【正文】 reephase 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 main circuit is consist of bidirectional PWM converter,bidirectional DC/DC converter, batteries and filter analyzing their circuit structure,working principle,design and control strategy,illustration of their application in the EPS control technology uses PWM threephase inverter uses a special threephase SPWM wave generator proposed EPS also has the function of remote monitoring,Lower puter(P8xC591) through the CAN bus with the host puter(PC) munication,lower puter detected status information can be timely feedback to the host puter,and host puter realtime display from the work of state curve. This design has the advantages of high power factor,short start time,quick emergency,no noise,simple maintenance and ,base on the princile anlysis and the system design, we simulate with puter simulation software Psim. Keyword： ThreePhase Emergency Power Supply, Bidirectional DC/DC Converter Bidirectional PWM Converter, CAN Bus, Leadacid batteries 中小功率應(yīng)急電源的研究與設(shè)計(jì) 1 第 1 章 緒 論 應(yīng)急電源的應(yīng)用背景 社會(huì)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(huì)給人們的正常生活秩序和社會(huì)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)造成破壞。特別是對(duì)于一級(jí)負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷，一旦事故中斷供電，將會(huì)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?yàn)闊o(wú)論供電部門(mén)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 : ； ； (UPS)和應(yīng)急電源。 但多年來(lái)，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，電氣故障是無(wú)法限制在某個(gè)范圍內(nèi)部的，電力部門(mén)從未保證過(guò)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(shí)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(huì)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(wèn)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(chǎng)合，依然有應(yīng)用。 UPS 是不間斷電源，但是它一般用于計(jì)算機(jī)、辦公設(shè)備等場(chǎng)合，對(duì)環(huán)境要求比較高。 鑒于上述的兩種備用電源的局限性， 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(dòng)時(shí)間短，無(wú)排氣排煙，無(wú)振動(dòng) ， 維護(hù)簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，無(wú)人值守。 中小功率應(yīng)急電源的研究與設(shè)計(jì) 2 應(yīng)急電源的分類(lèi) 目前市場(chǎng)上的 EPS 品牌較多，但針對(duì)所帶負(fù)載的種類(lèi)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(mén)、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(dòng)機(jī)供電的變頻系列 EPS。 應(yīng)急電源的應(yīng)用現(xiàn)狀和 發(fā)展趨勢(shì) EPS 應(yīng)用現(xiàn)狀 目前市場(chǎng)上的 EPS 應(yīng)急電源品牌眾多，在設(shè)計(jì)上所采用的控制方式和控制手段不盡相同，但針對(duì)所帶負(fù)載的種類(lèi)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(mén)、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(dòng)機(jī)供電的變頻系列 EPS。 在設(shè)計(jì) EPS 時(shí) ，目前都 著重考慮其安全性、可靠性、適用性及合理性。主要有： (1）斷電轉(zhuǎn)換時(shí)間一般在毫秒級(jí) (25ms)，以保證供電的及時(shí)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(guò)載能力和抗沖擊能力強(qiáng)； (3）有多路輸出，防止輸出單一 而 形成故障； (4）有消防聯(lián)動(dòng)和遠(yuǎn)程控制信號(hào)，可 以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)與 自動(dòng)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(dòng)及鼠咬等措施； (6）使用壽命長(zhǎng)，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(wú)人值守、自動(dòng)操作功能； (9）報(bào)警功能齊全，能及時(shí)提供各種異常狀況的報(bào)警； (10）有強(qiáng)啟動(dòng)功能，避免電池環(huán)節(jié)保護(hù)后無(wú)法啟動(dòng) ； (11）無(wú)煙霧、無(wú)噪音、無(wú)公害等； 中小功率應(yīng)急電源的研究與設(shè)計(jì) 3 EPS 發(fā)展趨勢(shì) 由于 EPS 所帶負(fù)載類(lèi)型的復(fù)雜性和環(huán)境的相對(duì)固定性，針對(duì)不同場(chǎng)合、不同負(fù)載，可對(duì) EPS 功能做得更貼近現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。其中包括以下幾方面。 EPS 為了更好地結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，往往采用 “ 多合一 ” 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但由于負(fù)載及環(huán)境的復(fù)雜性，也由此帶來(lái)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化和設(shè)計(jì)院所、用戶選型的困難。解決的辦法是采用模塊化設(shè)計(jì)，將主機(jī)與輸入或輸出配電分離開(kāi)來(lái)。主機(jī)模塊完成主要的能量轉(zhuǎn)換及通訊控制功能；配電模塊實(shí)現(xiàn)豐富的配電管理功能。主機(jī)模塊通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)控制接口 實(shí)現(xiàn)對(duì)配電模塊的管理，如雙電源自動(dòng)切換功能，多回路輸出功能，消防聯(lián)動(dòng)功能均應(yīng)在配電模塊中實(shí)現(xiàn)。 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)鍵程度不盡相同，因此，對(duì)于 EPS 來(lái)說(shuō)，某些配電管理功能至關(guān)重要。 （ 1）順序啟動(dòng)功能 ,諸如 EPS 的負(fù)載很大一部分是感性沖擊負(fù)載，具有較大的啟動(dòng)電流，在選型時(shí)必須加大 EPS 容量，從而造成設(shè)備資源的浪費(fèi)以及用戶成本的增加。實(shí)際上，由于 EPS 負(fù)載供電的可間斷性， EPS 可增加一個(gè) 8路或 16 路的可編程配電管理接口，通過(guò)對(duì) 負(fù)載啟動(dòng)的順序、時(shí)間進(jìn)行控制，可在很大程度上解決啟動(dòng)沖擊電流和加大選型容量的問(wèn)題。 （ 2）部分卸載功能由 EPS 負(fù)載性質(zhì)決定，當(dāng)過(guò)載發(fā)生時(shí)，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(guò)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(zhǎng)蓄電池的使用壽命，充電器應(yīng)同時(shí)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； ?具有自動(dòng)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(cè)功能； ?深放電保護(hù) (可強(qiáng)制應(yīng)急 )[1]。 中小功率應(yīng)急電源的研究與設(shè)計(jì) 4 本 文 的主要 研究 內(nèi)容 與一般的 EPS 電路不同，本設(shè)計(jì)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(shí)，系統(tǒng)通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，由市電直接向負(fù)載供電，同時(shí)通過(guò) 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(shí)，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 整流器的控制方式采用應(yīng)用較多的電流滯環(huán)控制。 本設(shè)計(jì)含有 CAN 總線，可以實(shí)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?？刂破骶钟蚓W(wǎng) CAN 為串行通信協(xié)議，能有效地支持具有很高安全等級(jí)的分布實(shí)時(shí)控制，其傳輸速率可達(dá) 1Mbps。 蓄電池是逆變電源的一個(gè)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(jì)應(yīng)急電源的重點(diǎn)。市電正常時(shí)，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(jì)規(guī)范，本設(shè)計(jì)中，蓄電池充電基本上分為三個(gè)階段。第一個(gè)階段：在蓄電池缺電嚴(yán)重的時(shí)候采用恒流充電，以使蓄電池較快的恢復(fù)大部分的能量。第二個(gè)階段：當(dāng)恒流充電到蓄電池電壓上升至某一設(shè)定值時(shí)，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(gè)階段：當(dāng)恒壓充電達(dá)到設(shè)定的時(shí)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。 中小功率應(yīng)急電源的研究與設(shè)計(jì) 5 第 2 章 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與認(rèn)證 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(shí)通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，由市電直接給負(fù)載供電，同時(shí)通過(guò)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(shí)（斷電），切斷市 電至負(fù)載的通路，通過(guò)逆變器和輸出濾波器，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(duì)整個(gè)電路的控制命令，并且可以隨時(shí)監(jiān)測(cè)整個(gè)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 所示 市 電 整 流 濾 波 電 路 逆 變 器充 電 電 路 蓄 電 池 組 微 處 理 器轉(zhuǎn) 換 開(kāi) 關(guān) 輸 出 濾 波R S 2 3 2上 位 機(jī)負(fù)載 圖 方案一系統(tǒng)原理圖 方案二 （ 1） 硬件組成：三相開(kāi)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(shí)，通過(guò)開(kāi)關(guān)直接向負(fù)載供電，同時(shí)通過(guò)雙向 PWM 電路和雙向 DC/DC 電路向蓄電池充電。市電異常時(shí)（如斷電）， 通過(guò)電磁閥 切斷市電至負(fù)載的中小功率應(yīng)急電源的研究與設(shè)計(jì) 6 線路，通過(guò)雙向 DC/DC 電路、雙向 PWM 電路以及濾波電路向負(fù)載供電。整個(gè)電路由微控制器（ P8XC591）直接控制， PC 機(jī)可以在線對(duì)整個(gè) EPS 的工作情況進(jìn)行監(jiān)控。 （ 3）系統(tǒng)原理框圖 如圖 電 磁 閥蓄 電 池 組雙 向 D C / D C電 路雙 向 P W M電 路濾 波 電 路 負(fù) 載微 控 制 器 （ P 8 X C 5 9 1 ) 檢 測(cè)控 制 、 告 警 、 通 信C A N 收 發(fā) 器 C A N 總 線 上 位 機(jī)市 電信 號(hào) 指 示按 鍵 圖 方案 二 系統(tǒng)原理圖 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(duì)簡(jiǎn)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(shí)角的增大而增大，位移因數(shù)也隨之降低。同時(shí)，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(guò)對(duì) 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)合以及把升壓斬波和降壓斬波結(jié)合起來(lái)，電路的結(jié)構(gòu)更加緊湊，工作性能也更好。 中小功率應(yīng)急電源的研究與設(shè)計(jì) 7 CAN 總線與 RS232 相比，具有如下優(yōu)勢(shì)。 （ 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(zhǎng)為 40m）。 （ 2） CAN 的每幀信息都有 CRC 校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，具有極好的檢錯(cuò)效果。 （ 3） CAN 節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)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