【正文】 1 章 前言 現(xiàn)代化社會(huì)的發(fā)展以及信息化的日益普及，我們的生活生產(chǎn)也越發(fā)以來(lái)電力。但是供電的故障時(shí)常是突發(fā)的，即使再完善的電網(wǎng)設(shè)備，意外的斷電也在所難免。 應(yīng)急供電系統(tǒng)中較為常見(jiàn)的是柴油發(fā)電 機(jī)和蓄電池。本文中著重研究的 EPS 電源就是上述的這種優(yōu)秀應(yīng)急供電系統(tǒng)。它在緊急情況下能作為重要負(fù)荷的第二或第三電源供給，可以成為不少場(chǎng)合的 UPS、柴油發(fā)電機(jī)組的代替產(chǎn)品。如果我們要把 EPS 應(yīng)用到擁有復(fù)雜而且精密的設(shè)備上（比如地鐵上的通信系統(tǒng)），由于地鐵機(jī)車(chē)擁有復(fù)雜而其精密的大型設(shè)備，因此相應(yīng)要求 EPS 所提供輸出的電源質(zhì)量和效率就要相當(dāng)高，這就對(duì)電源輸出電路的濾波技術(shù)產(chǎn)生了新的要求。 EPS 電源中包含了 DC/DC 變換、 DC/AC 變換和輸出濾波這三個(gè)環(huán)節(jié)。第二級(jí)變換器件 DC/AC變換器也采取了特殊控制，并且可以達(dá)到 97%的效率。而第三級(jí)輸出濾波器的效率問(wèn)題，往往被我們疏忽，如何將濾波器的效率提高到 98%以上，如何將高次諧波濾除，同時(shí)還有考慮成本重量體積等參數(shù)上達(dá)到理想效果，成為了現(xiàn)在研究的熱點(diǎn)。 第 2 章 EPS 電源簡(jiǎn)介 繼續(xù)教育 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） EPS 目前被廣泛應(yīng)用于建筑電氣領(lǐng)域，消防領(lǐng)域以及其他特殊應(yīng)急供電場(chǎng)合，是近幾年才迅速發(fā)展起來(lái)的一個(gè)新興行業(yè)。任何一套 EPS 裝置不論其容量大小、蓄電池多少、采用何種主電路結(jié)構(gòu)，從功能上來(lái)看都是由整流充電器、蓄電池逆變器燈變換組件、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、輸出配電開(kāi)關(guān)、監(jiān)視報(bào)警、保護(hù)電路等幾部分組成的。這充分體現(xiàn)了作為應(yīng)急電源 EPS 的主要特點(diǎn)就是配置靈活、使用方便，而且適用范圍廣、負(fù)載適應(yīng)性強(qiáng)、安裝方便、效率高。在應(yīng)急事故、照明等用電場(chǎng)所，它與轉(zhuǎn)換效率較低的其他應(yīng) 急供電系統(tǒng)相比較，具有更高的性?xún)r(jià)比。系統(tǒng)根據(jù)電網(wǎng)狀況的不同工作于兩種模式：在電網(wǎng)正常的時(shí)候系統(tǒng)工作在并聯(lián)型有源濾波器（ PAPF）模式，電網(wǎng)通過(guò)靜態(tài)開(kāi)關(guān)直接向負(fù)載供電，由雙向 PWM 變流器構(gòu)成的并聯(lián)型有源濾波器可以對(duì)非線性負(fù)載提供諧波和無(wú)功電流補(bǔ)償，因而在網(wǎng)側(cè)可以得到接近于正弦的電流和較高的功率因數(shù)。 因此，雙向 PWM 變流器 既可以實(shí)現(xiàn)市電正常時(shí)的整流、功率因數(shù)校正和諧波補(bǔ)償，也可以實(shí)現(xiàn)市電故障時(shí)的逆變。這樣就大大簡(jiǎn)化了 EPS 電路結(jié)構(gòu)，很好的解決了傳統(tǒng) EPS 電路的缺陷，并且降低了成本。 蓄電池組 PWM 變換器 升 / 降壓電路 濾波電路 繼續(xù)教育 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 控制技術(shù) 本文中所用的 EPS 逆變電路采用 SPWM 控制技術(shù)。其中，沖量是指窄脈沖的面積，效果基本相同是指輸出相應(yīng)的波形基本相同。這個(gè)理論是 PWM 技術(shù)的理論基礎(chǔ)。根據(jù)沖量相等效果相同的原理，這樣的一系列的矩形脈沖與正弦半波是等效的，對(duì)于正 弦波的負(fù)半周，也可以用同樣的方法得到 PWM 波形。 以正弦波作為逆變器輸出的期望波形，以頻率比期望波高得多的等腰三角波作為載波（ Carrier Wave），并用頻率和期望波相同的正弦波作為調(diào)制波（ Modulation Wave），當(dāng)調(diào)制波與載波相交時(shí)，有它們的交點(diǎn)確定逆變器開(kāi)關(guān)器件的通斷時(shí)刻，從而可以獲得在正弦調(diào)制波的半個(gè)周期內(nèi)呈兩邊窄中間寬的一系列等幅不等寬的矩形波 圖 是三相 PWM 逆變器的主電路。三相 SPWM 控制信號(hào)與三角載波相比較所得的控制信號(hào)分別控制三相 PWM 逆變器的三個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂的上下開(kāi)關(guān)由一組互補(bǔ)的 PWM 信號(hào)控制導(dǎo)通、關(guān)閉，從而得到三相輸出電壓。 [4] 圖 PWM 逆變器主電路 圖 SPWM 波逆變控制原理 由于 PWM 變壓變頻器的應(yīng)用非常廣泛，已制成多種專(zhuān)用集成電路芯片作為 SPWM 信號(hào)的發(fā)生器，后來(lái)更進(jìn)一步把它做在微機(jī)芯片里面，生產(chǎn)出多種帶 PWM 信號(hào)輸出口的 8位、繼續(xù)教育 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16位微機(jī)芯片和 DSP。其性能最終取決于它的電池，一旦電池失效，再好的 UPS/EPS 也無(wú)法提供不間斷供電。它使用高氫過(guò)電位的板柵材料，減少了電池在存放和充電過(guò)程中的氣體分解。 安全閥的使用使蓄電池很少產(chǎn)生氣體，又可使已產(chǎn)生的氧氣被負(fù)極所吸收，使蓄電池?zé)o水的損失，達(dá)到了密封免維護(hù)的目的。目前國(guó) 外使用一種 ABM（ Advanced Battery Management）三階段電池管理方案，既充電分成三個(gè)階段：第一階段是恒流均衡充電，將電池容量沖到 90%：第二階段是浮充充電，將電池容量充到 100%，然后停止充電：第三階段是自然放電，在這個(gè)階段里，電池利用自身的漏電流放電，一直到規(guī)定的電壓下限，再重復(fù)上述的三個(gè)階段。 金屬化鎳氫電池具有高能量密度的優(yōu)點(diǎn)，而且又無(wú)鎳鎘電池可能造成的鎘污染，將其應(yīng)用于 UPS/EPS 可以收到小型輕量化的優(yōu)點(diǎn)，但它的缺點(diǎn)是售價(jià)太高。 在 EPS 中，廣泛使用蓄電池作為儲(chǔ)存電能的裝置。當(dāng)市電中斷時(shí)， EPS 將依靠?jī)?chǔ)存在蓄電池中的能量維持其逆變器的正常工作。 目前在 EPS 中被廣泛使用的無(wú)需維護(hù)的密封式鉛酸蓄電池。與傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池相比，在使用、維護(hù)和管理上有著明顯的優(yōu)點(diǎn)。一般采用 Boost 升壓電路，通過(guò)調(diào)整占空比，可以將較低的蓄電池電壓升到三 相逆變器所需要較高的直流母線電壓，這樣可以大大減少蓄電池串聯(lián)個(gè)數(shù)，從而降低了成本。一般采用 Buck 降壓電路，通過(guò)調(diào)整占空比，可以將較高的直流母線電壓降低到蓄電池允許的較低的充電電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的充電。 輸出濾波電路 三相逆變器的輸出電壓既包含了 50Hz 的基波，也包含了開(kāi)關(guān)頻率及其鄰近頻帶的諧波。因此在逆變器輸出端應(yīng)該設(shè)置濾波器。也就是說(shuō)，載波頻率越高， SPWM 波形中的諧波頻率越高，也越容易濾除。允許通過(guò)信號(hào)頻率的范圍稱(chēng)為通帶，不允許通過(guò)信號(hào)頻率的范圍稱(chēng)為阻帶，通帶與阻帶交界的頻率稱(chēng)為截止頻率。 幾種專(zhuān)用 EPS （ 1）應(yīng)急照明和事故照明類(lèi)照明型的 EPS 一般以單相為主，主要為應(yīng)急照明場(chǎng)合（商場(chǎng)、娛樂(lè)場(chǎng)所、辦公場(chǎng)所、交易場(chǎng)所等）提供集中供電，如圖 所示。當(dāng)然，對(duì)于 EPS 的接法不同，還可以把 EPS當(dāng)作二路電源、三路電源使用。 此類(lèi)型 EPS 一般適用于負(fù)載性質(zhì)比較復(fù)雜的場(chǎng)合，譬如既有照明型負(fù)載，又有動(dòng)力型負(fù)載，所以一般以三相居多，如圖 所示。 圖 混合型 EPS 結(jié)構(gòu)圖 （ 3）本課題中所用 EPS 主要涉及地鐵機(jī)車(chē)，故著重分析電機(jī)專(zhuān)用的變頻起動(dòng)類(lèi) EPS。因此被廣泛應(yīng)用于大功率電動(dòng)機(jī)負(fù)載。當(dāng)需要電機(jī)負(fù)載工作時(shí)，送給變頻器激活信號(hào)（運(yùn)行信號(hào)、遠(yuǎn)程控制信號(hào)等），變頻器會(huì)立即輸出。 繼續(xù)教育 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） EPS 系統(tǒng)的保護(hù) 為確保 EPS 安全可靠地運(yùn)行，系統(tǒng)在軟件和硬件設(shè)計(jì)上均采取了保護(hù)措施，具體有過(guò)熱保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、蓄電池欠壓保護(hù)、反饋信號(hào)丟失保護(hù)、電源欠壓保護(hù)等保護(hù)措施。以 IGBT 為例，由于擎住效應(yīng)，通過(guò) IGBT 的電流過(guò)大會(huì)造成管子的損壞。過(guò)流信號(hào)的檢測(cè)來(lái)源于霍爾傳感器 和智能驅(qū)動(dòng)芯片。與軟件保護(hù)相比，硬件保護(hù)會(huì)更加迅速及時(shí)，過(guò)流保護(hù)必須要由相應(yīng)的硬件保護(hù)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。 蓄電池欠壓保護(hù) 蓄電池在使用過(guò)程中，必須要對(duì)它進(jìn)行欠壓保護(hù)，否則會(huì)因?yàn)樯疃确烹姸绊懶铍姵氐膲勖楸Ｗo(hù)蓄電池，在逆變器工作過(guò)程中必須對(duì)蓄電池電壓進(jìn)行監(jiān)控，設(shè)置蓄電池的欠壓保護(hù)點(diǎn)，但如果監(jiān)控點(diǎn)只是設(shè)為某一定值，則容易產(chǎn)生振蕩。為了避免出現(xiàn)這種振蕩現(xiàn)象，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)要加入滯環(huán) 繼續(xù)教育 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 反饋信號(hào)丟失保護(hù) 一般而言，不論單相 EPS 還是三相 EPS 系統(tǒng)，均只引入了一路電壓反饋信號(hào)（組合式的三相系統(tǒng)除外）組成閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。因此，系統(tǒng)在運(yùn)行中應(yīng)時(shí)刻檢測(cè)反饋信號(hào)，確信信號(hào)丟失就封鎖輸出 。反饋信號(hào)丟失保護(hù)是由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí)才使風(fēng)扇工作，溫度將到一定時(shí)風(fēng)扇停止工作，為避免出現(xiàn)振蕩，風(fēng)扇啟動(dòng)點(diǎn)和風(fēng)扇停止點(diǎn)之間需要設(shè)置滯環(huán)控制。由于系統(tǒng)溫度的采樣是由