基于數(shù)碼交流發(fā)電機(jī)的不間斷供電系統(tǒng)設(shè)計

匡莉娟　施洪昌　金劍杭

摘 要：針對用戶對負(fù)載供電不間斷的實際需求,分析了數(shù)碼發(fā)電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其不能實現(xiàn)供電的不間斷性能的原因,提出一種由數(shù)碼發(fā)電機(jī)改造組成的交流不間斷供電系統(tǒng)的設(shè)計方法。該設(shè)計利用發(fā)電機(jī)內(nèi)部的逆變器,在市電正常時,由市電經(jīng)過逆變器給負(fù)載供電,同時給蓄電池充電；在市電斷電時,一邊啟動發(fā)電機(jī),一邊由蓄電池的直流電通過逆變器轉(zhuǎn)換成交流電供負(fù)載使用,實現(xiàn)無論市電正常還是異常,系統(tǒng)對負(fù)載提供不間斷電源。設(shè)計對市電進(jìn)行穩(wěn)壓、穩(wěn)頻、輸出零切換、蓄電池的充放電管理等新功能。此設(shè)計無需單獨購買不間斷電源,避免重復(fù)投資和資源浪費。

關(guān)鍵詞：數(shù)碼發(fā)電機(jī)；不間斷供電；蓄電池；逆變器

中圖分類號：TM13 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1004-373X(2009)01-078-03

Design of Uninterrupted Power Supply System Based on Digital Generator

KUANG Lijuan1,SHI Hongchang2,JIN Jianhang3

(1.College of Information & Engineer,Southwest University of Science & Technology,Mianyang,621002,China;

2.Equipment Design & Test Technology Institute,China Center of Air Dynamical Research & Development,Mianyang,621000,China;

3.Jinheng Power Technology Co.Ltd.,Hangzhou,310030,China)

Abstract：According to the users′ actually demand for uninterruptible power supply for loads,the internal structure of digital generator is analysed and the reason for its uninterruptible function can′t be achieved.A design of the uninterrupted power supply system which transformed from the digital generator is proposed.The system uses the inverter of generators,AC through inverter for loads,at the same time,charges the battery as AC is normal.Inverter the battery DC converters to AC for load,meanwhile,starting generator,when power failure.The system applies uninterruptible power for load,whether the AC is normal or abnormal,and design voltage and frequency stabilization,output zero-interrupted,battery charging and discharging management.Without requiring purchase an uninterruptible power supply separately,this design can avoid duplication of investment and wasting of resources.

Keywords：digital generator;uninterruptible power supply;battery;inverter

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及計算機(jī)的廣泛應(yīng)用,人們對供電的質(zhì)量提出了越來越嚴(yán)格的要求,計算機(jī)類或其他敏感設(shè)備,要求供電系統(tǒng)具有連續(xù)、可靠等性能。在許多重要場合均要求供電系統(tǒng)采用多路供電或自備發(fā)電機(jī)作為備用電源。

目前,柴(汽)油交流發(fā)電機(jī)的作用是在市電停電或者在沒市電的環(huán)境中能為負(fù)載提供交流電的裝置。目前市場上,一般要想利用發(fā)電機(jī)組成交流發(fā)電機(jī)不間斷供電系統(tǒng),首先想到的就是購買一臺不間斷電源［1］,該不間斷電源在市電正常情況下跟蹤市電相位,同時對蓄電池進(jìn)行充電；當(dāng)市電調(diào)電或異常時,一邊由蓄電池所存儲的直流電通過逆變器轉(zhuǎn)換成交流電繼續(xù)給負(fù)載供電,一邊自動啟動交流數(shù)碼發(fā)電機(jī),當(dāng)發(fā)電機(jī)啟動成功后,就由發(fā)電機(jī)給負(fù)載供電,保證供電的不間斷［2］。

以上的方法固然可以組成交流發(fā)電機(jī)不間斷電源,但是系統(tǒng)的成本大大增加,而且造成資源的浪費。這是因為數(shù)碼交流發(fā)電機(jī)內(nèi)部本身已經(jīng)存在逆變器,需要組成交流發(fā)電機(jī)不間斷電源無需再單獨購買不間斷電源,只要對數(shù)碼發(fā)電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造即可完成相關(guān)的功能。如果對現(xiàn)有的交流數(shù)碼發(fā)電機(jī)進(jìn)行改造,利用其內(nèi)部的逆變器實現(xiàn)在市電斷電情況下,把蓄電池存儲的直流電轉(zhuǎn)換成交流電供負(fù)載使用,可以大大節(jié)約投資成本,無需單獨購買不間斷電源,避免重復(fù)投資和資源浪費。

1 目前市場上的數(shù)碼交流發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡介

與普通發(fā)電機(jī)相比,數(shù)碼交流發(fā)電機(jī)直接與發(fā)動機(jī)結(jié)合,取消了飛輪,因此,其尺寸和重量上減小了50%,數(shù)碼發(fā)電機(jī)組還根據(jù)負(fù)載實際變化狀況來自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的高低并且在此范圍內(nèi)均可輸出恒定的50 Hz頻率,既滿足了對頻率要求穩(wěn)定的用電設(shè)備的需求,同時又有效地降低油耗,其油耗比普通機(jī)組要低20%～40%,運行時間更長,大大延長了整機(jī)的使用壽命,具有體積小、重量輕、效率高、電壓、頻率恒定等特點。

圖1是現(xiàn)在市場上的數(shù)碼發(fā)電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡圖。交流斷電時,啟動發(fā)電機(jī)模塊1,通過控制步進(jìn)電機(jī)控制油門6的大小,由控制/驅(qū)動模塊5去控制發(fā)電機(jī)的輸出電壓,使其整流模塊2的輸出電壓滿足在380 V±20 V范圍內(nèi),表示發(fā)電機(jī)啟動成功,然后由逆變模塊3進(jìn)行逆變,最后輸出經(jīng)過LC濾波模塊4向負(fù)載提供220 V±2%的交流電壓。發(fā)電機(jī)的啟動即使在正常的情況下也是需要幾秒的啟動時間,由于沒有蓄電池給逆變器供電,所以在發(fā)電機(jī)啟動的這段時間里,發(fā)電機(jī)對負(fù)載的供電是中斷的。因此現(xiàn)在市場上的數(shù)碼發(fā)電機(jī)沒有達(dá)到對負(fù)載供電零中斷的功能。

2 由數(shù)碼交流發(fā)電機(jī)改造的不間斷交流供電系統(tǒng)

該設(shè)計提供一種能夠利用交流數(shù)碼發(fā)電機(jī)改造成不間斷電源的方案,對現(xiàn)有的數(shù)碼交流發(fā)電機(jī)進(jìn)行改造,重新進(jìn)行設(shè)計,利用發(fā)電機(jī)內(nèi)部原有的逆變器,在市電正常時,由市電經(jīng)過逆變器給負(fù)載供電,同時給蓄電池充電；在市電斷電時,一邊啟動發(fā)電機(jī),一邊由蓄電池的直流電通過逆變器轉(zhuǎn)換成交流電供負(fù)載使用,實現(xiàn)無論市電正常還是異常,系統(tǒng)對負(fù)載提供不間斷電源,同時再設(shè)計對市電進(jìn)行穩(wěn)壓、穩(wěn)頻、輸出零切換、蓄電池的充放電管理等新功能,實現(xiàn)對負(fù)載供電的不間斷功能。

2.1 系統(tǒng)的基本工作原理

系統(tǒng)內(nèi)部的單片機(jī)檢測市電的輸入電壓,當(dāng)市電輸入電壓在220 V±25％范圍時表示市電正常,則由市電經(jīng)過輸入EMI濾波、PFC整流升壓,最后經(jīng)過逆變器逆變成AC 220 V±2％輸出正弦波電壓給負(fù)載供電。步進(jìn)電機(jī)通過光耦與經(jīng)過全橋整流的輸入交流市電相連,當(dāng)光耦處于“開”狀態(tài)時,表示交流市電在正常的范圍內(nèi),當(dāng)光耦處于“關(guān)”狀態(tài)時,表示交流市電異常,同時主控制器檢測蓄電池的電壓,當(dāng)蓄電池提供的直流電壓經(jīng)過DC/DC升壓后的電壓為360 V,表示此時處于蓄電池給逆變器供電,系統(tǒng)處于直流輸入狀態(tài),同時步進(jìn)電機(jī)控制器發(fā)出信號啟動發(fā)電機(jī),步進(jìn)電機(jī)油門控制器控制發(fā)電機(jī)油門大?。?-5］,當(dāng)檢測到發(fā)電機(jī)的輸出電壓在380 V±20 V時,表明發(fā)電機(jī)啟動成功,則系統(tǒng)就通過電子轉(zhuǎn)換開關(guān)切換到由交流發(fā)電機(jī)給負(fù)載供電。

2.2 系統(tǒng)的整體設(shè)計

交流發(fā)電機(jī)不間斷電源,包括CPU主控制模塊、市電輸入模塊、EMI濾波模塊、PFC、直流升壓模塊、蓄電池充放電管理模塊、逆變模塊、輸出濾波模塊、發(fā)電機(jī)模塊、步進(jìn)電機(jī)的油門控制以及其發(fā)電機(jī)的控制/驅(qū)動模塊。

圖2是改造的數(shù)碼交流發(fā)電機(jī)不間斷電源系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)示意圖。

下面對圖2交流發(fā)電機(jī)不間斷電源作具體介紹,該系統(tǒng)是由以下模塊組成的：CPU主模塊7,市電輸入模塊1,EMI濾波模塊2,PFC功率因數(shù)校正和直流升壓模塊3,輸出濾波模塊5,蓄電池充放電管理模塊6,逆變模塊4,發(fā)電機(jī)模塊8,步進(jìn)電機(jī),油門控制11以及其發(fā)電機(jī)的控制、驅(qū)動模塊10。主CPU模塊7分別與蓄電池充放電模塊6,逆變模塊4,輸出濾波模塊5,PFC直流升壓模塊3相連。

在圖2中,輸入的市電經(jīng)過EMI濾波處理后,經(jīng)過PFC模塊3進(jìn)行功率因數(shù)校正和直流升壓［6,7］,其輸出一方面通過蓄電池充電管理模塊6給系統(tǒng)內(nèi)的蓄電池充電,另一方面PFC模塊將電壓升壓至DC 360 V的經(jīng)過逆變模塊4進(jìn)行逆變,最后經(jīng)過LC濾波模塊5輸出220 V±2%的交流電。輸入市電正常時,由上述過程給負(fù)載供電；當(dāng)市電不正常時,系統(tǒng)自動啟動發(fā)電機(jī)模塊8,在發(fā)電機(jī)啟動的過程中由蓄電池給逆變模塊提供直流電,經(jīng)過逆變模塊后繼續(xù)向負(fù)載提供零中斷的交流電［4］。發(fā)電機(jī)的啟動過程中通過控制步進(jìn)電機(jī)控制油門11的大小,由控制驅(qū)動模塊10去控制發(fā)電機(jī)的整流輸出電壓大小［8］,當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓經(jīng)過整流模塊9后的電壓大于360 V時,表示發(fā)電機(jī)啟動成功,由發(fā)電機(jī)給負(fù)載提供交流電源,實現(xiàn)對負(fù)載供電的不中斷。在主控模塊7檢測到市電正常后,再由發(fā)電機(jī)供電切換到市電供電。在發(fā)電機(jī)供電切換到市電時,要進(jìn)行相位檢測與跟蹤,采用移相技術(shù),保證相位的隨時同步。在全部的供電切換過程中即由市電向蓄電池切換、蓄電池向發(fā)電機(jī)、發(fā)電機(jī)向市電的切換中,系統(tǒng)對負(fù)載的供電都是零中斷的。

3 結(jié) 語

針對當(dāng)前數(shù)碼發(fā)電機(jī)在啟動過程中對負(fù)載供電是中斷的,達(dá)不到對負(fù)載供電的零間斷能力,提出了一種方案,可以在原有數(shù)碼交流發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,進(jìn)行重新設(shè)計,改變數(shù)碼發(fā)電機(jī)原有的軟、硬件結(jié)構(gòu),但保留內(nèi)部的逆變器,來組成交流發(fā)電機(jī)不間斷供電系統(tǒng),實現(xiàn)對負(fù)載供電的零中斷功能。同時系統(tǒng)還增加了市電整流、濾波、PFC、直流升壓以及蓄電池充放電管理模塊,不僅可以向負(fù)載提供不間斷的交流電,還對市電進(jìn)行穩(wěn)壓、穩(wěn)頻,對負(fù)載提供純凈的正弦交流電［9,10］。同時系統(tǒng)的成本得到了大幅度的降低,體積和重量更小,蓄電池包可以方便地進(jìn)行維護(hù)和更換。

參考文獻(xiàn)

［1］Using a Generator with a Uninterruptible Power Supply.http://en.wikipedia.org/wiki/ Uninterruptible powersupply.

［2］史儀凱.異步電機(jī)發(fā)電原理及其應(yīng)用［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社,1994.

［3］楊隆梓,申建華,賴睿.一種基于AT89C52的遠(yuǎn)程直流電機(jī)控制系統(tǒng)［J］.電子科技,2004(9):7-11.

［4］任奇,李永晨,唐敏.基于DSP的數(shù)字化UPS逆變部分設(shè)計［J］.通信電源技術(shù),2007,24(3):34-36.

［5］高軍,黎輝.UPS逆變器數(shù)字化控制技術(shù)［J］.電工技術(shù)雜志,2001(12):6-9.

［6］Wanfeng Zhang,Guang Feng,Yan Fei Liu.A New Predictive Control Strategy for Power Factor Correction.Applied Power Electronics Conference and Exposition,2003 Eighteenth Annual IEEE,2003(1):9-13.

［7］ Qiu D Y,Yip S C,Henry S.H.Chung,et al.Single Current Sensor Control for Single-Phase Active Power Factor Correction.IEEE Transactions on Industrial Electronics,2002,17(9):623-632.

［8］許波.基于變頻單元并聯(lián)的調(diào)速裝置的研究［D］.西安：西安理工大學(xué),2006.

［9］Irving B T,Jovanovic.Analysis Design and Performance Evaluation of Droop Current-sharing Method.IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition.2003:235-241.

［10］Duan Shanxu,Meng Yu,Kang Yong,et al.Parallel Operation Control Technique of Voltage Source Inverters in UPS.IEEE International Conference on Power Electronics and Drive Systems.1999:883-887.

［11］唐金元,王翠珍.0～24 V可調(diào)直流穩(wěn)壓電源電路的設(shè)計方法.現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，31(4)：12-14.

作者簡介匡莉娟 女,1985年出生,江蘇盱眙人,碩士在讀。研究方向為UPS電源、通信電源、測控自動化。

施洪昌 男,1941年出生,江蘇啟東人,研究員、技術(shù)少將。研究方向為測控自動化、風(fēng)洞測控技術(shù)等。

金劍杭 男,1953年出生,浙江杭州人,總工程師。研究方向為電力專用UPS電源、通信電源、逆變電源、運算放大器等。