【文章內(nèi)容簡介】 采用非破壞總線仲裁技術。 （ 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，主電路的拓撲結(jié)構采用雙向 PWM 整流逆變電路和雙向 DC/DC 變換電路， 使用 CAN 總線 與上位機通信， 即選擇方案二。 中小功率應急電源的研究與設計 8 第 3 章 應急電源主電路 工作原理與設計 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 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 V8 在驅(qū)動信號下而導通時，蓄電池給電感 L 充電，此時 VD7 處于截止狀態(tài)。當 V8 截止時，由蓄電池、電感 L、 VD7 組成續(xù)流回路 ，給負載和濾波電容 Cd 提供能量。 當蓄電池要充電時，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 VD7 在驅(qū)動信號下導通時，二極管 VD8 處于截止狀態(tài)，電流通過儲能電感L向蓄電池充電。當 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]。 中小功率應急電源的研究與設計 9 雙向 DC/DC電路的設計 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 ?？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，因而具有良好的特性，稱為中小功率電力電子設備的主導器件 [3]。 選用 IGBT 時，主要考慮 IGBT 上承受的最大電壓和流過 IGBT 上的最大電流以及開關頻率等指標來選擇合適的 IGBT。對于本雙向 DC/DC 變流器，電壓、電流指標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)應適當提高一點。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(1D)/(2IOC) （ ） IOC=(1/5～ 1/3)IOM （ ） 式中： Ud— 直流端電壓 T— 開關周期 D— 占空比 IOC— 臨界連續(xù)電流 IOM— 最小負載電流 中小功率應急電源的研究與設計 10 為了使蓄電池兩端的電壓脈動較小，應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— 開關周期 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。 蓄電池概述 在應急電源系統(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載繼續(xù)提供電能。 目前，在應急電源系統(tǒng)中，密封式鉛酸蓄電池得到了廣泛的應用。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。其電極反應式如下： 充電： 2PbSO4+2H2O=PbO2+Pb+2H2SO4 陽極： PbSO4+2H2O2e＝ PbO2+4H++SO42 陰極： PbSO4+2e＝ Pb+SO42 放電： PbO2+Pb+2H2SO4＝ 2PbSO4+2H2O 負極： Pb+SO422e＝ PbSO4 正極： PbO2+4H++SO42+2e＝ PbSO4+2H2O 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成，電解液是硫酸的水溶液。它的主要優(yōu)點是電壓穩(wěn)定、價格便宜；缺點是比能低 (即每公斤蓄電池存儲的電能 )、使用壽命短和日常維護頻繁。 中小功率應急電源的研究與設計 11 (2）干荷蓄電池：它的全稱是干式荷電鉛酸蓄電池，它的主要特點是負極板有較高的儲電能力，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，只需加入電解液，等過 20— 30 分鐘就可使用。 (3） 免維護蓄電池：免維護蓄電池由于自身結(jié)構上的優(yōu)勢，電解液的消耗量非常小，在使用壽命內(nèi)基本不需要補充蒸餾水。它還具有耐震、耐高溫、體積小、自放電小的特點。使用壽命一般為普通蓄電池的兩倍。市場上的免維護蓄電池也有兩種：第一種在購買時一次性加電解液以后使用中不需要維護 (添加補充液 )；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充液 。 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： 安時容量 =放電電流179。放電時間 瓦時容量 =安時容量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，應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，首先是盡可能快地使電池恢復到額定容量，另一個任務是用浮充充電以彌補因自放電等而損失的電量，維持電池的額定容量。 上世紀 60年代中期，美國科學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 。 t i 0 圖 蓄電池可接受充電電流曲線 中小功率應急電源的研究與設計 12 電池容量的選擇 蓄電池的容量選擇對整個系統(tǒng)的正常運行起著非常重要的作用，如果市電供電中斷時，蓄電池應急供電時間若小于用戶所預期的應急時間， EPS 將不能起到應有的作用，甚至在消防應急時危及人身安全。所以除了正確使用蓄電池之外，在主電路設計時，要針對系統(tǒng)具體要求，對蓄電池進行合理的容量配置，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、蓄電池存儲的時間長短、負載特性等因素有關。本系統(tǒng)采用 30節(jié)單體標稱電壓為 12V 的蓄電池串聯(lián)，組成 360V 標稱工作電壓的蓄電池組，要求應急供電時間為 90分鐘，可以得出蓄電池所選擇的容量 單節(jié)電池容量 =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關的開關損耗，逆變器的效率η為 。同時考慮到電池標稱容量為 10 小時率，所以當放電時間為 時，實際電池釋放容量達不到標稱值，所以根據(jù)經(jīng) 驗，采用標稱容量為 65Ah 容量的蓄電池組能滿足系統(tǒng)要求，由此可以選用標稱容量為 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 分鐘的應急電力供應。 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 中小功率應急電源的研究與設計 13 當電網(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 控制通常公用一個三角載波中小功率應急電源的研究與設計 14 uc，三相的調(diào)制信號 urA、 urB和 urC依次相差 120176。 。 A、 B 和 C 各相功率開關器件的控制規(guī)律相同，現(xiàn)以 A 相為例來說明。當 urAuc時，給上橋臂 V1 以導通信號，給下橋臂 V4 以關斷信號，則 A相相對于直流電源假想中點 N’ 的輸出電壓 uAN39。=Ud/2。當 urAuc時，給下橋臂V4 以導通信號，給上橋臂 V1 以關斷信號，則 A 相相對于 直流電源假想中點 N 的輸出電壓uAN39。=Ud/2。 V1和 V4 的驅(qū)動信號始終是互補的。當給 V1(V4)加導通信號時，可能是 V1(V4)導通，也可能是二極管 VD1(VD4)續(xù)流導通，這要由阻感負載中電流的方向來決定。 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。 n 為輸出電壓中性點。可以看出， 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?？梢钥闯觯敱?1與臂 6導通時， uAB=Ud，當臂 3和 4導通時， uAB=Ud，當臂 1和 3 或臂 4和 6 導通時， uAB =0。因此，逆變器的輸出線電壓 PWM 波由177。 Ud和 0三種電平構成。從波形圖可以看出，負載相電壓的 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，以使三相輸出波嚴格對稱。同時，為了使一相的 PWM 波正負半周鏡對稱， N 應取奇數(shù) [5]。 工程上根據(jù)輸出端口對信號頻率范圍的要求，設計專門的網(wǎng)絡，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，工程上稱為濾波器。工程上利用電感 L和電容 C 彼此相反而又互補的頻率特性，先設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。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 中小功率應急電源的研究與設計 15 本設計三相逆變器采用 L型的低通濾波器。其工作原理為：設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對基波信號阻力很?。?1/ω 1C 對基波信號分流很小，因此允許基波信號通過。由于 fcfs,故ω cL1/ω cC, 故ω cL 對基波的 K 倍次諧波信號阻抗很高； 1/ω 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該設 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，但由于使用載波對正弦信號波調(diào)制，也產(chǎn)生了和載波有關的諧波分量。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之一，因此有必要對 PWM 波形進行諧波分析。 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，不同信號波周期的 PWM 波形是不相同的，因此無法直接以信號波周期為基準進行傅 里葉分析。以載波周期為基礎，在利用貝塞爾函數(shù)可以推導出 PWM 波的傅里葉級數(shù)表達式，但這種分析過程相當復雜，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。現(xiàn)分析應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 nω c177。 kω r 式中， n=1,3,5， ? 時， k=3（ 2m1） 177。 1， m=1,2， ? ；