1、目 錄摘 要iabstractii第1章 緒 論11.1 應急電源的應用背景11.2 應急電源的分類21.3 應急電源的應用現狀和發展趨勢21.3.1 eps應用現狀21.3.2 eps發展趨勢31.4 本文的主要研究內容4第2章 系統方案設計與認證52.1 系統方案52.2 論證分析6第3章 應急電源主電路工作原理與設計83.1 雙向dc/dc變流器83.1.1 雙向dc/dc變流器的工作原理83.1.2 雙向dc/dc電路的設計93.2 蓄電池概述103.2.1 鉛酸蓄電池的工作原理103.2.2 常用的鉛酸蓄電池分類103.2.3 蓄電池的充電特性113.2.4 電池容量的選擇123.3

2、 雙向pwm變流器123.3.1 pwm逆變電路123.3.2 pwm整流電路163.3.3 雙向pwm電路設計193.4 本章小結20第4章 應急電源控制系統原理與設計214.1 雙向dc/dc電路的控制波形的產生214.2 pwm逆變電路的控制波形的產生224.2.1 sa4828概述224.2.2 sa4828的工作原理234.2.3 sa4828參數計算254.3 pwm整流電路的控制及波形產生264.3.1 間接電流控制264.3.2 直接電流控制284.3.3 pwm整流控制波形的產生294.4 驅動電路的設計304.5 信號處理電路314.6 蓄電池充電控制314.6.1 充電方

3、法314.6.2 充電方法選擇334.6.3 蓄電池性能檢測334.7 can總線及其通信344.7.1 簡介344.7.2 基本概念344.7.3 can控制器與計算機的接口技術354.7.4 sc2102 can總線pci插卡354.7.5 通信協議384.7.6 p8xc591中can控制器寄存器設置394.8 p8xc591簡介434.8.1 特性434.8.2 概述434.8.3 脈寬調制輸出444.8.4 adc功能簡介454.9 輔助電源電路464.10 本章小結47第5章 抗干擾簡析485.1 干擾源485.2 耦合機制485.3 干擾防治措施48第6章 系統軟件設計及仿真49

4、6.1 蓄電池充電程序設計496.2 can接收中斷服務程序設計506.3 查詢控制發送程序設計516.4 主程序設計516.5 外部復位中斷程序設計516.6 定時器t0中斷服務程序設計526.7 軟件仿真536.8 本章小結56總 結57參考文獻58致 謝59附錄a 系統電路圖60附錄b 源程序61畢業設計（論文）原創性聲明和使用授權說明原創性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業設計（論文），是我個人在指導教師的指導下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經發表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機構的學位或學歷而使用過的材料。對

5、本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作 者 簽 名： 日 期： 指導教師簽名： 日期： 使用授權說明本人完全了解 大學關于收集、保存、使用畢業設計（論文）的規定，即：按照學校要求提交畢業設計（論文）的印刷本和電子版本；學校有權保存畢業設計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務；學校可以采用影印、縮印、數字化或其它復制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學校可以公布論文的部分或全部內容。作者簽名： 日 期： 摘 要隨著社會的發展，高層建筑、醫院以及工廠等公共設施對供電要求將越來越高,一旦中斷供電，將會造成重大的事故或經濟損失,本文提出了一

6、種可減少這種損失的應急電源。本文對一種在線式三相應急電源的工作原理進行了系統的分析，其基本工作原理為：當市電正常時，負載由市電供電；當市電異常時，負載由蓄電池供電。主電路由雙向pwm電路、雙向dc/dc電路、蓄電池和濾波電路等組成，通過分析它們的電路結構、工作原理、設計和控制策略，闡述了它們在eps電路中的應用。系統控制技術采用pwm技術，其中三相逆變器采用專門的三相spwm波發生器sa4828。本文提出的eps還具有遠程監控的功能，下位機（p8xc591）通過can總線與上位機（pc）進行相互通信，下位機檢測到的狀態信息可以及時地反饋給上位機，由上位機實時顯示系統工作的狀態曲線。本設計的優點

7、是功率因數較高，啟動時間短，應急速度快，無噪聲，維護簡單，可以無人值守。最后，在理論分析和系統設計的基礎上，應用計算機仿真軟件psim對系統進行了仿真。關鍵詞：三相應急電壓，雙向dc/dc電路，雙向pwm變流器，can總線，蓄電池abstractwith the development of society, such communal facilities as the high-rise buildings, hospital and factory, etc. will be higher and higher to the demand for supplying power.the

8、interruption of the supply will lead to grave accident or economic losses. this paper presents a new emergency power supply to reduce such losses. in this paper,we systematically analysis a on line three-phase emergency power supply, the basic working principle is: the loads supplied by grid when th

9、e grid voltage is normal; the loads supplied by batteries when the grid voltage is abnormal.the main circuit is consist of bidirectional pwm converter,bidirectional dc/dc converter, batteries and filter circuit.by analyzing their circuit structure,working principle,design and control strategy,illust

10、ration of their application in the eps circuit.system control technology uses pwm technology.the three-phase inverter uses a special three-phase spwm wave generator sa4828.this proposed eps also has the function of remote monitoring,lower computer(p8xc591) through the can bus with the host computer(

11、pc) communication,lower computer detected status information can be timely feedback to the host computer,and host computer real-time display from the work of state curve.this design has the advantages of high power factor,short start time,quick emergency,no noise,simple maintenance and unattended.fi

12、nally,base on the princile anlysis and the system design, we simulate with computer simulation software psim.keyword：three-phase emergency power supply, bidirectional dc/dc converter bidirectional pwm converter, can bus, lead-acid batteries iii中小功率應急電源的研究與設計第1章 緒 論1.1 應急電源的應用背景社會發展越信息化、現代化，就越依賴于電，突然

13、的斷電必然會給人們的正常生活秩序和社會的正常運轉造成破壞。特別是對于一級負荷中特別重要的負荷，一旦事故中斷供電，將會造成重大的政治影響或經濟損失，然而電力故障突發性強，往往不以人們的意志為轉移，因為無論供電部門管理得再嚴格，電網設施再先進，斷電也在所難免。因此除正常的電網供電電源外，還必須增設應急電源。常用的應急電源可有下列幾種:a.獨立于正常電源的發電機組；b.供電網絡中有效地獨立于正常電源的專門饋電線路；c.蓄電池供電的不間斷電源(ups)和應急電源。但多年來，運行經驗表明，電氣故障是無法限制在某個范圍內部的，電力部門從未保證過不斷電。因此，應急電源應是與電網在電氣上獨立的各種電源，即柴油

14、發電機和蓄電池。其中蓄電池供電的有不間斷電源裝置(ups)和允許短時電源中斷的應急電源裝置(eps)兩種。柴油發電機組至今已經有五、六十年的歷史了，然而，隨著社會的進步，需求的提高，這種傳統的做法也暴露出許多的問題。如柴油機發電機噪音大，排煙中含有有害氣體，污染大氣等。但是它的發電容量大，在大容量的場合，依然有應用。ups是不間斷電源，但是它一般用于計算機、辦公設備等場合，對環境要求比較高。鑒于上述的兩種備用電源的局限性，eps應用而生。eps（emergency power supply）全稱應急電源供電系統。它在緊急的情況作為重要負荷的第二或第三電源供給，不同程度上替代ups和柴油發電機組

15、產品。eps與傳統的柴油發電機相比具有啟動時間短，無排氣排煙，無振動，維護簡單，可以實現遠程監控，無人值守。1.2 應急電源的分類 目前市場上的eps品牌較多，但針對所帶負載的種類大致可以分為以下三種：一是主要用于應急照明和事故照明的eps；二是除應急照明、事故照明之外，還有空調、電梯、卷簾門、排氣風機、水泵等電感性負載或兼而有之的混合供電的三相系列eps；三是直接給電動機供電的變頻系列eps。1.3 應急電源的應用現狀和發展趨勢1.3.1 eps應用現狀目前市場上的eps應急電源品牌眾多，在設計上所采用的控制方式和控制手段不盡相同，但針對所帶負載的種類大致可以歸納為以下三種：一是主要用于應急

16、照明和事故照明的單相eps；二是用于應急照明、事故照明之外，還有應用于空調、電梯、卷簾門、排氣風機、水泵等電感性負載或兼而有之的混合供電的三相系列eps；三是直接給電動機供電的變頻系列eps。在設計eps時，目前都著重考慮其安全性、可靠性、適用性及合理性。主要有：(1）斷電轉換時間一般在毫秒級(25ms)，以保證供電的及時性；(2）負載適應能力強，包括電容性、電感性、混合型負載，而且過載能力和抗沖擊能力強； (3）有多路輸出，防止輸出單一而形成故障；(4）有消防聯動和遠程控制信號，可以實現手動與自動相互轉換；(5）環境適應能力強，適用于各種惡劣環境，有防止高低溫、濕熱、鹽霧、灰塵、震動及鼠咬等

17、措施；(6）使用壽命長，有電池快速充電能力和管理能力；(7）節能，運行效率高，運行成本低；(8）有無人值守、自動操作功能；(9）報警功能齊全，能及時提供各種異常狀況的報警；(10）有強啟動功能，避免電池環節保護后無法啟動； (11）無煙霧、無噪音、無公害等；1.3.2 eps發展趨勢由于eps所帶負載類型的復雜性和環境的相對固定性，針對不同場合、不同負載，可對eps功能做得更貼近現實應用。其中包括以下幾方面。 1.結構組成 eps為了更好地結合實際應用，往往采用“多合一”的結構設計，但由于負載及環境的復雜性，也由此帶來設備標準化和設計院所、用戶選型的困難。解決的辦法是采用模塊化設計，將主機與輸

18、入或輸出配電分離開來。主機模塊完成主要的能量轉換及通訊控制功能；配電模塊實現豐富的配電管理功能。主機模塊通過標準控制接口實現對配電模塊的管理，如雙電源自動切換功能，多回路輸出功能，消防聯動功能均應在配電模塊中實現。2.配電模塊應增加功能 eps是用于緊急負載的供電，其負載往往為非單一的負載，而這些負載在緊急情況下的關鍵程度不盡相同，因此，對于eps來說，某些配電管理功能至關重要。（1）順序啟動功能,諸如eps的負載很大一部分是感性沖擊負載，具有較大的啟動電流，在選型時必須加大eps容量，從而造成設備資源的浪費以及用戶成本的增加。實際上，由于eps負載供電的可間斷性，eps可增加一個8路或16路

19、的可編程配電管理接口，通過對負載啟動的順序、時間進行控制，可在很大程度上解決啟動沖擊電流和加大選型容量的問題。（2）部分卸載功能由eps負載性質決定，當過載發生時，需要eps盡可能繼續工作，而不能像ups那樣進行保護性關機，因此，同樣可通過配電管理接口卸除次要負載。 （3）電池管理由于eps的使用環境一般較ups惡劣，為盡可能延長蓄電池的使用壽命，充電器應同時具備以下功能：可設定充電限流；可設定電池放電終止電壓；具有自動浮充功能，充電機制應符合din41773標準；具有浮充電壓溫度補償功能；智能電池檢測功能；深放電保護(可強制應急)1。1.4 本文的主要研究內容 與一般的eps電路不同，本設計

20、的主電路采用雙向spwm電路和雙向dc/dc電路。當市電正常時，系統通過轉換開關，由市電直接向負載供電，同時通過pwm整流電路和降壓斬波電路為蓄電池供電。當市電異常時，切斷市電至負載的通道，由升壓斬波電路和pwm逆變電路為負載供電。由于采用了pwm整流電路，再加上適當的控制，可以使其輸入電流非常接近正弦波，且和輸入電壓同相位，功率因數近似為1。這種整流電路也可以稱為單位功率因數變流器，或高功率因數整流器。pwm整流器的控制方式采用應用較多的電流滯環控制。本設計含有can總線，可以實現eps的遠程監控。為提高can模塊通信的穩定性，can收發器的輸入輸出都采用高速光電耦合器。控制器局域網can為

21、串行通信協議，能有效地支持具有很高安全等級的分布實時控制，其傳輸速率可達1mbps。蓄電池是逆變電源的一個很重要的部分。在市電故障后，由蓄電池擔任供電任務，因此，正確合理的使用和管理蓄電池是設計應急電源的重點。市電正常時，應合理為蓄電池充電。蓄電池的充電方法很多，有恒流充電、恒壓充電、浮充充電、脈沖充電等。配合應急電源的設計規范，本設計中，蓄電池充電基本上分為三個階段。第一個階段：在蓄電池缺電嚴重的時候采用恒流充電，以使蓄電池較快的恢復大部分的能量。第二個階段：當恒流充電到蓄電池電壓上升至某一設定值時，結束恒流充電，切換至恒壓充電，以恢復剩下的能量。第三個階段：當恒壓充電達到設定的時間后，結束

22、恒壓充電，轉入浮充狀態，以補償蓄電池由于自放電而損失的能量，減少充放電循環次數，提高活性物質利用率和使用壽命。第2章 系統方案設計與認證2.1 系統方案方案一（1）硬件組成：整流濾波電路、充電電路、蓄電池組、逆變器、輸出濾波器、微控制器（p8xc591）、上位機。（2）工作原理：市電正常時通過轉換開關，由市電直接給負載供電，同時通過整流濾波電路和充電電路，向蓄電池充電。當市電不正常時（斷電），切斷市電至負載的通路，通過逆變器和輸出濾波器，由蓄電池向負載供電，系統由微控制器控制。上位機可以下達對整個電路的控制命令，并且可以隨時監測整個電路的運行情況，上位機與微處理器使用rs232接口。（3）系統

23、原理圖如圖2.1所示圖2.1 方案一系統原理圖方案二（1）硬件組成：三相開關、蓄電池組、雙向dc/dc電路、雙向pwm電路、濾波電路、微控制器、pc機。（2）工作原理：當市電正常時，通過開關直接向負載供電，同時通過雙向pwm電路和雙向dc/dc電路向蓄電池充電。市電異常時（如斷電），通過電磁閥切斷市電至負載的線路，通過雙向dc/dc電路、雙向pwm電路以及濾波電路向負載供電。整個電路由微控制器（p8xc591）直接控制，pc機可以在線對整個eps的工作情況進行監控。（3）系統原理框圖如圖2.2所示圖2.2 方案二系統原理圖2.2 論證分析方案一的主電路結構較為復雜，控制也比較繁瑣，而且其整流電

24、路的功率因素不高。方案二的主電路結構和控制手段相對簡單，可靠性較高。晶閘管相控整流電路的輸入電流滯后于電壓，其滯后角隨著觸發延時角的增大而增大，位移因數也隨之降低。同時，輸入電流中諧波分量很大，所以功率因數很低。二極管整流電路雖然位移因數接近1，但輸入電流中諧波分量很大，所以功率因數也很低。隨著以igbt為代表的全控型器件的不斷進步，在逆變電路中采用的pwm控制技術已經相當成熟。目前，spwm控制技術已在交流調速用變頻器和不間斷電源中獲得了廣泛的應用。把逆變電路中的spwm控制技術用于整流電路，就形成了pwm整流電路。通過對pwm整流電路的適當控制，可以使其輸入電流非常接近正弦波，且和輸入電壓

25、通相位，功率因數近似為1。這種整流電路也可以稱為單位功率因數變流器，或高功率因數整流器。將整流和逆變結合以及把升壓斬波和降壓斬波結合起來，電路的結構更加緊湊，工作性能也更好。can總線與rs232相比，具有如下優勢。（1）直接通信距離最遠可達10km（速率在5kbps以下）；通信速率最高可達1mbps（通信距離最長為40m）。（2）can的每幀信息都有crc校驗及其他檢錯措施，具有極好的檢錯效果。（3）can節點在錯誤嚴重的情況下具有自動關閉輸出的功能，以使總線上其他節點的操作不受影響。（4）can采用非破壞總線仲裁技術。（5）發送的信息遭到破壞后，可自動重發。（6）可根據報文的id決定接收或

26、屏蔽該報文。最終方案：從系統簡化和可靠性的角度考慮，主電路的拓撲結構采用雙向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。第3章 應急電源主電路工作原理與設計3.1 雙向dc/dc變流器3.1.1 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3.1所示。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3.1 雙向dc/dc變流器主電路1.升壓放電模式當蓄電池放電時，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在驅動信號下而導通時，蓄電池給電感l充電，此時

27、vd7處于截止狀態。當v8截止時，由蓄電池、電感l、vd7組成續流回路，給負載和濾波電容cd提供能量。2.降壓儲能模式當蓄電池要充電時，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在驅動信號下導通時，二極管vd8處于截止狀態，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。3.1.2 雙向dc/dc電路的設計1.開關管的選擇在雙向dc/dc電路中，有功率管v7、v8和續流二極管vd7、vd8，如圖3.1所示。可以選用由功率管和反并聯的二極管集成在一起的雙管igbt模

28、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 (3.1)imax1.4p/udmin (3.2)式中：umaxigbt上承受的最大電壓 udmax直流母線上的最大電壓 imaxigbt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

29、應適當提高一點。三菱公司的igbt模塊cm75dy-24h，其耐壓值為1200v，最大電流容量為75a。2.儲能電感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(1-d)/(2ioc) （3.3）ioc=(1/51/3)iom （3.4）式中：ud直流端電壓 t開關周期 d占空比 ioc臨界連續電流 iom最小負載電流3.蓄電池端濾波電容的設計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=udt2/8lu0 (3.5)式中：ud直流端電壓 t開關周期 l儲能電感

30、 u0蓄電池兩端的電壓脈動量4實際參考取值為2mf，耐壓600v。3.2 蓄電池概述在應急電源系統中，廣泛使用蓄電池作為儲能裝置。在市電正常時，系統通過充電回路給蓄電池充電，在市電出現故障時，系統通過蓄電池的放電回路為負載繼續提供電能。目前，在應急電源系統中，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。3.2.1 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+2h2o-2e-pbo2+4h+so42-

31、陰極：pbso4+2e-pb+so42- 放電：pbo2+pb+2h2so42pbso4+2h2o 負極：pb+so42-2e-pbso4 正極：pbo2+4h+so42-+2e- pbso4+2h2o3.2.2 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。它的主要優點是電壓穩定、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。(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

32、下，能在兩年內保存所得到的電量，使用時，只需加入電解液，等過2030分鐘就可使用。 (3）免維護蓄電池：免維護蓄電池由于自身結構上的優勢，電解液的消耗量非常小，在使用壽命內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加好電解液并封死，用戶根本就不能加補充液。3.2.3 蓄電池的充電特性容量是蓄電池的一個很重要的參數，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定放電終止電壓的放電量，采用如下兩種表示方法：1、安

33、時容量=放電電流放電時間2、瓦時容量=安時容量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3.2所示。ti0圖3.據機b840yi

34、 的有效值，則在整流運2蓄電池可接受充電電流曲線3.2.4 電池容量的選擇蓄電池的容量選擇對整個系統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。本系統采用30節單體標稱電壓為12v的蓄電池串聯，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

35、選擇的容量 單節電池容量=p1.5/（360）=1010001.5/360/0.8=52.1（ah）上式中p為eps系統的額定輸出功率，考慮到濾波器的損耗以及功率開關的開關損耗，逆變器的效率為0.8。同時考慮到電池標稱容量為10小時率，所以當放電時間為1.5h時，實際電池釋放容量達不到標稱值，所以根據經驗，采用標稱容量為65ah容量的蓄電池組能滿足系統要求，由此可以選用標稱容量為65ah的30節ot65-12單體蓄電池串聯在一起組成一組電池組，可以滿足10kw的eps電源系統在市電斷電后向用戶提供90分鐘的應急電力供應。3.3 雙向pwm變流器3.3.1 pwm逆變電路1.pwm逆變電路的工作

36、原理圖3.3 pwm逆變電路當電網發生故障（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，輸出經過濾波以后供給負載。圖3.3 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3.4 三相橋式pwm逆變電路波形三相逆變電路一般采用spwm調制方式，a,b,c三相的pwm控制通常公用一個三角載波uc，三相的調制信號ura、urb和urc依次相差120。a、b和c各相功率開關器件的控制規律相同，現以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uan

37、=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uan=-ud/2。v1和v4的驅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3.4 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ud/2兩種電平。圖中的線電壓uab的波形可由uan -ubn得出。可以看出，當臂1與臂6導通時，uab=ud，當臂3和4導通時，uab=-ud，

38、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（2/3）ud、（1/3）ud和0共5種電平組成。在調制比小于1的情況下，輸出線電壓的有效值為ud/4，即uab=0.612 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5。2.輸出濾波器的工作原理工程上根據輸出端口對信號頻率范圍的要求，設計專門的網絡，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

39、頻功能的中間網絡，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、級聯等），連接成各種各樣的濾波器網絡。圖3.5 所示為低通濾波器的單元電路。（a）l型 （b）t性 （c）型圖3.5 低通濾波器的單元電路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1lfs,故cl1/cc, 故cl對基波的k倍次諧波信號阻抗很高；1/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

40、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。3.逆變電路諧波分析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制，也產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。同步調制可以看成異步調制的特殊情況，因此只分析異步調制方式就可以了。采用異步調制時，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

41、為基礎，在利用貝塞爾函數可以推導出pwm波的傅里葉級數表達式，但這種分析過程相當復雜，而其結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 nckr式中，n=1,3,5，時，k=3（2m-1）1，m=1,2，； n=2,4,6，時，k=6m+1（m=0,1，）或k=6m-1（m=1,2，）；在不同調制度a時的三相橋式pwm逆變電路中，輸出線電壓中不含低次諧波，與單相電路相比，一個較為顯著的區別是載波角頻率c整數倍的諧波沒有了，諧波中幅值較高的是c2r和2cr。上述分析

42、都是在理想條件下進行的。在實際電路中，由于采樣時刻的誤差以及為避免同一相上下橋臂直通而設置的死區的影響，諧波的分布情況將更為復雜。一般來說，實際電路中的諧波含量比理想條件下要多一些，甚至還會出現少量的低次諧波。從上述分析中可以看出，spwm波形中所含的諧波主要是角頻率c、2c及其附近的諧波。一般情況下cr，所以pwm波形中所含的主要諧波的頻率要比基波頻率高得多，是很容易濾除的。載波頻率越高，spwm波形中諧波頻率就越高，所需濾波器的體積就越小。另外，一般的濾波器都有一定的狂度，如按載波頻率設計濾波器，載波附近的諧波也可濾除。如濾波器設計為高通濾波器，且按載波角頻率c來設計，那么角頻率為2c、3

43、c等及其附近的諧波也就同時被濾除了6。其頻譜圖如圖3.6所示。圖3.6 輸出線電壓頻譜圖3.3.2 pwm整流電路1.概述目前各個領域實際應用的整流電路大多是晶閘管相控整流電路或二極管整流電路。晶閘管相控整流電路的輸入電流滯后于電壓，其滯后角隨著觸發延時角的增大而增大，位移因數也隨之降低。同時，輸入電流中諧波分量也相當大，因此功率因數很低。二極管整流電路雖然位移因數接近1，但輸入電流中諧波分量很大，所以功率因數也很低。把逆變電路中的spwm控制技術用于整流電路，就形成了pwm整流電路。通過對pwm整流電路合適的控制，可以使輸入電流非常接近正弦波，且和輸入電壓通相位，功率因數近似為1。2.pwm

44、整流電路工作原理當電網恢復正常時，市電一路通過轉換開關直接給負載供電。另一路通過雙向pwm變流器整流，在通過雙向dc/dc電路降壓電路為蓄電池充電。此時，雙向pwm電路工作于整流狀態。采用pwm整流技術，可以提高系統的功率因數，網側功率因數可以達到1，并且也減少了對市電的諧波污染7。工作模式：（1）橋中所有處于通態的三個器件都是二極管,所以的可控器件均處于阻態，因此這種模式也叫3d0v模式。在圖3.7中，處于通態的三個器件為vd1、vd5和vd6，電網通過二極管vd1、vd5和vd6向直流側輸送能量，此時，uab=ud，ubc=.ud，uca=0。（2）橋中有兩個二極管和一個可控器件處于通態，

45、這種模式也稱為2d1v模式。橋中處于通態的三個器件是兩個二極管vd2和vd3與一個可控器件v1，電網通過vd2和vd3向直流側輸送能量。由于v1導通，由vd2和v1將電源uab暫時處于短路狀態，此時uab=0，ubc=ud，uca=.ud。（3）橋中有一個二極管和兩個可控器件處于通態，這種模式也稱為1d2v模式。在這種模式下，各相經輸入電感短路，整流橋與直流側相脫離，所以uab=ubc= uca=0。圖3.7三相電壓型pwm整流器電路3.pwm整流器直流電壓對電源電流控制的影響在pwm整流器中，直流輸出電壓udc不僅要滿足負載對電壓的要求，而且要能控制流過連接電感l中電流為需要的波形。這就必須

46、對udc采取一定的限制。從電源控制方面考慮，udc過低，不能完成控制l中電流的任務；udc過高，會提高器件的耐壓定額，增加系統成本，同時也降低系統可靠性8。如圖3.8所示，為將udc穩定在設定值，整流器的控制系統都含有直流輸出電壓調節器，若用該調節器的輸出直接控制控制交流側輸入電流的幅值，則為直接電流控制；若用調節器的輸出調制整流器輸入端的電壓幅值和相位，則為間接電流控制。在保證單位功率因數的情況下，無論是直接電流控制還是間接電流控制，系統穩態運行時，都必須滿足圖3.8 所示的矢量圖。uaufaliariaufaiaialiaria圖3.8 a相電路電壓矢量圖設ufa為整流器輸入端相電壓基波的

47、有效值，則在整流運行時有：ufa2=(ua-ria)2+(lia)2 (3.6)式中 ua電源電壓有效值 ia電源電流有效值 電源電壓角頻率 在逆變運行時有： ufa2=(ua+ria)2+(lia)2 (3.7)用ufa、ufb、ufc表示整流器中a、b、c、點對o點的相電壓基波。實際情況下，整流器輸入端不存在中點，只需考慮整流器輸入端的線電壓即可。根據kvl定理可得：l(dia/dt)+ria=ua-1/3(uab-uca) (3.8)l(dib/dt)+rib=ub-1/3(ubc-uab) (3.9)l(dic/dt)+ric=uc-1/3(uca-ubc) (3.10)由上式可見，只

48、要uab、ubc、uca中不含有與pwm開關頻率無關的低次諧波，電源電流就不會產生這些諧波。由整流器的工作原理可知，無論是間接電路控制，還是直接電流控制，uab、ubc、uca是幅值為udc的pwm波。為保證uab、ubc、uca不含有低次諧波，udc必須大于輸入端線電壓基波的峰值，即udc 2.449ufa (3.11)因控制方式不同，udc在整流器輸入端所能產生的最大ufa也不相同，由此導致輸入端線電壓的大小也不相同。當線電壓波形出現畸變時，電源電流也開始畸變，并且產生相移，從電網吸收無功功率9。在間接電流控制中，最常用的控制方式是三角載波與正弦信號波比較的spwm控制方式。在spwm控制

49、方式下；整流器輸入端的線電壓基波為：uf(ab)=0.866udcsin(t+/6) (3.12)式中 調制比，在01區間內取值。在spwm整流器中，為保證電源電流不發生畸變，udc所能產生的最大線電壓峰值為0.866udc。因此，在spwm控制方式下，必須滿足0.866udc2.449ufa。為提高輸入端的最大線電壓峰值，可在各相參考電壓中同時加入三次諧波，使其相電壓參考波形發生畸變，二線電壓保持為正弦，這樣就能提高線電壓幅值10。3.3.3 雙向pwm電路設計1.開關管的設計開關管設計原則同雙向dc/dc電路。2.緩沖電容設計為了減小開關管在開通和關斷時電路對開關管的沖擊，在開關管兩端應設

50、計一個吸收電路。常用的方法有rcd吸收電路、rc吸收電路、c吸收電路11。本設計選用c吸收電路，即在開關管兩端并聯一個電容c。容量可選47nf，耐壓1200v。3.直流側電容設計 在直流側加上濾波電容，能有效減少工作時直流母線電壓中的脈動交流幅值，并能短時貯存負載開關切換時反饋的電感電流貯能，抑制由此引起的過壓，維持直流端壓的穩定。其容量可選1000uf，耐壓等級為1200v的電解電容2只。4.lc濾波器參數設計（1） 電感設計交流側電感的取值對系統穩態工作點、電流調整度，以及電流諧波幅值都有影響。其中電流調整速度，以及電流諧波幅值都是對di/dt所提出的相互矛盾的要求，電流快速調整要求di/

51、dt取值較大，而對電流諧波幅值的限制要求di /dt較小，因此電感參數的設計需要綜合考慮系統穩態工作點與di /dt指標的要求。根據穩態分析得出的結論，在限定的電壓利用率下，系統實現功率因數角為時電感需滿足的條件為： l32rdccos/(4(1-sin) (3.13)rdc負載電阻電壓利用率依據上式可得到電感取值的一個上限值，在該限值范圍內，以單位功率因數整流模式來考慮，l取值越大，可滿足調制處于線性區的最小直流電壓就越高，而對于功率因數小于1的整流模式，超前功率因數運行模式時，最小電壓隨l取值增大而增大，滯后功率因數運行模式中，l對最小電壓的作用相反，臨界點大致位于小角度滯后功率因數運行模

52、式中。因此，對滿足上式的l值，還需綜合考慮對應的最小直流電壓。電壓利用率越高，可滿足系統單位功率因數整流運行的l范圍越寬，功率等級越高，l值范圍越小，考慮系統穩定性指標，l值的取值限制主要還是對最小直流電壓以及功率等級的考慮。如前所述，快速電流調整要求di /dt較大，對應于l較小，而從抑制開關動作產生的高頻電流諧波的角度，要求開關周期內di /dt較小，即l要較大。對于兩個方面相互矛盾的需求，需折中考慮l的取值。首先考慮電流調整速度對電感取值的要求。電流調整速度包括穩態下對基波電流的追蹤速度 (di /dt)1，及整流回饋模式切換時的電流調整速度(di /dt)2。l確定的（di/dt）必須

53、在任意時刻都能滿足對基波電流的追蹤，同時在模式切換時滿足調整時間tm的設定。（2）電容設計電容的設計除了需要考慮直流電壓調節速度、電壓諧波抑制能力之外，還需要考慮在模式切換時容許的最大上升電壓指標。直流電壓調節速度，考慮在實際直流電壓低于或高于參考電壓時，直流電壓的快速調節性。可以設定調整時間參數tr ，在tr時間內，通過適當的開關選擇，使直流電壓變化到參考電壓值12。3.4 本章小結 主電路設計是應急電源的筋骨，器結構、布局、器件參數等對應急電源的正常、安全可靠的運行有著至關重要的關系。本章介紹了應急電源主電路的拓撲結構和工作原理，包括雙向pwm電路、雙向dc/dc電路。第4章 應急電源控制系統原理與設計4.1 雙向dc/dc電路的控制波形的產生雙向dc/dc電路的中igbt的驅動脈沖采用pwm調制方式實現。由于單片機p8xc591具有兩路pwm輸出，故使用這兩路pwm輸出作為雙向dc/dc的驅動脈沖13。在升壓斬波和降壓斬波時，需要控制輸出電壓或電流，