【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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(dòng)重發(fā)。 （ 6）可根據(jù)報(bào)文的 ID 決定接收或屏蔽該報(bào)文。 最終方案：從系統(tǒng)簡(jiǎn)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。 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。如圖 。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 雙向 DC/DC 變流器主電路 當(dāng)蓄電池放電時(shí)，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(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)。當(dāng) V8 截止時(shí)，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。 當(dāng)蓄電池要充電時(shí)，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(dòng)信號(hào)下導(dǎo)通時(shí)，二極管 VD8 處于截止?fàn)顟B(tài)，電流通過(guò)儲(chǔ)能電感L向蓄電池充電。當(dāng) V7 截止時(shí)，儲(chǔ)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(dòng) [2]。 中小功率應(yīng)急電源的研究與設(shè)計(jì) 9 雙向 DC/DC電路的設(shè)計(jì) 在雙向 DC/DC 電路中，有功率管 V V8和續(xù)流二極管 VD VD8，如圖 。可以選用由功率管和反并 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(chēng)為中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件 [3]。 選用 IGBT 時(shí)，主要考慮 IGBT 上承受的最大電壓和流過(guò) IGBT 上的最大電流以及開(kāi)關(guān)頻率等指標(biāo)來(lái)選擇合適的 IGBT。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)。三菱公司的 IGBT模塊 CM75DY24H，其耐壓值為 1200V，最大電流容量為 75A。 L的設(shè)計(jì) 儲(chǔ)能電感是雙向 DC/DC 必不可少的元件，儲(chǔ)能電感的選型直接影響雙向 DC/DC 電路的工作性能。儲(chǔ)能電感 L 的大小可由如下公式得到： L=UdTD(1D)/(2IOC) （ ） IOC=(1/5～ 1/3)IOM （ ） 式中： Ud— 直流端電壓 T— 開(kāi)關(guān)周期 D— 占空比 IOC— 臨界連續(xù)電流 IOM— 最小負(fù)載電流 中小功率應(yīng)急電源的研究與設(shè)計(jì) 10 為了使蓄電池兩端的電壓脈動(dòng)較小，應(yīng)在蓄電池兩端加上濾波電容，其容量如下式： C=UdT2/8L△ U0 () 式中： Ud— 直流端電壓 T— 開(kāi)關(guān)周期 L— 儲(chǔ)能電感 △ U0— 蓄電池兩端的電壓脈動(dòng)量 [4] 實(shí)際參考取值為 2mF，耐壓 600V。 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(chǔ)能裝置。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。 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(jià)格比較貴。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。 鉛酸蓄電池的工作原理 鉛酸蓄電池電極主要由鉛及其氧化物制成，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(yáng)極： PbSO4+2H2O2e＝ PbO2+4H++SO42 陰極： PbSO4+2e＝ Pb+SO42 放電： PbO2+Pb+2H2SO4＝ 2PbSO4+2H2O 負(fù)極： Pb+SO422e＝ PbSO4 正極： PbO2+4H++SO42+2e＝ PbSO4+2H2O 常用的鉛酸蓄電池分類(lèi) 我們常用的鉛酸蓄電池主要分為三類(lèi) ,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(jià)格便宜；缺點(diǎn)是比能低 (即每公斤蓄電池存儲(chǔ)的電能 )、使用壽命短和日常維護(hù)頻繁。 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(chēng)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。 (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(shì)，電解液的消耗量非常小，在使用壽命內(nèi)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(chǎng)上的免維護(hù)蓄電池也有兩種：第一種在購(gòu)買(mǎi)時(shí)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(shí)就已經(jīng)加好電解液并封死，用戶根本就不能加補(bǔ)充液 。 蓄電池的充電特性 容量是蓄電池的一個(gè)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： 安時(shí)容量 =放電電流179。放電時(shí)間 瓦時(shí)容量 =安時(shí)容量179。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(shí)，應(yīng)考慮放電電流的大小和放電時(shí)間的長(zhǎng)短。 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。 上世紀(jì) 60年代中期，美國(guó)科學(xué)家馬斯對(duì)開(kāi)口蓄電池的充電過(guò)程作了大量的試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)表明，如果充電電流按這條曲線變化，就可以大大縮短充電時(shí)間，并且對(duì) 電池的容量和壽命也沒(méi)有影響。原則上把這條曲線稱(chēng)為最佳充電曲線。 如圖 。 t i 0 圖 蓄電池可接受充電電流曲線 中小功率應(yīng)急電源的研究與設(shè)計(jì) 12 電池容量的選擇 蓄電池的容量選擇對(duì)整個(gè)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(shí)，蓄電池應(yīng)急供電時(shí)間若小于用戶所預(yù)期的應(yīng)急時(shí)間， EPS 將不能起到應(yīng)有的作用，甚至在消防應(yīng)急時(shí)危及人身安全。所以除了正確使用蓄電池之外，在主電路設(shè)計(jì)時(shí)，要針對(duì)系統(tǒng)具體要求，對(duì)蓄電池進(jìn)行合理的容量配置，使它的實(shí)際可供使用容量能滿足要求，蓄電池的實(shí)際可使用容量與放電電流大 小、環(huán)境溫度、蓄電池存儲(chǔ)的時(shí)間長(zhǎng)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(chēng)電壓為 12V 的蓄電池串聯(lián)，組成 360V 標(biāo)稱(chēng)工作電壓的蓄電池組，要求應(yīng)急供電時(shí)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 =P179。 （ 360179。 η ） =10179。 1000179。 （ 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 。同時(shí)考慮到電池標(biāo)稱(chēng)容量為 10 小時(shí)率，所以當(dāng)放電時(shí)間為 時(shí)，實(shí)際電池釋放容量達(dá)不到標(biāo)稱(chēng)值，所以根據(jù)經(jīng) 驗(yàn)，采用標(biāo)稱(chēng)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(chēng)容量為 65Ah 的 30 節(jié) OT6512 單體蓄電池串聯(lián)在一起組成一組電池組，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)。 雙向 PWM 變流器 PWM 逆變電路 逆變電路的工作原理 圖 PWM 逆變電路 中小功率應(yīng)急電源的研究與設(shè)計(jì) 13 當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障（過(guò)壓、斷電等）時(shí)，蓄電池先通過(guò)雙向 DC/DC 電路進(jìn)行升壓，然后通過(guò) PWM 逆變電路將直流母線電壓逆變成 PWM 波，輸出經(jīng)過(guò)濾波以后供給負(fù)載。 圖 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 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(gè)三角載波中小功率應(yīng)急電源的研究與設(shè)計(jì) 14 uc，三相的調(diào)制信號(hào) urA、 urB和 urC依次相差 120176。 。 A、 B 和 C 各相功率開(kāi)關(guān)器件的控制規(guī)律相同，現(xiàn)以 A 相為例來(lái)說(shuō)明。當(dāng) urAuc時(shí)，給上橋臂 V1 以導(dǎo)通信號(hào)，給下橋臂 V4 以關(guān)斷信號(hào)，則 A相相對(duì)于直流電源假想中點(diǎn) N’ 的輸出電壓 uAN39。=Ud/2。當(dāng) urAuc時(shí)，給下橋臂V4 以導(dǎo)通信號(hào)，給上橋臂 V1 以關(guān)斷信號(hào)，則 A 相相對(duì)于 直流電源假想中點(diǎn) N 的輸出電壓uAN39。=Ud/2。 V1和 V4 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)始終是互補(bǔ)的。當(dāng)給 V1(V4)加導(dǎo)通信號(hào)時(shí)，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(lái)決定。 B 相和C 相控制方式都和 A 相相同。電路的波形如圖 所示。 N 為直流電源假想中性點(diǎn)。 n 為輸出電壓中性點(diǎn)?？梢钥闯觯?uAN、 uBN和 uCN的 PWM 波形都只有177。 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(shí)， uAB=Ud，當(dāng)臂 3和 4導(dǎo)通時(shí)， uAB=Ud，當(dāng)臂 1和 3 或臂 4和 6 導(dǎo)通時(shí)， uAB =0。因此，逆變器的輸出線電壓 PWM 波由177。 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（177。 2/3） Ud、（177。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 6 Ud/4，即 UAB= Ud。在三相 PWM 逆變電路中，通常公用一個(gè)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(duì)稱(chēng)。同時(shí)，為了使一相的 PWM 波正負(fù)半周鏡對(duì)稱(chēng)， N 應(yīng)取奇數(shù) [5]。 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(zhuān)門(mén)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(chēng)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(jì)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(jí)聯(lián)等），連接成各種各樣的濾波器網(wǎng)絡(luò)。圖 所示為低通濾波器的單元電路。 （ 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。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ω 1L1/ω 1C, ω 1L對(duì)基波信號(hào)阻力很??； 1/ω 1C 對(duì)基波信號(hào)分流很小，因此允許基波信號(hào)通過(guò)。由于 fcfs,故ω cL1/ω cC, 故ω cL 對(duì)基波的 K 倍次諧波信號(hào)阻抗很高； 1/ω cC 對(duì)基波的 K 倍次諧波信號(hào)分流很大，因此濾波器不允許基波的 K 倍次諧波信號(hào)通過(guò)。 因?yàn)槟孀儤蜉敵鲭妷褐C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。 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。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(duì) PWM 波形進(jìn)行諧波分析。 同步調(diào)制可以看成異步調(diào)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(shí)，不同信號(hào)波周期的 PWM 波形是不相同的，因此無(wú)法直接以信號(hào)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(jí)數(shù)表達(dá)式，但這種分析過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜，而其結(jié)論卻是很簡(jiǎn)單而直觀的。 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)。現(xiàn)分析應(yīng)用較多的公用載波信號(hào)時(shí)的情況。在其輸出線電壓中，所包含的諧波角頻率為 nω c177。 kω r 式中， n=1,3,5， ? 時(shí)， k=3（ 2m1） 177。 1， m=1,2， ? ；