船用高性能單相交流不間斷電源裝置研制

章建峰+楊禎+鮑陳磊

摘 要： 為滿足船上不同特性單相交流負載，特別是不控整流橋非線性負載的供電需求，使220 V單相交流供電具有強的抗電流沖擊的能力，運用先進的電力電子控制技術，研制了一種船用高性能單相交流不間斷電源裝置，討論其工作原理，并研究了關鍵技術。最后，通過原理樣機，驗證了船用高性能單相交流不間斷電源裝置的優越性能。

關鍵詞： 船用電源裝置； 單相交流； 電流沖擊； 不間斷電源

中圖分類號： TN86?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）16?0149?03

Research on high?performance single?phase AC UPS for ships

ZHANG Jianfeng， YANG Zhen， BAO Chenlei

（Shanghai Marine Equipment Research Institute， Shanghai 200031， China）

Abstract： To well satisfy the requirements of single?phase AC load with various characteristics， especially for the power supply requirement of uncontrolled rectifier bridge non?linear load， and make the 220 V single?phase AC power supply equipped with the ability to endure large current impact， a high?performance single?phase AC UPS device for ships was developed by means of advanced power electronic control technology. The operating principle and key technologies is discussed in detail in this paper. Its feasibility and advancements are verified by a 220 V/10 kW prototype built in the lab.

Keywords： power supply device for ship； single?phase AC power； current impact； uninterrupted power supply

20世紀80年代以來，越來越多的計算機自動化監控設備運用到船舶動力、電力及通信等系統里，大大提升了船舶自動化水平，同時，這對供電電源品質及可靠性要求也越來越高[1?2]。當主電網不正常或發生中斷故障時，輸出需不間斷供電以保證重要系統穩定工作，即要求給負載提供不間斷的高質量電源，其中包括220 V單相交流電源。單相交流不間斷電源裝置[3?5]，扮演著給船舶動力、電力、通信等系統重要負載，不間斷提供穩定的高質量220 V單相交流電源的角色，但隨著自動化程度的提高，各種特性負載不斷增多，也包括不控整流橋非線性負載[6?7]，其突加可帶來20倍于額定值的沖擊電流，極易造成系統誤保護，因此，一般的單相交流不間斷電源裝置已不能滿足目前實船舶發展的需要。為了適應船上220 V單相非線性負載的實際特性，保證負載順利啟動及掛網負載正常工作，本文研制了一種船用高性能單相交流不間斷電源裝置，采用十二脈波整流、基于單極倍頻SPWM調制的電壓電流雙環數/模混合逆變控制及電源切換動態跟蹤鎖相等先進技術，實現了優良的輸出性能，具有較好地抗負載沖擊能力。

1 工作原理

船用高性能單相交流不間斷電源裝置原理框圖，如圖1所示，主要由十二脈波不控整流電路、逆變電路、充電電路、放電電路、電源切換控制電路、輔助電源電路和監控系統等組成。主電路中，三相電網電壓經EMI濾波，通過Δ?Y/Δ型變壓器隔離降壓，經由兩組不控整流橋十二脈波整流獲得逆變電路所需的250 V直流母線電壓，再通過基于電壓電流雙環控制SPWM倍頻調制的單相全橋逆變電路，由輸出升壓變壓器和LC低通濾波輸出負載所需的220 V/50 Hz單相正弦電壓。充電電路，輸入由母線電壓直接提供，采用一個具有恒壓恒流充電功能的Buck型充電電路，對蓄電池進行充電；放電電路，采用Boost型升壓電路，輸出直接連接直流母線，提供逆變電路所需的直流母線電壓。電源切換控制電路，采用動態跟蹤鎖相技術，實時采集跟蹤備電網電源相位，執行機構由雙向可控硅與功率繼電器組成，根據逆變控制單元DSP的控制信號動作，保證負載突變致使沖擊電流過大等情況時，由逆變電路供電自動切換到備電供電，切換過程中無相位差引起的電流過沖。

輔助電源電路，輸入由三相Δ/Y降壓變壓器及三相不控整流電路得到的80 V直流電壓，或者72 V蓄電池電壓不間斷提供，經高頻化DC?DC變換后，輸出整個交流不間斷電源裝置控制所需的±15 V，+24 V，+15 V，

-9 V與+5 V電源。

監控系統，采用基于DSP TMS320LF2407A的數字式監控模式，對整個交流不間斷電源裝置進行監視與控制，人機界面則采用基于MCU ATmega128的集成化液晶顯示方式，方便用戶操作。

2 關鍵技術

2.1 逆變電路設計

逆變電路設計，是船用高性能單相交流不間斷電源裝置具有強負載沖擊承受能力的技術保證。本文逆變電路主電路拓撲采用IGBT模塊組成的單相全橋式結構，控制方式采用先進的單極性倍頻SPWM調制的電壓、電流雙閉環數/模混合控制模式，功率器件工作頻率設定在20 kHz，以提升裝置承受負載沖擊的能力，降低高頻噪聲，電路原理示意圖如圖2所示。endprint

圖2 逆變電路原理示意圖

圖2中，逆變電路以濾波電感電流[iL（s）]作為內環，輸出電壓[uo（s）]作為外環，發揮了電流內環給裝置帶來的快速動態響應性，電壓外環又保證了裝置高質量輸出波形。單極性倍頻SPWM調制的電壓、電流雙閉環控制方式及功率器件20 kHz的工作頻率，使逆變電路對負載的擾動和突加突卸具有快速的動態響應，當負載突加致使輸出端形成強沖擊電流時，輸出電壓跌落，此時電壓、電流雙閉環控制系統迅速反應，使跌落的輸出電壓迅速恢復正常。同時，當負載突加過大致使輸出電壓跌落至零時，電流環控制電路將對流過IGBT模塊沖擊電流進行限流，以保護功率器件。電壓、電流雙閉環控制方式與優化PI參數，使得交流不間斷電源裝置具有強承受負載沖擊電流的能力。另外，IGBT模塊20 kHz的固定開關頻率也使輸出濾波變得簡單，1.2 mH輸出濾波電感10 μF的輸出濾波電容組成的LC濾波電路，不僅使輸出電壓波形畸變率減小，而且使輸出高頻噪聲降低；全橋式主電路拓撲能夠適應先進的逆變控制技術，其固有的中大容量工作特性，也為交流不間斷電源裝置容量的拓展提供了便利。

2.2 電源切換控制電路設計

電源切換控制電路設計，是船用高性能單相交流不間斷電源裝置在非線性負載突加致使沖擊電流過大以及輸入電源故障等情況時，逆變電路供電與備電供電之間自動切換的技術保證。本文電源切換控制電路采用雙向可控硅與功率繼電器并聯的控制模式，并且引入動態跟蹤鎖相技術，使逆變輸出波形與備電波形基本保持同相位。其中，雙向可控硅用來實現逆變電路供電與備電供電的快速切換，功率繼電器則實現負載供電的可靠性，動態跟蹤鎖相技術，則保證逆變供電與備電供電之間切換時負載電壓波形基本連續，避免負載受到沖擊。電源切換控制電路，根據輸入、輸出端的采樣信號由DSP（TMS320LF2407A）的邏輯判斷產生的控制信號動作，保證在負載突加逆變電路無法承受沖擊、三相輸入電源故障且蓄電池欠壓等情況時，由逆變電路供電自動切換到備電供電；當負載突加結束、三相輸入電源或蓄電池恢復正常等情況時，輸出由備電供電自動切換回逆變電路供電，原理電路如圖3所示。

圖3 電源切換控制原理電路

當沖擊性負載突加后，輸出電壓跌落，由DSP檢測判斷輸出電壓能否立刻恢復，能恢復電源切換控制電路則不切備電，不能恢復則自動切備電，同時采樣輸出電流，在負載電流有效值恢復正常后自動切回逆變供電；當三相輸入電源正常時，逆變電路直流母線由交流輸入供電，同時使能蓄電池充電電路，封鎖放電電路；當三相輸入電源故障且蓄電池欠壓時，封鎖充電電路和放電電路，同時自動切換到備電供電，保證負載的可靠運行。

3 實驗結果與分析

為了驗證理論研究的正確性，搭建了一臺220 V/4 kA船用高性能單相交流不間斷電源裝置樣機，采用十二脈波不控整流與電壓源全橋逆變拓撲結構，單極性倍頻SPWM調制電壓、電流雙閉環數/模混合控制及電源切換動態跟蹤鎖相技術，IGBT為CM200DY?12NF，隔離變壓器變比為1∶2，濾波電感為1.2 mH，濾波電容為10 μF，開關頻率20 kHz，等效開關頻率為40 kHz，示波器型號為泰克TPS2012。樣機突加4.0 kV·A二極管不控整流、電容濾波整流性負載沖擊試驗波形，如圖4所示。

圖4 突加4.0 k·VA整流性負載波形

試驗結果表明樣機最大能承受200 A電流峰值而不切備電，輸出電壓在2～4 ms內恢復正常，基本0 ms斷電。樣機在輸入電源故障且蓄電池欠壓時自動切換至備電供電試驗波形見圖5。輸入電源恢復正常后由備電自動切回逆變供電試驗波形見圖6，不難看到，逆變輸出與備電220 V之間實現了零相位差無縫切換，切換過程中無電流沖擊，負載0 ms斷電。

圖5 逆變供電不間斷轉換備電

4 結 論

本文針對船上220 V單相非線性負載的實際特性，研制了一種船用高性能單相交流不間斷電源裝置。重點研究了其單極倍頻SPWM調制的電壓電流雙環數/模混合逆變控制、電源切換動態跟蹤鎖相等先進技術。通過研制的220 V/4 kA樣機，驗證了船用高性能單相交流不間斷電源裝置能夠實現良好的抗非線性負載電流沖擊的效果，具有優良的輸出性能。

圖6 備電不間斷轉換至逆變供電

參考文獻

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