新型三相应急电源的与设计毕业设计Word文档下载推荐.docx
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本文对一种在线式三相应急电源的工作原理进行了系统的分析，其基本工作原理为：
当市电正常时，负载由市电供电；
当市电异常时，负载由蓄电池供电.主电路由双向PWM电路、双向DC/DC电路、蓄电池和滤波电路等组成，通过分析它们的电路结构、工作原理、设计和控制策略，阐述了它们在EPS电路中的应用.系统控制技术采用PWM技术，其中三相逆变器采用专门的三相SPWM波发生器SA4828.本文提出的EPS还具有远程监控的功能，下位机（P8xC591）通过CAN总线与上位机（PC）进行相互通信，下位机检测到的状态信息可以及时地反馈给上位机，由上位机实时显示系统工作的状态曲线.
本设计的优点是功率因数较高，启动时间短，应急速度快，无噪声，维护简单，可以无人值守.最后，在理论分析和系统设计的基础上，应用计算机仿真软件Psim对系统进行了仿真.
关键词：
三相应急电压，双向DC/DC电路，双向PWM变流器，CAN总线，蓄电池
Abstract
Withthedevelopmentofsociety,suchcommunalfacilitiesastheHigh-risebuildings,hospitalandfactory,etc.willbehigherandhighertothedemandforsupplyingpower.Theinterruptionofthesupplywillleadtograveaccidentoreconomiclosses.Thispaperpresentsanewemergencypowersupplytoreducesuchlosses.
Inthispaper,wesystematicallyanalysisaonlinethree-phaseemergencypowersupply,Thebasicworkingprincipleis:
Theloadssuppliedbygridwhenthegridvoltageisnormal;
Theloadssuppliedbybatterieswhenthegridvoltageisabnormal.ThemaincircuitisconsistofbidirectionalPWMconverter,bidirectionalDC/DCconverter,batteriesandfiltercircuit.Byanalyzingtheircircuitstructure,workingprinciple,designandcontrolstrategy,illustrationoftheirapplicationintheEPScircuit.SystemcontroltechnologyusesPWMtechnology.Thethree-phaseinverterusesaspecialthree-phaseSPWMwavegeneratorSA4828.ThisproposedEPSalsohasthefunctionofremotemonitoring,Lowercomputer（P8xC591）throughtheCANbuswiththehostcomputer（PC）communication,lowercomputerdetectedstatusinformationcanbetimelyfeedbacktothehostcomputer,andhostcomputerreal-timedisplayfromtheworkofstatecurve.
Thisdesignhastheadvantagesofhighpowerfactor,shortstarttime,quickemergency,nonoise,simplemaintenanceandunattended.Finally,baseontheprincileanlysisandthesystemdesign,wesimulatewithcomputersimulationsoftwarePsim.
Keyword：
Three-PhaseEmergencyPowerSupply,BidirectionalDC/DCConverter
BidirectionalPWMConverter,CANBus,Lead-acidbatteries
第1章绪论
1.1应急电源的应用背景
社会发展越信息化、现代化，就越依赖于电，突然的断电必然会给人们的正常生活秩序和社会的正常运转造成破坏.特别是对于一级负荷中特别重要的负荷，一旦事故中断供电，将会造成重大的政治影响或经济损失，然而电力故障突发性强，往往不以人们的意志为转移，因为无论供电部门管理得再严格，电网设施再先进，断电也在所难免.因此除正常的电网供电电源外，还必须增设应急电源.常用的应急电源可有下列几种:
a.独立于正常电源的发电机组；
b.供电网络中有效地独立于正常电源的专门馈电线路；
c.蓄电池供电的不间断电源（UPS）和应急电源.
但多年来，运行经验表明，电气故障是无法限制在某个范围内部的，电力部门从未保证过不断电.因此，应急电源应是与电网在电气上独立的各种电源，即柴油发电机和蓄电池.其中蓄电池供电的有不间断电源装置（UPS）和允许短时电源中断的应急电源装置（EPS）两种.
柴油发电机组至今已经有五、六十年的历史了，然而，随着社会的进步，需求的提高，这种传统的做法也暴露出许多的问题.如柴油机发电机噪音大，排烟中含有有害气体，污染大气等.但是它的发电容量大，在大容量的场合，依然有应用.
UPS是不间断电源，但是它一般用于计算机、办公设备等场合，对环境要求比较高.
鉴于上述的两种备用电源的局限性，EPS应用而生.EPS（EmergencyPowerSupply）全称应急电源供电系统.它在紧急的情况作为重要负荷的第二或第三电源供给，不同程度上替代UPS和柴油发电机组产品.
EPS与传统的柴油发电机相比具有启动时间短，无排气排烟，无振动，维护简单，可以实现远程监控，无人值守.
1.2应急电源的分类
目前市场上的EPS品牌较多，但针对所带负载的种类大致可以分为以下三种：
一是主要用于应急照明和事故照明的EPS；
二是除应急照明、事故照明之外，还有空调、电梯、卷帘门、排气风机、水泵等电感性负载或兼而有之的混合供电的三相系列EPS；
三是直接给电动机供电的变频系列EPS.
1.3应急电源的应用现状和发展趋势
1.3.1EPS应用现状
目前市场上的EPS应急电源品牌众多，在设计上所采用的控制方式和控制手段不尽相同，但针对所带负载的种类大致可以归纳为以下三种：
一是主要用于应急照明和事故照明的单相EPS；
二是用于应急照明、事故照明之外，还有应用于空调、电梯、卷帘门、排气风机、水泵等电感性负载或兼而有之的混合供电的三相系列EPS；
在设计EPS时，目前都着重考虑其安全性、可靠性、适用性及合理性.主要有：
（1）断电转换时间一般在毫秒级（25ms），以保证供电的及时性；
（2）负载适应能力强，包括电容性、电感性、混合型负载，而且过载能力和抗冲击能力强；
（3）有多路输出，防止输出单一而形成故障；
（4）有消防联动和远程控制信号，可以实现手动与自动相互转换；
（5）环境适应能力强，适用于各种恶劣环境，有防止高低温、湿热、盐雾、灰尘、震动及鼠咬等措施；
（6）使用寿命长，有电池快速充电能力和管理能力；
（7）节能，运行效率高，运行成本低；
（8）有无人值守、自动操作功能；
（9）报警功能齐全，能及时提供各种异常状况的报警；
（10）有强启动功能，避免电池环节保护后无法启动；
（11）无烟雾、无噪音、无公害等；
1.3.2EPS发展趋势
由于EPS所带负载类型的复杂性和环境的相对固定性，针对不同场合、不同负载，可对EPS功能做得更贴近现实应用.其中包括以下几方面.
1.结构组成EPS为了更好地结合实际应用，往往采用“多合一”的结构设计，但由于负载及环境的复杂性，也由此带来设备标准化和设计院所、用户选型的困难.解决的办法是采用模块化设计，将主机与输入或输出配电分离开来.主机模块完成主要的能量转换及通讯控制功能；
配电模块实现丰富的配电管理功能.主机模块通过标准控制接口实现对配电模块的管理，如双电源自动切换功能，多回路输出功能，消防联动功能均应在配电模块中实现.
2.配电模块应增加功能EPS是用于紧急负载的供电，其负载往往为非单一的负载，而这些负载在紧急情况下的关键程度不尽相同，因此，对于EPS来说，某些配电管理功能至关重要.
（1）顺序启动功能,诸如EPS的负载很大一部分是感性冲击负载，具有较大的启动电流，在选型时必须加大EPS容量，从而造成设备资源的浪费以及用户成本的增加.实际上，由于EPS负载供电的可间断性，EPS可增加一个8路或16路的可编程配电管理接口，通过对负载启动的顺序、时间进行控制，可在很大程度上解决启动冲击电流和加大选型容量的问题.
（2）部分卸载功能由EPS负载性质决定，当过载发生时，需要EPS尽可能继续工作，而不能像UPS那样进行保护性关机，因此，同样可通过配电管理接口卸除次要负载.
（3）电池管理由于EPS的使用环境一般较UPS恶劣，为尽可能延长蓄电池的使用寿命，充电器应同时具备以下功能：
•可设定充电限流；
•可设定电池放电终止电压；
•具有自动浮充功能，充电机制应符合DIN41773标准；
•具有浮充电压温度补偿功能；
•智能电池检测功能；
•深放电保护（可强制应急）[1].
1.4本文的主要研究内容
与一般的EPS电路不同，本设计的主电路采用双向SPWM电路和双向DC/DC电路.当市电正常时，系统通过转换开关，由市电直接向负载供电，同时通过PWM整流电路和降压斩波电路为蓄电池供电.当市电异常时，切断市电至负载的通道，由升压斩波电路和PWM逆变电路为负载供电.由于采用了PWM整流电路，再加上适当的控制，可以使其输入电流非常接近正弦波，且和输入电压同相位，功率因数近似为1.这种整流电路也可以称为单位功率因数变流器，或高功率因数整流器.PWM整流器的控制方式采用应用较多的电流滞环控制.
本设计含有CAN总线，可以实现EPS的远程监控.为提高CAN模块通信的稳定性，CAN收发器的输入输出都采用高速光电耦合器.控制器局域网CAN为串行通信协议，能有效地支持具有很高安全等级的分布实时控制，其传输速率可达1Mbps.
蓄电池是逆变电源的一个很重要的部分.在市电故障后，由蓄电池担任供电任务，因此，正确合理的使用和管理蓄电池是设计应急电源的重点.市电正常时，应合理为蓄电池充电.蓄电池的充电方法很多，有恒流充电、恒压充电、浮充充电、脉冲充电等.配合应急电源的设计规范，本设计中，蓄电池充电基本上分为三个阶段.第一个阶段：
在蓄电池缺电严重的时候采用恒流充电，以使蓄电池较快的恢复大部分的能量.第二个阶段：
当恒流充电到蓄电池电压上升至某一设定值时，结束恒流充电，切换至恒压充电，以恢复剩下的能量.第三个阶段：
当恒压充电达到设定的时间后，结束恒压充电，转入浮充状态，以补偿蓄电池由于自放电而损失的能量，减少充放电循环次数，提高活性物质利用率和使用寿命.
第2章系统方案设计与认证
2.1系统方案
方案一
（1）硬件组成：
整流滤波电路、充电电路、蓄电池组、逆变器、输出滤波器、微控制器（P8XC591）、上位机.
（2）工作原理：
市电正常时通过转换开关，由市电直接给负载供电，同时通过整流滤波电路和充电电路，向蓄电池充电.当市电不正常时（断电），切断市电至负载的通路，通过逆变器和输出滤波器，由蓄电池向负载供电，系统由微控制器控制.上位机可以下达对整个电路的控制命令，并且可以随时监测整个电路的运行情况，上位机与微处理器使用RS232接口.
（3）系统原理图如图2.1所示
图2.1方案一系统原理图
方案二
三相开关、蓄电池组、双向DC/DC电路、双向PWM电路、滤波电路、微控制器、PC机.
当市电正常时，通过开关直接向负载供电，同时通过双向PWM电路和双向DC/DC电路向蓄电池充电.市电异常时（如断电），通过电磁阀切断市电至负载的线路，通过双向DC/DC电路、双向PWM电路以及滤波电路向负载供电.整个电路由微控制器（P8XC591）直接控制，PC机可以在线对整个EPS的工作情况进行监控.
（3）系统原理框图如图2.2所示
图2.2方案二系统原理图
2.2论证分析
方案一的主电路结构较为复杂，控制也比较繁琐，而且其整流电路的功率因素不高.方案二的主电路结构和控制手段相对简单，可靠性较高.晶闸管相控整流电路的输入电流滞后于电压，其滞后角随着触发延时角的增大而增大，位移因数也随之降低.同时，输入电流中谐波分量很大，所以功率因数很低.二极管整流电路虽然位移因数接近1，但输入电流中谐波分量很大，所以功率因数也很低.随着以IGBT为代表的全控型器件的不断进步，在逆变电路中采用的PWM控制技术已经相当成熟.目前，SPWM控制技术已在交流调速用变频器和不间断电源中获得了广泛的应用.把逆变电路中的SPWM控制技术用于整流电路，就形成了PWM整流电路.通过对PWM整流电路的适当控制，可以使其输入电流非常接近正弦波，且和输入电压通相位，功率因数近似为1.这种整流电路也可以称为单位功率因数变流器，或高功率因数整流器.将整流和逆变结合以及把升压斩波和降压斩波结合起来，电路的结构更加紧凑，工作性能也更好.
CAN总线与RS232相比，具有如下优势.
（1）直接通信距离最远可达10km（速率在5kbps以下）；
通信速率最高可达1Mbps（通信距离最长为40m）.
（2）CAN的每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，具有极好的检错效果.
（3）CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出的功能，以使总线上其他节点的操作不受影响.
（4）CAN采用非破坏总线仲裁技术.
（5）发送的信息遭到破坏后，可自动重发.
（6）可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文.
最终方案：
从系统简化和可靠性的角度考虑，主电路的拓扑结构采用双向PWM整流逆变电路和双向DC/DC变换电路，使用CAN总线与上位机通信，即选择方案二.
第3章应急电源主电路工作原理与设计
3.1双向DC/DC变流器
3.1.1双向DC/DC变流器的工作原理
双向DC/DC变流器主要由电感L，两个IGBT组成.如图3.1所示.该电路有两种模式：
升压模式（蓄电池放电）和降压模式（蓄电池充电）.
图3.1双向DC/DC变流器主电路
1.升压放电模式
当蓄电池放电时，双向DC/DC电路工作于升压模式.该模式由蓄电池、电感L、V8和VD7组成.当V8在驱动信号下而导通时，蓄电池给电感L充电，此时VD7处于截止状态.当V8截止时，由蓄电池、电感L、VD7组成续流回路，给负载和滤波电容Cd提供能量.
2.降压储能模式
当蓄电池要充电时，双向DC/DC电路工作于降压模式.该模式有蓄电池、电感L、V7和VD8组成.当VD7在驱动信号下导通时，二极管VD8处于截止状态，电流通过储能电感L向蓄电池充电.当V7截止时，储能电感、蓄电池和VD8组成续流回路，为蓄电池充电.滤波电容C0可以降低蓄电池端压的脉动[2].
3.1.2双向DC/DC电路的设计
1.开关管的选择
在双向DC/DC电路中，有功率管V7、V8和续流二极管VD7、VD8，如图3.1所示.可以选用由功率管和反并联的二极管集成在一起的双管IGBT模块，不仅可以使体积减小，而且可以提高工作性能.IGBT综合了GTR和MOSFET的优点，因而具有良好的特性，称为中小功率电力电子设备的主导器件[3].
选用IGBT时，主要考虑IGBT上承受的最大电压和流过IGBT上的最大电流以及开关频率等指标来选择合适的IGBT.对于本双向DC/DC变流器，电压、电流指标可以由如下公式得到：
Umax=Udmax（3.1）
Imax≈1.4P/Udmin（3.2）
式中：
Umax—IGBT上承受的最大电压
Udmax—直流母线上的最大电压
Imax—IGBT上流过的最大电流
P—蓄电池端输出功率
Udmin—直流母线上的最低电压
为了满足安全性和可靠性，实际IGBT的电压电流参数应适当提高一点.三菱公司的IGBT模块CM75DY-24H，其耐压值为1200V，最大电流容量为75A.
2.储能电感L的设计
储能电感是双向DC/DC必不可少的元件，储能电感的选型直接影响双向DC/DC电路的工作性能.储能电感L的大小可由如下公式得到：
L=UdTD（1-D）/（2IOC）（3.3）
IOC=（1/5～1/3）IOM（3.4）
Ud—直流端电压
T—开关周期
D—占空比
IOC—临界连续电流
IOM—最小负载电流
3.蓄电池端滤波电容的设计
为了使蓄电池两端的电压脉动较小，应在蓄电池两端加上滤波电容，其容量如下式：
C=UdT2/8L△U0（3.5）
L—储能电感
△U0—蓄电池两端的电压脉动量[4]
实际参考取值为2mF，耐压600V.
3.2蓄电池概述
在应急电源系统中，广泛使用蓄电池作为储能装置.在市电正常时，系统通过充电回路给蓄电池充电，在市电出现故障时，系统通过蓄电池的放电回路为负载继续提供电能.
目前，在应急电源系统中，密封式铅酸蓄电池得到了广泛的应用.但它价格比较贵.因此，正确合理地使用铅酸蓄电池对EPS的无故障运行有重要的影响.
3.2.1铅酸蓄电池的工作原理
铅酸蓄电池电极主要由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液.其电极反应式如下：
充电：
2PbSO4+2H2O=PbO2+Pb+2H2SO4
阳极：
PbSO4+2H2O-2e-＝PbO2+4H++SO42-
阴极：
PbSO4+2e-＝Pb+SO42-
放电：
PbO2+Pb+2H2SO4＝2PbSO4+2H2O
负极：
Pb+SO42--2e-＝PbSO4
正极：
PbO2+4H++SO42-+2e-＝PbSO4+2H2O
3.2.2常用的铅酸蓄电池分类
我们常用的铅酸蓄电池主要分为三类,分别为普通蓄电池、干荷蓄电池和免维护蓄电池三种.
（1）普通蓄电池；
普通蓄电池的极板是由铅和铅的氧化物构成，电解液是硫酸的水溶液.它的主要优点是电压稳定、价格便宜；
缺点是比能低（即每公斤蓄电池存储的电能）、使用寿命短和日常维护频繁.
（2）干荷蓄电池：
它的全称是干式荷电铅酸蓄电池，它的主要特点是负极板有较高的储电能力，在完全干燥状态下，能在两年内保存所得到的电量，使用时，只需加入电解液，等过20—30分钟就可使用.
（3）免维护蓄电池：
免维护蓄电池由于自身结构上的优势，电解液的消耗量非常小，在使用寿命内基本不需要补充蒸馏水.它还具有耐震、耐高温、体积小、自放电小的特点.使用寿命一般为普通蓄电池的两倍.市场上的免维护蓄电池也有两种：
第一种在购买时一次性加电解液以后使用中不需要维护（添加补充液）；
另一种是电池本身出厂时就已经加好电解液并封死，用户根本就不能加补充液.
3.2.3蓄电池的充电特性
容量是蓄电池的一个很重要的参数，蓄电池的容量是指：
充满电的蓄电池用一定的电流放电至规定放电终止电压的放电量，采用如下两种表示方法：
1、安时容量=放电电流×
放电时间
2、瓦时容量=安时容量×
平均放电电压
通常采用第一种表示方法，所以确定蓄电池组的容量时，应考虑放电电流的大小和放电时间的长短.
蓄电池充电通常要完成两个任务，首先是尽可能快地使电池恢复到额定容量，另一个任务是用浮充充电以弥补因自放电等而损失的电量，维持电池的额定容量.
上世纪60年代中期，美国科学家马斯对开口蓄电池的充电过程作了大量的试验研究，并提出了以最低出气率为前提的，蓄电池可接受的充电曲线，如图所示.实验表明，如果充电电流按这条曲线变化，就可以大大缩短充电时间，并且对电池的容量和寿命也没有影响.原则上把这条曲线称为最佳充电曲线.如图3.2所示.
3.2.4电池容量的选择
蓄电池的容量选择对整个系统的正常运行起着非常重要的作用，如果市电供电中断时，蓄电池应急供电时间若小于用户所预期的应急时间，EPS将不能起到应有的作用，甚至在消防应急时危及人身安全.所以除了正确使用蓄电池之外，在主电路设计时，要针对系统具体要求，对蓄电池进行合理的容量配置，使它的实际可供使用容量能满足要求，蓄电池的实际可使用容量与放电电流大小、环境温度、蓄电池存储的时间长短、负载特性等因素有关.本系统采用30节单体标称电压为12V的蓄电池串联，组成360V标称工作电压的蓄电池组，要求应急供电时间为90分钟，可以得出蓄电池所选择的容量
单节电池容量=P×
1.5/（360×
η）=10×
1000×
1.5/360/0.8=52.1（Ah）
上式中P为EPS系统的额定输出功率，考虑到滤波器的损耗以及功率开关的开关损耗，逆变器的效率η为0.8.同时考虑到电池标称容量为10小时率，所以当放电时间为1.5h时，实际电池释放容量达不到标称值，所以根据经验，采用标称容量为65Ah容量的蓄电池组能满足系统要求，由此可以选用标称容量为65Ah的30节OT65-12单体蓄电池串联在一起组成一组电池组，可以满足10KW的EPS电源系统在市电断电后向用户提供90分钟的应急电力供应.
3.3双向PWM变流器
3.3.1PWM逆变电路
1.PWM逆变电路的工作原理
图3.3PWM逆变电路
当电网发生故障（过压、断电等）时，蓄电池先通过双向DC/DC电路进行升压，然后通过PWM逆变电路将直流母线电压逆变成PWM波，输出经过滤波以后供给负载.图3.3是三相桥式PWM型逆变电路，这种电路一般采用双极性控制方式.
图3.4三相桥
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