【文章內容簡介】 在 80%90%。這樣也造成了 UPS 的相對壽命較短，一般為 58 年。 UPS 更適合于電容性負載，主要應用于對電能質量要求極高的計算機、服務器、程控交換機和集料設備等。下面通過圖表來更直觀的對比 EPS 與 UPS 的特點，如表 11。 表 11 EPS 與 UPS 的對比 EPS UPS 運行方式 電網(wǎng)正常時處于睡眠狀態(tài)， 電網(wǎng)失電時運行 長期持續(xù)工作 供電效率 92%以上 80%90% 使用壽命 一般為 20 年以上 一般為 58 年 切換時間 ≤ 10ms 左右 噪音污染 睡眠時無噪音， 供電時＜ 55dB 一般為 5565dB 負載適應性 感性、各種混合用電負載 電容性、電阻性負載 工作目的 確保供電持續(xù)不間斷 確保供電不間斷，改善電壓 工作環(huán)境 建筑豎井或配電室 計算機房或空調房 價格 約為同容量 UPS 的 60% 價格偏高 EPS 與發(fā)電機組 EPS 應急電源啟動速度遠高于發(fā)電機組，供電質量穩(wěn)定高效，并且維護簡單，可無人值守，而發(fā)電機組 電壓不穩(wěn)，效率低還需專人值守。在成本上EPS 只需一次性投入而發(fā)電機組的輔助設施造價高，運行成本高，還需要專用機房，占地面積較大。 EPS 電源不足于發(fā)電機組的就是 EPS 供電時間取第 1章 緒論 5 決于蓄電池的容量，一般為 30120 分鐘，發(fā)電機組則能長期持續(xù)供電。具體的比較如表 12。 表 12 EPS 與發(fā)電機組的比較 EPS 發(fā)電機組 啟動時間 ≤ 530s 供電時間 30120min 可長時間持續(xù)供電 供電質量 電壓穩(wěn)定、波形好、高效 電壓不穩(wěn)、效率低 運行維護 維護簡單，可無人值守自動 操作， 也可計算機監(jiān)控 需要專人看管，定期維護 污染 噪音小、無氣體排放、無公害 噪音大、震動強、有二氧化硫排放 造價及 運行成本 一次性投入，后續(xù)運行投入低 設備采購成本一般，輔助設施造價高，運行成本高 EPS 與自帶蓄電池應急燈 與自帶蓄電池應急燈相比， EPS 應急電源只需初次投資，避免了重復投資，免維護，并且壽命較長。而自帶蓄電池應急燈需要定期重復投資，需要人工定期逐個充放電，一般壽命為一年左右。詳細比較如表 13 所示。 表 13 EPS 與自帶蓄電池應急燈的比較 EPS 自帶蓄電池應急燈 維護管理 免維護 需要人工定期逐個充放電 實際使用 集中故障監(jiān)控報警 無故障報警，損壞不能及時發(fā)現(xiàn) 價格 一次性投入，后續(xù)運行投入低 初次投資費用較高， 需定期重復投資 使用壽命 一般 20 年以上 一般壽命一年左右 燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文） 6 第 2章 基本方案設計 設計思路及結構 設計思路 設計的基本 思路為： 當市電工作正常時， 外接的 負載 由市電單獨供應，為防止重復供電，此時 EPS 與負載是被阻斷的， EPS 的逆變器不工作，處于休眠狀態(tài)。 市電除了供應正常使用的負載外，還要給 EPS 的蓄電池進行充電， 市電通過 單相全橋不可控整流電路將給定的交流電整流為直流電，再通過雙向 DC/DC 變換器的 Buck 工作模式調節(jié)至固定電壓給蓄電池充電。 當檢測裝置檢測到市電供應出現(xiàn)問題時，系統(tǒng)自動切換， 首先斷開市電與負載間的開關， 由 EPS 向負載供電。此時 EPS 中 雙向 DC/DC 變換器轉變?yōu)?Boost 模式工作， 蓄電池通過雙向 DC/DC 變換器放電 ， 逆變器這時也恢復工作，輸出電壓經(jīng)過 逆變器轉變?yōu)榻涣麟姽┙o負載，直到檢測到市電恢復正常時，又斷開逆變器與負載間的開關，單獨用市電供電。 如圖 21 為 EPS結構框圖， 圖 22 為系統(tǒng)基本電路 。 EPS 基本 結構 圖 21 整體結構框圖 第 2章 基本方案設計 7 S1B TT1T2S3V1V2V3V4S2 市 電供 應負 載 圖 22 EPS 電路原理圖 開 始檢 測 市 電供 電 是 否 正 常切 斷 E P S供 電市 電 單 獨供 電切 斷 市 電供 電蓄 電 池 放電 狀 態(tài)E P S 單 獨供 電蓄 電 池 充電 狀 態(tài)NY 圖 23 EPS 工作流程圖 如圖 23 所示，由 EPS 應急電源系統(tǒng)流程可知為了防止市電突然啟動或是虛晃斷電，造成市電和 EPS 重復供電而損壞負載，設計中總是先切斷一種供電方式，再提供另一種電源進行供電。 燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文） 8 PWM控制技術簡介 PWM控制技術及其發(fā)展 PWM（ Pulse Width Modulation）控制技術就是對脈沖的寬度經(jīng)行調制的技術。即通過一系列脈沖寬度進行調制，來等效的獲得所需要的波形，包括形狀和幅值。也就是通過脈沖控制，利用半導體開關器件的開通和關斷，以實現(xiàn)變頻、變壓，控制和消除諧波的一門技術。 PWM 控制技術應用最為廣泛是在逆變電路中，它對逆變電路的影響也最深刻?，F(xiàn)在大量應用的逆變電路中的，絕大部分都是 PWM 型逆變電路。可以說 PWM 控制技術正是有賴于在逆變電路中的應用才發(fā)展的比較成熟，從而確定了它在電力電子技術中的重要地位。 隨著電壓型逆變器在高性能電力電子裝置，如交流傳動、 UPS 電 源、有源濾波器中應用的越來越廣泛， PWM 控制技術作為這些系統(tǒng)的核心技術得到人們的高度重視，并且得到越來越深入的研究。目前已經(jīng)提出并得到實際應用的 PWM 控制方案有十幾種， PWM 控制技術的發(fā)展經(jīng)歷了一個不斷創(chuàng)新和不斷完善的過程，而且新的控制方案還在不斷地提出。 SPWM控制技術 脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化和正弦波等效的 PWM 波形，也稱 SPWM波形。在各種 PWM 控制技術中，正弦 PWM 技術是應用最廣而且是比較成熟的一種變頻調速方案，這種控制方法可以使電機的調速工作在近似正弦的變電壓下同時有效的抑制低次諧 波，其轉矩脈動小，大大擴展了交流電機的調速范圍。 SPWM 技術不僅包括正弦電壓，還包括磁通正弦 PWM，電流正弦 PWM。 電壓正弦 PWM 技術可以使用模擬電路、數(shù)字電路或集成電路芯片來實現(xiàn)。數(shù)字化 PWM 的方法，常用的有自然采樣法和規(guī)則采樣法等。磁通SPWM，即空間電壓矢量 SVPWM 法與電壓 SPWM 不同，它是從電機的角度作為出發(fā)，強調怎樣使電機獲得幅值恒定的圓形磁場。在交流電機的控制、有源濾波和逆變器等電路中電流 SPWM 技術的使用較為廣泛。現(xiàn)在，實現(xiàn)第 2章 基本方案設計 9 這種 PWM 逆變器的方法有很多，分為 PI 控制，滯環(huán)控制及無差拍控制等幾種，都有控制簡單、動態(tài)響應快和電壓利用率高的特點。 SPWM技術原理 在采樣控制理論中有一個重要結論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。 上述原理可以稱之為面積等效原理，它是 SPWM 控制技術的重要理論基礎。 SPWM 技術的控制方法主要分為計算法和調制法，因為計算法十分繁瑣，在實際應用中基本都使用調制法，下面來進一步說明。 (1) 面積等效法 如圖 24 所示，這種方法從平均能量等效概念出發(fā) ,將正弦波沿著時間軸分為若干等份 ,而每一等份所包含的正弦波面積都用一個與此面 積相等的矩形脈沖來代替 ,根據(jù)這種等效的關系來確定開關器件的通斷狀態(tài)。 ω tω t00UU 圖 24 SPWM 面積等效法 (2) 三角波調制法 Vm SPWM 技術是提高逆變器電壓輸出質量的一種常用方法，如圖 25 為一個正弦波與高頻的三角波波形進行比較，正弦波是逆變器輸出的期望波形 ,以正弦波為調制波信號 ,以頻率比期望波高很多的三角波作為載波 ,當調制波燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文） 10 和載波相交時 ,由他們的交點確定逆變器開關器件的通斷時刻 ,從而得到相應的矩形波來控制開關器件，目前很多控制方法的基礎都還是 SPWM 原理 ,只是改進以及優(yōu)化了它的補償算法 ,如 PID 控制、重復控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制。它們主要通過補償算法 ,改變正弦調制波信號 ,讓調制波加入需要抵消的諧波或是快速跟蹤標準正弦信號 ,從而減小輸出阻抗 ,提高輸出波形的質量。 Uc mUs mTsUa btt 圖 25 SPWM 三角波調制法 小結 通過上一章的介紹可以知道 EPS 的發(fā)展由來，基本作用 ， 還有 和其他產(chǎn)品相比較而言的優(yōu)勢。 本章介紹了方案設計的基本主體電路，使用了結構框圖、流程圖、電路圖等從整體描述了 EPS 系統(tǒng)的工作原理，通過流 程圖了解到了 EPS 應急電源的工作過程和大致的控制方式。還分析了 PWM 控制技術的原理，發(fā)展以及 SPWM 控制技術的控制方法。 在 下一章 中將詳細分析 EPS 系統(tǒng)各部分的設計。第 3章 EPS系統(tǒng)主體設計 11 第 3章 EPS系統(tǒng)主體設計 控制原理 在市電供應正常時，市電要給 EPS 蓄電池提供電能，設計要求給出220VAC 輸入輸出，所以要經(jīng)過一系列變換將市電變換為可以供蓄電池充電的電源，首先要經(jīng)過一個整流電路將 220V 的交流電變?yōu)橹绷鳌? 我選定了單相橋式不可控整流電路，電路的控制簡單，且輸出很穩(wěn)定，下面來分析該電路 的工作原理。 V D1V D3V D2V D4CRUUd 圖 31 電容濾波的單相橋式不可控整流電路 如圖 31 是單相橋式不可控整流電路，該電路的基本工作過程是，在 U正半周期過零點至 wt=0 期間，因 UUd，故二極管均不導通，此階段電容 C向電阻 R 放電，提供負載所需電流，同時 Ud 下降。至 wt=0 之后， U 將要超過 Ud，使得 VD1和 VD4開通， Ud=U，交流電源向電容充電，同時向負載 R充電。在 wt 達到 θ 時 VD VD4關斷，另一對二極管 VD VD3導通，此后 U 又向電容 C 充電，與 U 的正半周的情況 一樣。 燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文） 12 主要數(shù)量關系 輸出電壓平均值：空載時 R=∞ ，放電時間常數(shù)為無窮大，輸出電壓最大， Ud=；重載時， R 很小，電容放電很快，幾乎失去儲能作用，隨著負載的加重， Ud 逐漸趨近于 ，即趨近于電阻負載時的特性。 電流平均值：輸出電流皮均值為 RUI d? (31) 在一個電源周期中， I 有兩個波頭，分別流過 VD VD4和 VD VD3，所以流過某個二極管的電流 Ivd 只是兩個波頭中的一個，其平均值為 2IIvd? (32) 雙向 DC/DC變換器 免維護鉛酸蓄電池 本文的逆變式 EPS 的儲能裝置采用免維護鉛酸蓄電池，免維護鉛酸蓄電池是在傳統(tǒng)蓄電池上進行改進過的產(chǎn)品，相比于傳統(tǒng)蓄電池減小了體積、重量，減少了維護，使用壽命相對更長且對環(huán)境影響很小，是現(xiàn)在 EPS、UPS 中最常用的儲能裝置。它將電能轉換為化學能儲存起來，當市電中斷時，EPS 靠儲存在蓄電池中的化學能再轉變?yōu)殡娔芄撦d能量。 蓄電池容量要根據(jù)實際 放電電壓電流以及預計使用時間來決定。 鉛酸蓄電池放電電流 ENPI ????? ?cosm ax (33) 上式中： Imax—— 鉛酸蓄電池最大放電電流 P—— EPS 額定輸出功率 cosφ —— EPS 輸出功率因數(shù) η —— EPS 逆變效率 N—— 蓄電池組中蓄電池個數(shù) 第 3章 EPS系統(tǒng)主體設計 13 E—— 蓄電池放電電壓 在蓄電池放電的過程中，電壓電流都是變化的，根據(jù)蓄電池的放電狀態(tài)，一般去 為功 率校正因數(shù)，蓄電池的實際放電電流為 I=。 鉛酸蓄電池的容量 有了實際放電電流值，再根據(jù)所需要的使用時間，按如下公式便可得到所需電池的容量 蓄電池容量 (Ah)=蓄電池實際放電電流