新型三相应急电源的研究与设计毕业设计(编辑修改稿)

新型三相应急电源的研究与设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

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。 中小功率应急电源的研究与设计 8 第 3 章 应急电源主电路 工作原理与设计 双 向 DC/DC 变流器 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。 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 双向 DC/DC 变流器主电路 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。 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]。 中小功率应急电源的研究与设计 9 双向 DC/DC电路的设计 在双向 DC/DC 电路中，有功率管 V V8和续流二极管 VD VD8，如图。 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 () Imax≈ () 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 CM75DY24H，其耐压值为 1200V，最大电流容量为 75A。 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(1D)/(2IOC) （ ） IOC=(1/5～ 1/3)IOM （ ） 式中： 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 中小功率应急电源的研究与设计 10 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 () 式中： Ud— 直流端电压 T— 开关周期 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。 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。 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+2H2O2e＝ PbO2+4H++SO42 阴极： PbSO4+2e＝ Pb+SO42 放电： PbO2+Pb+2H2SO4＝ 2PbSO4+2H2O 负极： Pb+SO422e＝ PbSO4 正极： PbO2+4H++SO42+2e＝ PbSO4+2H2O 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。 中小功率应急电源的研究与设计 11 (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。 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： 安时容量 =放电电流179。 放电时间 瓦时容量 =安时容量179。 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。 t i 0 图 蓄电池可接受充电电流曲线 中小功率应急电源的研究与设计 12 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 =P179。 （ 360179。 η ） =10179。 1000179。 （ 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。 同时考虑到电池标称容量为 10 小时率，所以当放电时间为 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 OT6512 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。 双向 PWM 变流器 PWM 逆变电路 逆变电路的工作原理 图 PWM 逆变电路 中小功率应急电源的研究与设计 13 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 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 三相桥式 PWM 逆变电路波形 三相逆变电路一般采用 SPWM 调制方式， A,B,C 三相的 PWM 控制通常公用一个三角载波中小功率应急电源的研究与设计 14 uc，三相的调制信号 urA、 urB和 urC依次相差 120176。 A、 B 和 C 各相功率开关器件的控制规律相同，现以 A 相为例来说明。 当 urAuc时，给上桥臂 V1 以导通信号，给下桥臂 V4 以关断信号，则 A相相对于直流电源假想中点 N’ 的输出电压 uAN39。 =Ud/2。 当 urAuc时，给下桥臂V4 以导通信号，给上桥臂 V1 以关断信号，则 A 相相对于 直流电源假想中点 N 的输出电压uAN39。 =Ud/2。 V1和 V4 的驱动信号始终是互补的。 当给 V1(V4)加导通信号时，可能是 V1(V4)导通，也可能是二极管 VD1(VD4)续流导通，这要由阻感负载中电流的方向来决定。 B 相和C 相控制方式都和 A 相相同。 电路的波形如图 所示。 N 为直流电源假想中性点。 n 为输出电压中性点。 可以看出， uAN、 uBN和 uCN的 PWM 波形都只有177。 Ud/2 两种电平。 图中的线电压 UAB的波形可由 uAN uBN得出。 可以看出，当臂 1与臂 6导通时， uAB=Ud，当臂 3和 4导通时， uAB=Ud，当臂 1和 3 或臂 4和 6 导通时， uAB =0。 因此，逆变器的输出线电压 PWM 波由177。 Ud和 0三种电平构成。 从波形图可以看出，负载相电压的 PWM 波由（177。 2/3） Ud、（177。 1/3） Ud和 0 共 5 种电平组成。 在调制比小于 1 的情况下，输出线电压的有效值为 6 Ud/4，即 UAB= Ud。 在三相 PWM 逆变电路中，通常公用一个三角波载波，且取载波比 N 为 3的整数倍，以使三相输出波严格对称。 同时，为了使一相的 PWM 波正负半周镜对称， N 应取奇数 [5]。 工程上根据输出端口对信号频率范围的要求，设计专门的网络，置于输入输出端口之间，使输出端口所需要的频率分量能够顺利通过，而抑制不需要的频率分量，这种具有选频功能的中间网络，工程上称为滤波器。 工程上利用电感 L和电容 C 彼此相反而又互补的频率特性，先设计具有一定滤波功能的单元电路，然后再用搭“积木”的方式（如并联、级联等），连接成各种各样的滤波器网络。 图 所示为低通滤波器的单元电路。 （ a） L 型 （ b） T 性 （ c） π 型 图 低通滤波器的单元 电路 中小功率应急电源的研究与设计 15 本设计三相逆变器采用 L型的低通滤波器。 其工作原理为：设逆变器输出电压的基波频率为 f1，载波频率表为 fc，截止频率为 fs。 由于 f1fs，故ω 1L1/ω 1C, ω 1L对基波信号阻力很小； 1/ω 1C 对基波信号分流很小，因此允许基波信号通过。 由于 fcfs,故ω cL1/ω cC, 故ω cL 对基波的 K 倍次谐波信号阻抗很高； 1/ω cC 对基波的 K 倍次谐波信号分流很大，因此滤波器不允许基波的 K 倍次谐波信号通过。 因为逆变桥输出电压谐波聚集在以基波的 K 倍次谐波为中心所形成的双边频带上。 因此在逆变器输出端应该设 置滤波器。 K 值越高， K 倍次频率附近的高次谐波越容易滤除。 即载波频率越高，输出电压波形中的谐波频率也越高，也越容易被滤除。 PWM 逆变电路可以使输出电压、电流接近正弦波，但由于使用载波对正弦信号波调制，也产生了和载波有关的谐波分量。 这些谐波分量的频率和幅值是衡量 PWM 逆变电路性能的重要指标之一，因此有必要对 PWM 波形进行谐波分析。 同步调制可以看成异步调制的特殊情况，因此只分析异步调制方式就可以了。 采用异步调制时，不同信号波周期的 PWM 波形是不相同的，因此无法直接以信号波周期为基准进行傅 里叶分析。 以载波周期为基础，在利用贝塞尔函数可以推导出 PWM 波的傅里叶级数表达式，但这种分析过程相当复杂，而其结论却是很简单而直观的。 三相桥式 PWM 逆变电路可以每相各有一个载波信号，也可以三相公用一个载波信号。 现分析应用较多的公用载波信号时的情况。 在其输出线电压中，所包含的谐波角频率为 nω c177。 kω r 式中， n=1,3,5， „ 时， k=3（ 2m1） 177。 1， m=1,2， „ ；。