基于ＰＷＭ整流器的新型ＥＰＳ電源

摘 要： EPS作為一種可靠的綠色應急供電電源，在社會發展過程中的作用不斷增大，對它的研究也愈加深入。本文針對傳統的EPS充電電路與逆變電路分開的現狀，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，提高系統的可靠性，具有廣泛的應用前景。

關鍵詞： PWM整流器 EPS應急電源 工作原理

1.引言

GB50045—95（2001年版）規定：“一級負荷應由兩個電源供電，當一個電源發生故障時，另一個電源應不致同時受到損壞。一級負荷中特別重要負荷，除上述兩個電源外，還必須增設應急電源。”常用的應急電源有下列幾種：（1）獨立于正常電源的發電機組；（2）供電網絡中有效地獨立于正常電源的專門饋電線路；（3）蓄電池。應急電源包括柴油發電機組、EPS和UPS。EPS尤其適用于當高層建筑消防設施沒有第二路市電，又不便于使用柴油發電機組的場合。PWM整流器具有功率因數可為“1”，交流側電流為正弦波和電能可以雙向傳輸等優點。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關管取代傳統的半控型開關管或二極管，以PWM斬控整流取代了相近整流或不控整流，具有以下幾大優良性能：

（1）交流側電流這正弦波。

（2）交流側功率因數可控（如單位功率因數控制）。

（3）電能雙向傳輸。

（4）較快的動態控制響應。

顯然，由于電能的雙向傳輸，PWM整流器不是傳統意義上的AC/DC變換器。當PWM整流器從電網吸收電能時，其運行于整流工作狀態，作為整流器工作；而當PWM整流器向電網傳輸電能時，其運行于逆變狀態，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為電網電壓，L是網側電感，R是網側等效電阻。交流側電壓具有如下關系：

E=V_L+RI+V (V為整流橋交流側電壓)

在穩態條件下，各電壓的矢量關系如圖（2）所示：

圖（2） 電壓矢量關系

電網電壓E作為實軸坐標系，即有功分量。從圖上可知，RI，V_L都是由電流I決定的。控制電流矢量I與E的夾角φ就可以進行網側功率因數控制，當電流矢量I在第一、四相限時，有I*E*cosφ＞0，PWM整流器吸收電網有功功率，此時PWM整流器是真正意義的整流器；當電流矢量I在第二、三相限時，有I*E*cosφ＜0，PWM整流器則向電網提供有功功率，此時，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（整流/逆變）和功率因數。電流|I|一定時，|V_L|也一定，忽略R的影響，電壓矢量關系如圖（3）所示：

圖（3） Φ=0（整流）；φ=π（逆變）

3.傳統的EPS應急電源

3.1應急電源

工程供電設計中對于一二類重要負荷需要考慮供電連續性的措施，除了雙電源、雙回路供電外，還配有應急電源。應急電源是與電網在電氣上獨立的各種電源，包括柴油發電機組和蓄電池，其中蓄電池又分為EPS和UPS。柴油發電機組作為傳統的備用應急電源，輸出功率大，供電時間長，但切換時間相對較長，有噪音干擾，供電質量不高，成本高，廣泛應用于賓館、飯店及其它重要負荷的供電場所。UPS是在電網正常供電時，電網經過整流電路給蓄電池浮充，同時，逆變電路工作，給負載提供電能，當電網異常時，逆變電路繼續工作，切換時間小于10ms，由于UPS一直處于工作狀態，效率約為80%—90%，成本比較高，主要應用于銀行、證券和電信等重要場合。

3.2EPS

EPS應急電源是以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構的強弱電一體化系統，是一種高科技環保產品。它在緊急的情況下作為重要負荷的第二或第三電源供給，可望替代不少場合的柴油發電機組和UPS。它采用智能芯片控制，維護簡單，自動操作，市電異常時，即市電小于187V或高于242V，自動切換，切換時間小于0.5s，可無人值守；采用IGBT逆變橋PWM控制，供電電壓穩定，逆變頻率穩定，波形好；平時處于睡眠狀態（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、應急照明、醫院手術室和實驗室等重要場合。傳統的EPS采用后備式結構，如圖（4）所示：

圖（4） 傳統EPS工作原理

從圖中可以看出，充電電路與放電電路是分開的，當市電正常供電，切換開關Ks接通市電，應急電源處于整流狀態，蓄電池浮充，逆變電路不工作。當市電異常時，切換開關接通逆變電路，應急電源進入逆變狀態，并停業充電；同時，檢測蓄電池組端電壓，當端電壓小于放電終止電壓時，蓄電池放電完畢，停業放電。再加上蓄電池組過壓、欠壓保護；輸出交流過壓、過流、高溫、短路保護等功能就組成了傳統EPS應急電源的全部功能。

4.新型EPS應急電源工作原理

根據傳統的EPS應急電源，任何時候充電電路與逆變電路都只有一個電路工作，是一種互斥關系，而且需要配置兩套驅動電路，分別驅動整流橋和逆變橋。在結構上有一定的臃腫，控制復雜，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，它們的驅動電路都是由IGBT驅動芯片及其一些外圍電路組成，結構完全相同。如果可以把充電、放電兩部分電路合為一體，則結構簡化，控制簡單化，系統可靠性也相對提高，更重要的是產品成本低，功耗也相對減少一半。而PWM整流器則提供了理論依據，這兩者都就是設計新型EPS應急電源的出發點。

4.1新型EPS工作原理

新型的EPS應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。只是在結構上“充電電路”與“逆變電路”合并為一個“整流/逆變橋”，比傳統的EPS應急電源簡單。其中，整流逆變橋是PWM整流器。具體的工作原理是這樣的：當市電正常時，Ks合并，即市電同時給負載和電池供電，PWM整流器工作于整流狀態，蓄電池浮充。當市電異常時，為了防止電能回饋電網，Ks斷開，由電池給負載供電，PWM整流器工作于逆變狀態，蓄電池放電。同時，檢測蓄電池端電壓，直到端電壓下降到放電終止電壓時，即蓄電池放電完畢，自動關閉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，因此給定電流信號應與電網電壓同相（整流），或者反向（逆變），可以單位功率因數控制，凈化電網，提高效率。

4.2系統結構

新型EPS具有傳統EPS應急電源的功能，各種報警、參數設置與顯示和通訊功能等。新型EPS還可以對蓄電池進行更全面的監控，如單節電池電壓檢測，容量檢測，更理想的充電過程等。系統結構框圖如圖（6）所示：

圖（6） 系統結構框圖

4.2.1輔助電源

PWM整流器擔任了兩重任務，給蓄電池充電與放電，為了能夠持續工作，驅動電路絕不能出現斷電現象。開機時，首先“輔助電源1”給驅動電路供電，蓄電池充滿電后，“輔助電源2”同時給驅動電路供電，以防電網突然停電。市電異常時，“輔助電源1”自然也斷電，但是“輔助電源2”照常供電，不會影響PWM整流器的工作。

4.2.2電量檢測

在EPS工作期間，我們應同時檢測以下幾個電量（電流或電壓）：

（1）市電電壓E，以便決定PWM的工作狀態。

（2）PWM整流器交流側電壓V，作為逆變時輸出電壓的反饋信息。

（3）PWM整流器交流側電流I，用于功率因數控制，以及作為整流時電流內環的反饋信息。

（4）蓄電池端電壓Vdc，作為整流時電壓環外環的反饋作息，也對蓄電池進行各種操作的依據（恒流充電，恒壓充電，浮充，停止放電）。

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

4.2.3容量檢測

蓄電池在使用過程中，容量是不斷下降的，當電池容量衰減至初始值的80%時，進入快速失效期，容量衰減加快，普遍認為容量低于初始值的80%的蓄電池為失效電池。若沒有發現失效電池而繼續使用，將埋下安全隱患。可見電池容量是很重要的一個參數，應不定期檢測。進行容量檢測時，控制放電電流I′為一指定的恒定值，并計時，當電蓄電池電壓下降到放電終止電壓時，即放電完畢，停止放電和計時，并立刻對蓄電池充電。

4.2.4工作狀態切換

由于該EPS電源添加了蓄電池容量檢測功能，此時，PWM整流器工作于有源逆變狀態，那么PWM整流器就有三個工作狀態：整流，有源逆變和無源逆變，它們之間的關系如下：

（1）市電正常時

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

有源逆變：容量檢測時間到，控制對象是PWM整流器直流側電流和交流側電流波形。

（2）市電異常時

無源逆變：斷開開關Ks，控制PWM整流器交流側電壓為220V，電流為正弦波，頻率為50HZ。

4.2.5控制電路

這是EPS應急電源的控制核心部分，實現各種工作狀態的切換控制，以及各種控制算法。對各種采樣進行轉換和存儲，鍵盤輸入信息能夠修改程序中的參數，并把一些重要變量的實時值送給顯示單元，還能進行各種必要聲光報警，有需要時，還得與上位機進行通信，實現更為友好的人機交互界面，或者遠程通訊，實現遠程監控與管理。

5.結語

根據PWM整流器能夠雙向傳輸能量并且同時進行功率因數校正，把傳統EPS充電功能與逆變功能統一由一個PWM整流器完成，控制還是由一片智能芯片完成，同時增加了單位功率因數控制和電池容量檢測功能，降低了系統的功耗和成本，功能卻更加強大。因此，新型EPS應急電源具有更廣泛的應用前景，是應急電源研究和開發的一個重要方向。

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