基于數碼交流發電機的不間斷供電系統設計

匡莉娟　施洪昌　金劍杭

摘 要：針對用戶對負載供電不間斷的實際需求,分析了數碼發電機的內部結構及其不能實現供電的不間斷性能的原因,提出一種由數碼發電機改造組成的交流不間斷供電系統的設計方法。該設計利用發電機內部的逆變器,在市電正常時,由市電經過逆變器給負載供電,同時給蓄電池充電；在市電斷電時,一邊啟動發電機,一邊由蓄電池的直流電通過逆變器轉換成交流電供負載使用,實現無論市電正常還是異常,系統對負載提供不間斷電源。設計對市電進行穩壓、穩頻、輸出零切換、蓄電池的充放電管理等新功能。此設計無需單獨購買不間斷電源,避免重復投資和資源浪費。

關鍵詞：數碼發電機；不間斷供電；蓄電池；逆變器

中圖分類號：TM13 文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2009)01-078-03

Design of Uninterrupted Power Supply System Based on Digital Generator

KUANG Lijuan1,SHI Hongchang2,JIN Jianhang3

(1.College of Information & Engineer,Southwest University of Science & Technology,Mianyang,621002,China;

2.Equipment Design & Test Technology Institute,China Center of Air Dynamical Research & Development,Mianyang,621000,China;

3.Jinheng Power Technology Co.Ltd.,Hangzhou,310030,China)

Abstract：According to the users′ actually demand for uninterruptible power supply for loads,the internal structure of digital generator is analysed and the reason for its uninterruptible function can′t be achieved.A design of the uninterrupted power supply system which transformed from the digital generator is proposed.The system uses the inverter of generators,AC through inverter for loads,at the same time,charges the battery as AC is normal.Inverter the battery DC converters to AC for load,meanwhile,starting generator,when power failure.The system applies uninterruptible power for load,whether the AC is normal or abnormal,and design voltage and frequency stabilization,output zero-interrupted,battery charging and discharging management.Without requiring purchase an uninterruptible power supply separately,this design can avoid duplication of investment and wasting of resources.

Keywords：digital generator;uninterruptible power supply;battery;inverter

0 引 言

隨著科學技術的發展以及計算機的廣泛應用,人們對供電的質量提出了越來越嚴格的要求,計算機類或其他敏感設備,要求供電系統具有連續、可靠等性能。在許多重要場合均要求供電系統采用多路供電或自備發電機作為備用電源。

目前,柴(汽)油交流發電機的作用是在市電停電或者在沒市電的環境中能為負載提供交流電的裝置。目前市場上,一般要想利用發電機組成交流發電機不間斷供電系統,首先想到的就是購買一臺不間斷電源［1］,該不間斷電源在市電正常情況下跟蹤市電相位,同時對蓄電池進行充電；當市電調電或異常時,一邊由蓄電池所存儲的直流電通過逆變器轉換成交流電繼續給負載供電,一邊自動啟動交流數碼發電機,當發電機啟動成功后,就由發電機給負載供電,保證供電的不間斷［2］。

以上的方法固然可以組成交流發電機不間斷電源,但是系統的成本大大增加,而且造成資源的浪費。這是因為數碼交流發電機內部本身已經存在逆變器,需要組成交流發電機不間斷電源無需再單獨購買不間斷電源,只要對數碼發電機的內部結構進行改造即可完成相關的功能。如果對現有的交流數碼發電機進行改造,利用其內部的逆變器實現在市電斷電情況下,把蓄電池存儲的直流電轉換成交流電供負載使用,可以大大節約投資成本,無需單獨購買不間斷電源,避免重復投資和資源浪費。

1 目前市場上的數碼交流發電機的結構簡介

與普通發電機相比,數碼交流發電機直接與發動機結合,取消了飛輪,因此,其尺寸和重量上減小了50%,數碼發電機組還根據負載實際變化狀況來自動調節轉速的高低并且在此范圍內均可輸出恒定的50 Hz頻率,既滿足了對頻率要求穩定的用電設備的需求,同時又有效地降低油耗,其油耗比普通機組要低20%～40%,運行時間更長,大大延長了整機的使用壽命,具有體積小、重量輕、效率高、電壓、頻率恒定等特點。

圖1是現在市場上的數碼發電機的內部結構簡圖。交流斷電時,啟動發電機模塊1,通過控制步進電機控制油門6的大小,由控制/驅動模塊5去控制發電機的輸出電壓,使其整流模塊2的輸出電壓滿足在380 V±20 V范圍內,表示發電機啟動成功,然后由逆變模塊3進行逆變,最后輸出經過LC濾波模塊4向負載提供220 V±2%的交流電壓。發電機的啟動即使在正常的情況下也是需要幾秒的啟動時間,由于沒有蓄電池給逆變器供電,所以在發電機啟動的這段時間里,發電機對負載的供電是中斷的。因此現在市場上的數碼發電機沒有達到對負載供電零中斷的功能。

2 由數碼交流發電機改造的不間斷交流供電系統

該設計提供一種能夠利用交流數碼發電機改造成不間斷電源的方案,對現有的數碼交流發電機進行改造,重新進行設計,利用發電機內部原有的逆變器,在市電正常時,由市電經過逆變器給負載供電,同時給蓄電池充電；在市電斷電時,一邊啟動發電機,一邊由蓄電池的直流電通過逆變器轉換成交流電供負載使用,實現無論市電正常還是異常,系統對負載提供不間斷電源,同時再設計對市電進行穩壓、穩頻、輸出零切換、蓄電池的充放電管理等新功能,實現對負載供電的不間斷功能。

2.1 系統的基本工作原理

系統內部的單片機檢測市電的輸入電壓,當市電輸入電壓在220 V±25％范圍時表示市電正常,則由市電經過輸入EMI濾波、PFC整流升壓,最后經過逆變器逆變成AC 220 V±2％輸出正弦波電壓給負載供電。步進電機通過光耦與經過全橋整流的輸入交流市電相連,當光耦處于“開”狀態時,表示交流市電在正常的范圍內,當光耦處于“關”狀態時,表示交流市電異常,同時主控制器檢測蓄電池的電壓,當蓄電池提供的直流電壓經過DC/DC升壓后的電壓為360 V,表示此時處于蓄電池給逆變器供電,系統處于直流輸入狀態,同時步進電機控制器發出信號啟動發電機,步進電機油門控制器控制發電機油門大小［3-5］,當檢測到發電機的輸出電壓在380 V±20 V時,表明發電機啟動成功,則系統就通過電子轉換開關切換到由交流發電機給負載供電。

2.2 系統的整體設計

交流發電機不間斷電源,包括CPU主控制模塊、市電輸入模塊、EMI濾波模塊、PFC、直流升壓模塊、蓄電池充放電管理模塊、逆變模塊、輸出濾波模塊、發電機模塊、步進電機的油門控制以及其發電機的控制/驅動模塊。

圖2是改造的數碼交流發電機不間斷電源系統電路結構示意圖。

下面對圖2交流發電機不間斷電源作具體介紹,該系統是由以下模塊組成的：CPU主模塊7,市電輸入模塊1,EMI濾波模塊2,PFC功率因數校正和直流升壓模塊3,輸出濾波模塊5,蓄電池充放電管理模塊6,逆變模塊4,發電機模塊8,步進電機,油門控制11以及其發電機的控制、驅動模塊10。主CPU模塊7分別與蓄電池充放電模塊6,逆變模塊4,輸出濾波模塊5,PFC直流升壓模塊3相連。

在圖2中,輸入的市電經過EMI濾波處理后,經過PFC模塊3進行功率因數校正和直流升壓［6,7］,其輸出一方面通過蓄電池充電管理模塊6給系統內的蓄電池充電,另一方面PFC模塊將電壓升壓至DC 360 V的經過逆變模塊4進行逆變,最后經過LC濾波模塊5輸出220 V±2%的交流電。輸入市電正常時,由上述過程給負載供電；當市電不正常時,系統自動啟動發電機模塊8,在發電機啟動的過程中由蓄電池給逆變模塊提供直流電,經過逆變模塊后繼續向負載提供零中斷的交流電［4］。發電機的啟動過程中通過控制步進電機控制油門11的大小,由控制驅動模塊10去控制發電機的整流輸出電壓大小［8］,當發電機發出的電壓經過整流模塊9后的電壓大于360 V時,表示發電機啟動成功,由發電機給負載提供交流電源,實現對負載供電的不中斷。在主控模塊7檢測到市電正常后,再由發電機供電切換到市電供電。在發電機供電切換到市電時,要進行相位檢測與跟蹤,采用移相技術,保證相位的隨時同步。在全部的供電切換過程中即由市電向蓄電池切換、蓄電池向發電機、發電機向市電的切換中,系統對負載的供電都是零中斷的。

3 結 語

針對當前數碼發電機在啟動過程中對負載供電是中斷的,達不到對負載供電的零間斷能力,提出了一種方案,可以在原有數碼交流發電機結構的基礎上,進行重新設計,改變數碼發電機原有的軟、硬件結構,但保留內部的逆變器,來組成交流發電機不間斷供電系統,實現對負載供電的零中斷功能。同時系統還增加了市電整流、濾波、PFC、直流升壓以及蓄電池充放電管理模塊,不僅可以向負載提供不間斷的交流電,還對市電進行穩壓、穩頻,對負載提供純凈的正弦交流電［9,10］。同時系統的成本得到了大幅度的降低,體積和重量更小,蓄電池包可以方便地進行維護和更換。

參考文獻

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作者簡介匡莉娟 女,1985年出生,江蘇盱眙人,碩士在讀。研究方向為UPS電源、通信電源、測控自動化。

施洪昌 男,1941年出生,江蘇啟東人,研究員、技術少將。研究方向為測控自動化、風洞測控技術等。

金劍杭 男,1953年出生,浙江杭州人,總工程師。研究方向為電力專用UPS電源、通信電源、逆變電源、運算放大器等。