基于ＰＷＭ整流器的新型ＥＰＳ電源

賴建生　王坤林

摘 要： EPS作為一種可靠的綠色應(yīng)急供電電源，在社會(huì)發(fā)展過(guò)程中的作用不斷增大，對(duì)它的研究也愈加深入。本文針對(duì)傳統(tǒng)的EPS充電電路與逆變電路分開(kāi)的現(xiàn)狀，提出了一種新型的基于PWM整流器的EPS電源，使兩者合為一體，降低成本，提高系統(tǒng)的可靠性，具有廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞： PWM整流器 EPS應(yīng)急電源 工作原理

1.引言

GB50045—95（2001年版）規(guī)定：“一級(jí)負(fù)荷應(yīng)由兩個(gè)電源供電，當(dāng)一個(gè)電源發(fā)生故障時(shí)，另一個(gè)電源應(yīng)不致同時(shí)受到損壞。一級(jí)負(fù)荷中特別重要負(fù)荷，除上述兩個(gè)電源外，還必須增設(shè)應(yīng)急電源?！背Ｓ玫膽?yīng)急電源有下列幾種：（1）獨(dú)立于正常電源的發(fā)電機(jī)組；（2）供電網(wǎng)絡(luò)中有效地獨(dú)立于正常電源的專門饋電線路；（3）蓄電池。應(yīng)急電源包括柴油發(fā)電機(jī)組、EPS和UPS。EPS尤其適用于當(dāng)高層建筑消防設(shè)施沒(méi)有第二路市電，又不便于使用柴油發(fā)電機(jī)組的場(chǎng)合。PWM整流器具有功率因數(shù)可為“1”，交流側(cè)電流為正弦波和電能可以雙向傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)。下面先介紹PWM整流器的工作原理，再提出把充電電路與逆變電路集為一體的新型EPS電源。

2.PWM整流器工作原理

PWM整流器采用全控型開(kāi)關(guān)管取代傳統(tǒng)的半控型開(kāi)關(guān)管或二極管，以PWM斬控整流取代了相近整流或不控整流，具有以下幾大優(yōu)良性能：

（1）交流側(cè)電流這正弦波。

（2）交流側(cè)功率因數(shù)可控（如單位功率因數(shù)控制）。

（3）電能雙向傳輸。

（4）較快的動(dòng)態(tài)控制響應(yīng)。

顯然，由于電能的雙向傳輸，PWM整流器不是傳統(tǒng)意義上的AC/DC變換器。當(dāng)PWM整流器從電網(wǎng)吸收電能時(shí)，其運(yùn)行于整流工作狀態(tài)，作為整流器工作；而當(dāng)PWM整流器向電網(wǎng)傳輸電能時(shí)，其運(yùn)行于逆變狀態(tài)，作為逆變器工作，所以PWM整流器是集整流與逆變于一身的新型變換器。PWM整流器模型電路圖如圖（1）所示：

圖（1） PWM整流器模型電路圖

其中E為電網(wǎng)電壓，L是網(wǎng)側(cè)電感，R是網(wǎng)側(cè)等效電阻。交流側(cè)電壓具有如下關(guān)系：

E=V_L+RI+V (V為整流橋交流側(cè)電壓)

在穩(wěn)態(tài)條件下，各電壓的矢量關(guān)系如圖（2）所示：

圖（2） 電壓矢量關(guān)系

電網(wǎng)電壓E作為實(shí)軸坐標(biāo)系，即有功分量。從圖上可知，RI，V_L都是由電流I決定的?？刂齐娏魇噶縄與E的夾角φ就可以進(jìn)行網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)控制，當(dāng)電流矢量I在第一、四相限時(shí)，有I*E*cosφ＞0，PWM整流器吸收電網(wǎng)有功功率，此時(shí)PWM整流器是真正意義的整流器；當(dāng)電流矢量I在第二、三相限時(shí)，有I*E*cosφ＜0，PWM整流器則向電網(wǎng)提供有功功率，此時(shí)，PWM整流器則是逆變器。只要控制電流I的大小和φ，就可以控制PWM整流器的工作狀態(tài)（整流/逆變）和功率因數(shù)。電流|I|一定時(shí)，|V_L|也一定，忽略R的影響，電壓矢量關(guān)系如圖（3）所示：

圖（3） Φ=0（整流）；φ=π（逆變）

3.傳統(tǒng)的EPS應(yīng)急電源

3.1應(yīng)急電源

工程供電設(shè)計(jì)中對(duì)于一二類重要負(fù)荷需要考慮供電連續(xù)性的措施，除了雙電源、雙回路供電外，還配有應(yīng)急電源。應(yīng)急電源是與電網(wǎng)在電氣上獨(dú)立的各種電源，包括柴油發(fā)電機(jī)組和蓄電池，其中蓄電池又分為EPS和UPS。柴油發(fā)電機(jī)組作為傳統(tǒng)的備用應(yīng)急電源，輸出功率大，供電時(shí)間長(zhǎng)，但切換時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，有噪音干擾，供電質(zhì)量不高，成本高，廣泛應(yīng)用于賓館、飯店及其它重要負(fù)荷的供電場(chǎng)所。UPS是在電網(wǎng)正常供電時(shí)，電網(wǎng)經(jīng)過(guò)整流電路給蓄電池浮充，同時(shí)，逆變電路工作，給負(fù)載提供電能，當(dāng)電網(wǎng)異常時(shí)，逆變電路繼續(xù)工作，切換時(shí)間小于10ms，由于UPS一直處于工作狀態(tài)，效率約為80%—90%，成本比較高，主要應(yīng)用于銀行、證券和電信等重要場(chǎng)合。

3.2EPS

EPS應(yīng)急電源是以CPU為核心，加上整流充電模塊、逆變放電模塊、旁路切換模塊和蓄電池組成的智能供電模塊，采用高電子集成模塊化結(jié)構(gòu)的強(qiáng)弱電一體化系統(tǒng)，是一種高科技環(huán)保產(chǎn)品。它在緊急的情況下作為重要負(fù)荷的第二或第三電源供給，可望替代不少場(chǎng)合的柴油發(fā)電機(jī)組和UPS。它采用智能芯片控制，維護(hù)簡(jiǎn)單，自動(dòng)操作，市電異常時(shí)，即市電小于187V或高于242V，自動(dòng)切換，切換時(shí)間小于0.5s，可無(wú)人值守；采用IGBT逆變橋PWM控制，供電電壓穩(wěn)定，逆變頻率穩(wěn)定，波形好；平時(shí)處于睡眠狀態(tài)（浮充），逆變橋不工作，電能損耗小，放電效率高。它主要適用于電梯、消防、安防、應(yīng)急照明、醫(yī)院手術(shù)室和實(shí)驗(yàn)室等重要場(chǎng)合。傳統(tǒng)的EPS采用后備式結(jié)構(gòu)，如圖（4）所示：

圖（4） 傳統(tǒng)EPS工作原理

從圖中可以看出，充電電路與放電電路是分開(kāi)的，當(dāng)市電正常供電，切換開(kāi)關(guān)Ks接通市電，應(yīng)急電源處于整流狀態(tài)，蓄電池浮充，逆變電路不工作。當(dāng)市電異常時(shí)，切換開(kāi)關(guān)接通逆變電路，應(yīng)急電源進(jìn)入逆變狀態(tài)，并停業(yè)充電；同時(shí)，檢測(cè)蓄電池組端電壓，當(dāng)端電壓小于放電終止電壓時(shí)，蓄電池放電完畢，停業(yè)放電。再加上蓄電池組過(guò)壓、欠壓保護(hù)；輸出交流過(guò)壓、過(guò)流、高溫、短路保護(hù)等功能就組成了傳統(tǒng)EPS應(yīng)急電源的全部功能。

4.新型EPS應(yīng)急電源工作原理

根據(jù)傳統(tǒng)的EPS應(yīng)急電源，任何時(shí)候充電電路與逆變電路都只有一個(gè)電路工作，是一種互斥關(guān)系，而且需要配置兩套驅(qū)動(dòng)電路，分別驅(qū)動(dòng)整流橋和逆變橋。在結(jié)構(gòu)上有一定的臃腫，控制復(fù)雜，功耗高，成本高。充電電路與放電電路都是由IGBT及二極管組成的橋路，它們的驅(qū)動(dòng)電路都是由IGBT驅(qū)動(dòng)芯片及其一些外圍電路組成，結(jié)構(gòu)完全相同。如果可以把充電、放電兩部分電路合為一體，則結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，控制簡(jiǎn)單化，系統(tǒng)可靠性也相對(duì)提高，更重要的是產(chǎn)品成本低，功耗也相對(duì)減少一半。而PWM整流器則提供了理論依據(jù)，這兩者都就是設(shè)計(jì)新型EPS應(yīng)急電源的出發(fā)點(diǎn)。

4.1新型EPS工作原理

新型的EPS應(yīng)急電源工作原理如圖（5）所示：

圖（5） 新型EPS工作原理

從圖中可以看出，它也是后備式電源。只是在結(jié)構(gòu)上“充電電路”與“逆變電路”合并為一個(gè)“整流/逆變橋”，比傳統(tǒng)的EPS應(yīng)急電源簡(jiǎn)單。其中，整流逆變橋是PWM整流器。具體的工作原理是這樣的：當(dāng)市電正常時(shí)，Ks合并，即市電同時(shí)給負(fù)載和電池供電，PWM整流器工作于整流狀態(tài)，蓄電池浮充。當(dāng)市電異常時(shí)，為了防止電能回饋電網(wǎng)，Ks斷開(kāi)，由電池給負(fù)載供電，PWM整流器工作于逆變狀態(tài)，蓄電池放電。同時(shí)，檢測(cè)蓄電池端電壓，直到端電壓下降到放電終止電壓時(shí)，即蓄電池放電完畢，自動(dòng)關(guān)閉PWM整流器。重新充電才能重新使用。由于PWM整流器能夠控制功率因數(shù)，因此給定電流信號(hào)應(yīng)與電網(wǎng)電壓同相（整流），或者反向（逆變），可以單位功率因數(shù)控制，凈化電網(wǎng)，提高效率。

4.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

新型EPS具有傳統(tǒng)EPS應(yīng)急電源的功能，各種報(bào)警、參數(shù)設(shè)置與顯示和通訊功能等。新型EPS還可以對(duì)蓄電池進(jìn)行更全面的監(jiān)控，如單節(jié)電池電壓檢測(cè)，容量檢測(cè)，更理想的充電過(guò)程等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖（6）所示：

圖（6） 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

4.2.1輔助電源

PWM整流器擔(dān)任了兩重任務(wù)，給蓄電池充電與放電，為了能夠持續(xù)工作，驅(qū)動(dòng)電路絕不能出現(xiàn)斷電現(xiàn)象。開(kāi)機(jī)時(shí)，首先“輔助電源1”給驅(qū)動(dòng)電路供電，蓄電池充滿電后，“輔助電源2”同時(shí)給驅(qū)動(dòng)電路供電，以防電網(wǎng)突然停電。市電異常時(shí)，“輔助電源1”自然也斷電，但是“輔助電源2”照常供電，不會(huì)影響PWM整流器的工作。

4.2.2電量檢測(cè)

在EPS工作期間，我們應(yīng)同時(shí)檢測(cè)以下幾個(gè)電量（電流或電壓）：

（1）市電電壓E，以便決定PWM的工作狀態(tài)。

（2）PWM整流器交流側(cè)電壓V，作為逆變時(shí)輸出電壓的反饋信息。

（3）PWM整流器交流側(cè)電流I，用于功率因數(shù)控制，以及作為整流時(shí)電流內(nèi)環(huán)的反饋信息。

（4）蓄電池端電壓Vdc，作為整流時(shí)電壓環(huán)外環(huán)的反饋?zhàn)飨?，也?duì)蓄電池進(jìn)行各種操作的依據(jù)（恒流充電，恒壓充電，浮充，停止放電）。

（5）PWM整流器直流側(cè)電流I′，蓄電池容量檢測(cè)的主要參數(shù)，蓄電池容量為放電電流與放電時(shí)間的乘積。

4.2.3容量檢測(cè)

蓄電池在使用過(guò)程中，容量是不斷下降的，當(dāng)電池容量衰減至初始值的80%時(shí)，進(jìn)入快速失效期，容量衰減加快，普遍認(rèn)為容量低于初始值的80%的蓄電池為失效電池。若沒(méi)有發(fā)現(xiàn)失效電池而繼續(xù)使用，將埋下安全隱患?？梢?jiàn)電池容量是很重要的一個(gè)參數(shù)，應(yīng)不定期檢測(cè)。進(jìn)行容量檢測(cè)時(shí)，控制放電電流I′為一指定的恒定值，并計(jì)時(shí)，當(dāng)電蓄電池電壓下降到放電終止電壓時(shí)，即放電完畢，停止放電和計(jì)時(shí)，并立刻對(duì)蓄電池充電。

4.2.4工作狀態(tài)切換

由于該EPS電源添加了蓄電池容量檢測(cè)功能，此時(shí)，PWM整流器工作于有源逆變狀態(tài)，那么PWM整流器就有三個(gè)工作狀態(tài)：整流，有源逆變和無(wú)源逆變，它們之間的關(guān)系如下：

（1）市電正常時(shí)

整流：依次給蓄電池恒流充電、恒壓充電和浮充，控制對(duì)象是PWM整流器直流側(cè)電壓和交流側(cè)電流波形。

有源逆變：容量檢測(cè)時(shí)間到，控制對(duì)象是PWM整流器直流側(cè)電流和交流側(cè)電流波形。

（2）市電異常時(shí)

無(wú)源逆變：斷開(kāi)開(kāi)關(guān)Ks，控制PWM整流器交流側(cè)電壓為220V，電流為正弦波，頻率為50HZ。

4.2.5控制電路

這是EPS應(yīng)急電源的控制核心部分，實(shí)現(xiàn)各種工作狀態(tài)的切換控制，以及各種控制算法。對(duì)各種采樣進(jìn)行轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)，鍵盤輸入信息能夠修改程序中的參數(shù)，并把一些重要變量的實(shí)時(shí)值送給顯示單元，還能進(jìn)行各種必要聲光報(bào)警，有需要時(shí)，還得與上位機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)更為友好的人機(jī)交互界面，或者遠(yuǎn)程通訊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理。

5.結(jié)語(yǔ)

根據(jù)PWM整流器能夠雙向傳輸能量并且同時(shí)進(jìn)行功率因數(shù)校正，把傳統(tǒng)EPS充電功能與逆變功能統(tǒng)一由一個(gè)PWM整流器完成，控制還是由一片智能芯片完成，同時(shí)增加了單位功率因數(shù)控制和電池容量檢測(cè)功能，降低了系統(tǒng)的功耗和成本，功能卻更加強(qiáng)大。因此，新型EPS應(yīng)急電源具有更廣泛的應(yīng)用前景，是應(yīng)急電源研究和開(kāi)發(fā)的一個(gè)重要方向。

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