)節(jié)器的輸出直接控制控制交流側(cè)輸入電流的幅值，則為直接電流控制；若用調(diào)節(jié)器的輸出調(diào)制整流器輸入端的電壓幅值和相位，則為間接電流控制。在保證單位功率因數(shù)的情況下，無論是直接電流控制還是間接電流控制，系統(tǒng)

59、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，都必須滿足圖3.8 所示的矢量圖。UaUfALIaRIaUfAIaIaLIaRIa圖3.8 a相電路電壓矢量圖設(shè)UfA為整流器輸入端相電壓基波的有效值，則在整流運(yùn)行時有：UfA2=(Ua-RIa)2+(LIa)2 (3.6)式中 Ua電源電壓有效值 Ia電源電流有效值電源電壓角頻率 在逆變運(yùn)行時有： UfA2=(Ua+RIa)2+(LIa)2 (3.7)用ufa、ufb、ufc表示整流器中A、B、C、點(diǎn)對O點(diǎn)的相電壓基波。實際情況下，整流器輸入端不存在中點(diǎn)，只需考慮整流器輸入端的線電壓即可。根據(jù)KVL定理可得：L(dia/dt)+Ria=ua-1/3(uAB-uCA) (3.8)L

60、(dib/dt)+Rib=ub-1/3(uBC-uAB) (3.9)L(dic/dt)+Ric=uc-1/3(uCA-uBC) (3.10)由上式可見，只要uAB、uBC、uCA中不含有與PWM開關(guān)頻率無關(guān)的低次諧波，電源電流就不會產(chǎn)生這些諧波。由整流器的工作原理可知，無論是間接電路控制，還是直接電流控制，uAB、uBC、uCA是幅值為Udc的PWM波。為保證uAB、uBC、uCA不含有低次諧波，Udc必須大于輸入端線電壓基波的峰值，即Udc 2.449UfA (3.11)因控制方式不同，Udc在整流器輸入端所能產(chǎn)生的最大UfA也不一樣，由此導(dǎo)致輸入端線電壓的大小也不一樣。當(dāng)線電壓波形出現(xiàn)畸變