【正文】 uR 1 0 5 1 2 KidS I N WR 1 0 01 3 KR 1 0 1 5K3K*3i * a i * b i * c 圖 乘法電路 滯環(huán)比較器如圖 。經(jīng)過(guò)滯環(huán)比較后，輸出驅(qū)動(dòng)整流器的 PWM 信號(hào)，通過(guò) 74LS373 鎖存。本 文 采用直接電流控制。直接電流控制中有不同的電流跟蹤控制方法，圖 給出的是一種最常用的采用電流滯環(huán)比較方式的控制系統(tǒng)圖。當(dāng)負(fù)載電流減小時(shí)，調(diào)節(jié)過(guò)程和上述過(guò)程相反。 間接電流控制 間接電流控制也稱相位和幅值控制。 (4)R2 的 D5～ D0， PDY5～ PDY0 死區(qū)時(shí)間： fPDY=63179。由地址發(fā)生器、波形 ROM 及相位和控制邏輯構(gòu)成； （ 3）三相輸出控制電路。它采用 28引腳，分 DIP和 SOIC 兩個(gè)封裝。由于單片機(jī) P8xC591具有兩路 PWM 輸出，故使用這兩路 PWM 輸出作為雙向 DC/DC 的驅(qū)動(dòng)脈沖 [13]。電流調(diào)整速度包括穩(wěn)態(tài)下對(duì)基波電流的追蹤速度 (di /dt)1，及整流 — 回饋模式切換時(shí)的電流調(diào)整速度 (di /dt)2。 濾波器參數(shù)設(shè)計(jì) （ 1） 電感設(shè)計(jì) 交流側(cè)電感的取值對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)、電流調(diào)整度，以及電流諧波幅值都有影響。為提高輸入端的最大線電壓峰值，可在各相參考電壓中同時(shí)加入三次諧波，使其相電壓參考波形發(fā)生畸變，二線電壓保持為正弦，這樣就能提高線電壓幅值 [10]。根據(jù) KVL 定理可得： L(dia/dt)+Ria=ua1/3(uABuCA) () L(dib/dt)+Rib=ub1/3(uBCuAB) () L(dic/dt)+Ric=uc1/3(uCAuBC) () 由上式可見(jiàn)，只要 uAB、 uBC、 uCA中不含有與 PWM 開(kāi)關(guān)頻率無(wú)關(guān)的低次諧波，電源電流就不會(huì)產(chǎn)生這些諧波。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。此時(shí)，雙向 PWM 電路工作于整流狀態(tài)。 圖 輸出線電壓頻譜圖 PWM 整流電路 目前各個(gè)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。在實(shí)際電路中，由于采樣時(shí)刻的誤差以及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。 三相橋式 PWM 逆變電路可以每相各有一個(gè)載波信號(hào)，也可以三相公用一個(gè)載波信號(hào)。因此在逆變器輸出端應(yīng)該設(shè) 置濾波器。 工程上根據(jù)輸出端口對(duì)信號(hào)頻率范圍的要求，設(shè)計(jì)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(guò)，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。因此，逆變器的輸出線電壓 PWM 波由177。 B 相和C 相控制方式都和 A 相相同。 。 （ 360179。 蓄電池充電通常要完成兩個(gè)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(gè)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。 中小功率應(yīng)急電源的研究與設(shè)計(jì) 11 (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(chǔ)電能力，在完全干燥狀態(tài)下，能在兩年內(nèi)保存所得到的電量，使用時(shí)，只需加入電解液，等過(guò) 20— 30 分鐘就可使用。在市電正常時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)充電回路給蓄電池充電，在市電出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)蓄電池的放電回路為負(fù)載繼續(xù)提供電能?？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。當(dāng) V8 在驅(qū)動(dòng)信號(hào)下而導(dǎo)通時(shí)，蓄電池給電感 L 充電，此時(shí) VD7 處于截止?fàn)顟B(tài)。 （ 5）發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動(dòng)重發(fā)。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。 （ 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。 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)。 蓄電池是逆變電源的一個(gè)很重要的部分。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。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。 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。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。最后，在理論分析和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真軟件 Psim 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。 本文對(duì)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(shí)， 負(fù)載由市電供電；當(dāng)市電異常時(shí)，負(fù)載由蓄電池供電。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)論供電部門管理得再嚴(yán)格，電網(wǎng)設(shè)施再先進(jìn)，斷電也在所難免。但是它的發(fā)電容量大，在大容量的場(chǎng)合，依然有應(yīng)用。 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。 （ 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。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。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。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 。同時(shí)，輸入電流中諧波分量很大，所以功率因數(shù)很低。 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)。 中小功率應(yīng)急電源的研究與設(shè)計(jì) 8 第 3 章 應(yīng)急電源主電路 工作原理與設(shè)計(jì) 雙 向 DC/DC 變流器 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(gè) IGBT 組成。該模式有蓄電池、電感 L、 V7和 VD8 組成。對(duì)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 () Imax≈ () 式中： Umax— IGBT 上承受的最大電壓 Udmax— 直流母線上的最大電壓 Imax— IGBT 上流過(guò)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(shí)際 IGBT 的電壓電流參數(shù)應(yīng)適當(dāng)提高一點(diǎn)。因此，正確合理地使用 鉛酸蓄電池對(duì) EPS 的無(wú)故障運(yùn)行有重要的影響。使用壽命一般為普通蓄電池的兩倍。原則上把這條曲線稱為最佳充電曲線。 （ 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及功率開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)損耗，逆變器的效率η為 。=Ud/2。 n 為輸出電壓中性點(diǎn)。 2/3） Ud、（177。 （ a） L 型 （ b） T 性 （ c） π 型 圖 低通濾波器的單元 電路 中小功率應(yīng)急電源的研究與設(shè)計(jì) 15 本設(shè)計(jì)三相逆變器采用 L型的低通濾波器。 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(duì)正弦信號(hào)波調(diào)制，也產(chǎn)生了和載波有關(guān)的諧波分量。 kω r 式中， n=1,3,5， ? 時(shí)， k=3（ 2m1） 177。一般情 況下 ω c》 ω r，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。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。在圖 中，處于通態(tài)的三個(gè)器件為 VD VD5 和 VD6，電網(wǎng)通過(guò)中小功率應(yīng)急電源的研究與設(shè)計(jì) 17 二極管 VD VD5 和 VD6 向直流側(cè)輸送能量，此時(shí)， uab=Ud， ubc=.Ud， uca=0。從電源控制方面考慮，Udc過(guò)低，不能完成控制 L中電流的任務(wù)； Udc過(guò)高，會(huì)提高器件的耐壓定額，增加系統(tǒng)成本，同時(shí)也降低系統(tǒng)可靠性 [8]。當(dāng)線電壓波形出現(xiàn)畸變時(shí)，電源電流也開(kāi)始畸變，并且產(chǎn)生相移，Ua U’fA ωLIa RIa UfA Ia I’a ωLI’a RI’a 中小功率應(yīng)急電源的研究與設(shè)計(jì) 19 從電網(wǎng)吸收無(wú)功功率 [9]。常用的方法有 RCD 吸收電路、 RC 吸收電路、 C吸收電 路 [11]。因此，對(duì)滿足上式的 L 值，還需綜合考慮對(duì)應(yīng)的最小直流電壓。 直流電 壓調(diào)節(jié)速度，考慮在實(shí)際直流電壓低于或高于參考電壓時(shí)，直流電壓的快速調(diào)節(jié)性。單片機(jī)輸出的 PWM 波不能直接驅(qū)動(dòng)功率管，需要外接驅(qū)動(dòng)芯片（ EXB840） 。 SA4828 的 引腳大體 可以分為三類信號(hào)： （ 1）與單片機(jī)的接口信號(hào)： AD0～ AD WR、 RD (2)輸入信號(hào)： CS、 CLK、 RESET、 SETTRIP 分別為片選、時(shí)鐘、復(fù)位信號(hào) ,SETTRIP 可快速關(guān)斷全部 SPWM 信號(hào)。 中小功率應(yīng)急電源的研究與設(shè)計(jì) 24 圖 SA4828 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 圖 SA4828 內(nèi)部 SPWM 產(chǎn)生原理 中小功率應(yīng)急電源的研究與設(shè)計(jì) 25 SA4828參數(shù)計(jì)算 表 初始化寄存器控制字功能 寄存器 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 功能 R0 FRS2 FRS1 FRS0 CFS2 CFS1 CFS0 輸出頻率和載波選擇 R1 PDT6 PDT5 PDT4 PDT3 PDT2 PDT1 PDT0 選擇脈沖取消時(shí)間 R2 PDY5 PDY4 PDY3 PDY2 PDY1 PDY0 死區(qū)時(shí)間選擇 R3 AC 0 0 WS1 WS0 選擇幅升和輸出波形 R4 R5 WD15 WD14 WD13 WD12 WD11 WD10 WD9 WD8 WD7 WD6 WD5 WD4 WD3 WD2 WD1 WD0 看門狗計(jì)數(shù)器 表 控制寄存器控制字功能 寄存器 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 功能 R0 R1 PFS7 PFS6 PFS5 PFS4 PFS3 PFS2 PFS1 PFS0 PFS15 PFS14 PFS13 PFS12 PFS11 PFS10 PFS9 PFS8 運(yùn)行頻率選擇字 R2 RST WTE CR INT F/R 復(fù)位、看門狗、正反轉(zhuǎn) R3 RAMP7 RAMP6 RAMP5 RAMP4 RAMP3 RAMP2 RAMP1 RAMP0 R 相輸出幅值選擇字 R4 SAMP7 SAMP6 SAMP5 SAMP4 SAMP3 SAMP2 SAMP1 SAMP0 S 相輸出幅值選擇字 R5 TAMP7 TAMP6 TAMP5 TAMP4 TAMP3 TAMP2 TAMP1 TAMP0 T 相輸出幅值選擇字 （ 1）寄存器 R0 的 D2～ D0， CFS2～ CFS0 載波頻率，設(shè) SA4828 的外接頻率（ fCLK)為 12MHz（最高可達(dá) ），載波頻率： fCARR=fCLK/512/2n+1 () 令 n=2，即 CFS2～ CFS0=010，所以 fCARR =2929Hz。 PFS/65536 () 設(shè)運(yùn)行頻率為 50Hz，則 PFS15～ PFS0=3475H?？刂葡到y(tǒng)的閉環(huán)是整流器直流側(cè)電壓控制環(huán)。 圖 間接電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 下面再來(lái)分析控制系統(tǒng)中其余部分的工作原理。外環(huán)的結(jié)構(gòu)、工作原理均和間接電流控制系統(tǒng)相同。與電網(wǎng)同步的三相正弦波信號(hào)由一個(gè)三相降壓變壓器組成，忽略變壓器的電阻和漏感，三相正弦 波信號(hào)與電網(wǎng)基本同步。常用的 IGBT 驅(qū)動(dòng)模塊有三菱公司的 M579 系列和富士公司