逆变式eps设计与仿真_本科毕业论文(编辑修改稿)

逆变式eps设计与仿真_本科毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

在 80%90%。 这样也造成了 UPS 的相对寿命较短，一般为 58 年。 UPS 更适合于电容性负载，主要应用于对电能质量要求极高的计算机、服务器、程控交换机和集料设备等。 下面通过图表来更直观的对比 EPS 与 UPS 的特点，如表 11。 表 11 EPS 与 UPS 的对比 EPS UPS 运行方式 电网正常时处于睡眠状态， 电网失电时运行 长期持续工作 供电效率 92%以上 80%90% 使用寿命 一般为 20 年以上 一般为 58 年 切换时间 ≤ 10ms 左右 噪音污染 睡眠时无噪音， 供电时＜ 55dB 一般为 5565dB 负载适应性 感性、各种混合用电负载 电容性、电阻性负载 工作目的 确保供电持续不间断 确保供电不间断，改善电压 工作环境 建筑竖井或配电室 计算机房或空调房 价格 约为同容量 UPS 的 60% 价格偏高 EPS 与发电机组 EPS 应急电源启动速度远高于发电机组，供电质量稳定高效，并且维护简单，可无人值守，而发电机组 电压不稳，效率低还需专人值守。 在成本上EPS 只需一次性投入而发电机组的辅助设施造价高，运行成本高，还需要专用机房，占地面积较大。 EPS 电源不足于发电机组的就是 EPS 供电时间取第 1章 绪论 5 决于蓄电池的容量，一般为 30120 分钟，发电机组则能长期持续供电。 具体的比较如表 12。 表 12 EPS 与发电机组的比较 EPS 发电机组 启动时间 ≤ 530s 供电时间 30120min 可长时间持续供电 供电质量 电压稳定、波形好、高效 电压不稳、效率低 运行维护 维护简单，可无人值守自动 操作， 也可计算机监控 需要专人看管，定期维护 污染 噪音小、无气体排放、无公害 噪音大、震动强、有二氧化硫排放 造价及 运行成本 一次性投入，后续运行投入低 设备采购成本一般，辅助设施造价高，运行成本高 EPS 与自带蓄电池应急灯 与自带蓄电池应急灯相比， EPS 应急电源只需初次投资，避免了重复投资，免维护，并且寿命较长。 而自带蓄电池应急灯需要定期重复投资，需要人工定期逐个充放电，一般寿命为一年左右。 详细比较如表 13 所示。 表 13 EPS 与自带蓄电池应急灯的比较 EPS 自带蓄电池应急灯 维护管理 免维护 需要人工定期逐个充放电 实际使用 集中故障监控报警 无故障报警，损坏不能及时发现 价格 一次性投入，后续运行投入低 初次投资费用较高， 需定期重复投资 使用寿命 一般 20 年以上 一般寿命一年左右 燕山大学本科生毕业设计（论文） 6 第 2章 基本方案设计 设计思路及结构 设计思路 设计的基本 思路为： 当市电工作正常时， 外接的 负载 由市电单独供应，为防止重复供电，此时 EPS 与负载是被阻断的， EPS 的逆变器不工作，处于休眠状态。 市电除了供应正常使用的负载外，还要给 EPS 的蓄电池进行充电， 市电通过 单相全桥不可控整流电路将给定的交流电整流为直流电，再通过双向 DC/DC 变换器的 Buck 工作模式调节至固定电压给蓄电池充电。 当检测装置检测到市电供应出现问题时，系统自动切换， 首先断开市电与负载间的开关， 由 EPS 向负载供电。 此时 EPS 中 双向 DC/DC 变换器转变为 Boost 模式工作， 蓄电池通过双向 DC/DC 变换器放电 ， 逆变器这时也恢复工作，输出电压经过 逆变器转变为交流电供给负载，直到检测到市电恢复正常时，又断开逆变器与负载间的开关，单独用市电供电。 如图 21 为 EPS结构框图， 图 22 为系统基本电路。 EPS 基本 结构 图 21 整体结构框图 第 2章 基本方案设计 7 S1B TT1T2S3V1V2V3V4S2 市 电供 应负 载 图 22 EPS 电路原理图 开 始检 测 市 电供 电 是 否 正 常切 断 E P S供 电市 电 单 独供 电切 断 市 电供 电蓄 电 池 放电 状 态E P S 单 独供 电蓄 电 池 充电 状 态NY 图 23 EPS 工作流程图 如图 23 所示，由 EPS 应急电源系统流程可知为了防止市电突然启动或是虚晃断电，造成市电和 EPS 重复供电而损坏负载，设计中总是先切断一种供电方式，再提供另一种电源进行供电。 燕山大学本科生毕业设计（论文） 8 PWM控制技术简介 PWM控制技术及其发展 PWM（ Pulse Width Modulation）控制技术就是对脉冲的宽度经行调制的技术。 即通过一系列脉冲宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形，包括形状和幅值。 也就是通过脉冲控制，利用半导体开关器件的开通和关断，以实现变频、变压，控制和消除谐波的一门技术。 PWM 控制技术应用最为广泛是在逆变电路中，它对逆变电路的影响也最深刻。 现在大量应用的逆变电路中的，绝大部分都是 PWM 型逆变电路。 可以说 PWM 控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用才发展的比较成熟，从而确定了它在电力电子技术中的重要地位。 随着电压型逆变器在高性能电力电子装置，如交流传动、 UPS 电 源、有源滤波器中应用的越来越广泛， PWM 控制技术作为这些系统的核心技术得到人们的高度重视，并且得到越来越深入的研究。 目前已经提出并得到实际应用的 PWM 控制方案有十几种， PWM 控制技术的发展经历了一个不断创新和不断完善的过程，而且新的控制方案还在不断地提出。 SPWM控制技术 脉冲的宽度按正弦规律变化和正弦波等效的 PWM 波形，也称 SPWM波形。 在各种 PWM 控制技术中，正弦 PWM 技术是应用最广而且是比较成熟的一种变频调速方案，这种控制方法可以使电机的调速工作在近似正弦的变电压下同时有效的抑制低次谐 波，其转矩脉动小，大大扩展了交流电机的调速范围。 SPWM 技术不仅包括正弦电压，还包括磁通正弦 PWM，电流正弦 PWM。 电压正弦 PWM 技术可以使用模拟电路、数字电路或集成电路芯片来实现。 数字化 PWM 的方法，常用的有自然采样法和规则采样法等。 磁通SPWM，即空间电压矢量 SVPWM 法与电压 SPWM 不同，它是从电机的角度作为出发，强调怎样使电机获得幅值恒定的圆形磁场。 在交流电机的控制、有源滤波和逆变器等电路中电流 SPWM 技术的使用较为广泛。 现在，实现第 2章 基本方案设计 9 这种 PWM 逆变器的方法有很多，分为 PI 控制，滞环控制及无差拍控制等几种，都有控制简单、动态响应快和电压利用率高的特点。 SPWM技术原理 在采样控制理论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。 上述原理可以称之为面积等效原理，它是 SPWM 控制技术的重要理论基础。 SPWM 技术的控制方法主要分为计算法和调制法，因为计算法十分繁琐，在实际应用中基本都使用调制法，下面来进一步说明。 (1) 面积等效法 如图 24 所示，这种方法从平均能量等效概念出发 ,将正弦波沿着时间轴分为若干等份 ,而每一等份所包含的正弦波面积都用一个与此面 积相等的矩形脉冲来代替 ,根据这种等效的关系来确定开关器件的通断状态。 ω tω t00UU 图 24 SPWM 面积等效法 (2) 三角波调制法 Vm SPWM 技术是提高逆变器电压输出质量的一种常用方法，如图 25 为一个正弦波与高频的三角波波形进行比较，正弦波是逆变器输出的期望波形 ,以正弦波为调制波信号 ,以频率比期望波高很多的三角波作为载波 ,当调制波燕山大学本科生毕业设计（论文） 10 和载波相交时 ,由他们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻 ,从而得到相应的矩形波来控制开关器件，目前很多控制方法的基础都还是 SPWM 原理 ,只是改进以及优化了它的补偿算法 ,如 PID 控制、重复控制、神经网络控制。 它们主要通过补偿算法 ,改变正弦调制波信号 ,让调制波加入需要抵消的谐波或是快速跟踪标准正弦信号 ,从而减小输出阻抗 ,提高输出波形的质量。 Uc mUs mTsUa btt 图 25 SPWM 三角波调制法 小结 通过上一章的介绍可以知道 EPS 的发展由来，基本作用 ， 还有 和其他产品相比较而言的优势。 本章介绍了方案设计的基本主体电路，使用了结构框图、流程图、电路图等从整体描述了 EPS 系统的工作原理，通过流 程图了解到了 EPS 应急电源的工作过程和大致的控制方式。 还分析了 PWM 控制技术的原理，发展以及 SPWM 控制技术的控制方法。 在 下一章 中将详细分析 EPS 系统各部分的设计。 第 3章 EPS系统主体设计 11 第 3章 EPS系统主体设计 控制原理 在市电供应正常时，市电要给 EPS 蓄电池提供电能，设计要求给出220VAC 输入输出，所以要经过一系列变换将市电变换为可以供蓄电池充电的电源，首先要经过一个整流电路将 220V 的交流电变为直流。 我选定了单相桥式不可控整流电路，电路的控制简单，且输出很稳定，下面来分析该电路 的工作原理。 V D1V D3V D2V D4CRUUd 图 31 电容滤波的单相桥式不可控整流电路 如图 31 是单相桥式不可控整流电路，该电路的基本工作过程是，在 U正半周期过零点至 wt=0 期间，因 UUd，故二极管均不导通，此阶段电容 C向电阻 R 放电，提供负载所需电流，同时 Ud 下降。 至 wt=0 之后， U 将要超过 Ud，使得 VD1和 VD4开通， Ud=U，交流电源向电容充电，同时向负载 R充电。 在 wt 达到 θ 时 VD VD4关断，另一对二极管 VD VD3导通，此后 U 又向电容 C 充电，与 U 的正半周的情况 一样。 燕山大学本科生毕业设计（论文） 12 主要数量关系 输出电压平均值：空载时 R=∞ ，放电时间常数为无穷大，输出电压最大， Ud=；重载时， R 很小，电容放电很快，几乎失去储能作用，随着负载的加重， Ud 逐渐趋近于 ，即趋近于电阻负载时的特性。 电流平均值：输出电流皮均值为 RUI d (31) 在一个电源周期中， I 有两个波头，分别流过 VD VD4和 VD VD3，所以流过某个二极管的电流 Ivd 只是两个波头中的一个，其平均值为 2IIvd (32) 双向 DC/DC变换器 免维护铅酸蓄电池 本文的逆变式 EPS 的储能装置采用免维护铅酸蓄电池，免维护铅酸蓄电池是在传统蓄电池上进行改进过的产品，相比于传统蓄电池减小了体积、重量，减少了维护，使用寿命相对更长且对环境影响很小，是现在 EPS、UPS 中最常用的储能装置。 它将电能转换为化学能储存起来，当市电中断时，EPS 靠储存在蓄电池中的化学能再转变为电能供应负载能量。 蓄电池容量要根据实际 放电电压电流以及预计使用时间来决定。 铅酸蓄电池放电电流 ENPI  cosm ax (33) 上式中： Imax—— 铅酸蓄电池最大放电电流 P—— EPS 额定输出功率 cosφ —— EPS 输出功率因数 η —— EPS 逆变效率 N—— 蓄电池组中蓄电池个数 第 3章 EPS系统主体设计 13 E—— 蓄电池放电电压 在蓄电池放电的过程中，电压电流都是变化的，根据蓄电池的放电状态，一般去 为功 率校正因数，蓄电池的实际放电电流为 I=。 铅酸蓄电池的容量 有了实际放电电流值，再根据所需要的使用时间，按如下公式便可得到所需电池的容量 蓄电池容量 (Ah)=蓄电池实际放电电流。