基于UPS的船用供電系統

史玉芳，鄧世建

(1.徐州機電工程學校，江蘇 徐州221131;2.中國礦業大學，江蘇 徐州221116)

0 引 言

船舶是一種重要的交通運輸工具，在交通運輸領域扮演著重要的角色。船舶不同于其他交通工具，船舶的航行條件比較復雜，會遇到很多風險，經常會發生各種突發事故，導致供電系統崩潰，帶來不可估量的經濟損失或人員傷害。所以一般船舶的供電系統都要引入不間斷電源UPS 作為臨時應急電源，在船舶正常供電系統遇到故障時，為船上重要的設備進行短時供電。

隨著現代化、自動化技術的不斷發展，船舶上的新型電子設備越來越多、越來越復雜，這為船舶的電力供應帶來了新的挑戰。而這些高精度的電子設備內置大量的半導體集成模塊導致設備對電力供應的質量十分敏感。這也是為什么能提供純凈的、持續不間斷供電的UPS 供電系統成為船舶上一種基本設備的一個最重要原因。我國在《鋼質海船建造與入級規范》中也明確規定:一般情況下，客船以及500 t 以上的貨船都應該配有應急電源。

船用不間斷電源(Uninterruptible Power System，UPS)是將蓄電池(多為鉛酸免維護蓄電池)與船舶系統主機相連接，通過主機逆變器等模塊電路將直流電轉換成船舶用電標準的用電系統設備。船用UPS 電源的出現是為了滿足船舶電力保障要求的專用UPS，主要負責為船舶導航系統、緊急照明系統、救生系統、通訊系統等用電設備供電。

當船舶正常供電系統中斷 (事故停電)時，UPS 立即將蓄電池中存儲的直流電能，通過逆變零切換轉換的方法向負載繼續供應船用的交流電，使負載維持正常工作并保護負載軟、硬件不受損壞。同時UPS 供電系統通常對電壓過高或電壓過低都能提供保護。

1 船舶UPS 供電系統分析

按照UPS 與主電源的連接方式的不同以及UPS所起作用的不同，船舶供電系統一般可以分為在線式UPS和非在線式(又稱后備式)UPS 兩種。

第1 種在線式的UPS 供電系統，如圖1所示。主要的工作流程是:

1)船舶柴油發電機發出的交流電一路直接為船舶上的各類負載進行供電，即實現船舶的正常供電功能。

2)船舶柴油發電機發出的交流電另一路需要經過整流、充電和逆變3個環節為負載供電。具體工作工程是首先經過AC/DC 整流器進行整流，將三相交流電整流為直流;然后直流電向儲能蓄電池充電;同時蓄電池輸出的直流電再經過DC/AC 逆變器，將直流電逆變為交流電，向各類負載供電［1］。

圖1 在線式UPS 供電系統結構框圖Fig.1 Block diagram of online UPS power supply system

第2 種是非在線式的UPS 供電系統，如圖2所示。船舶柴油發電機發出的交流電分為兩路，兩路之間通過控制開關進行切換，正常供電時控制開關關斷，船舶柴油發電機發出的交流電直接給船上的負載進行供電。正常供電異常時，打開控制開關，UPS 供電系統工作，船舶柴油發電機發出的交流電經過整流、充電和逆變3個環節為負載供電。與在線式的UPS 供電系統不同，不參與正常供電的功能，只是作為一種備用供電電源。

圖2 非在線式UPS 供電系統結構框圖Fig.1 Block diagram of off-line UPS power supply system

2 種UPS 供電系統的主要區別在于:在線式的正常發電機供電系統和蓄電池供電系統同時為船用負載供電;非在線的只有在正常發電機供電系統停止工作的時候，蓄電池供電系統才行使供電功能，平時只是儲能備用能量［2］。

2 UPS 供電系統主電路設計

2.1 系統框圖

上一節對常用的2 種UPS 供電系統進行了分析，本文采用第2 種非在線式的UPS 供電系統進行設計。系統主要包括:船舶柴油發電機、AC/DC 整流器、控制開關、蓄電池、DC/AC 逆變器、控制系統、輔助電源和各類負載。核心部分是整流器、逆變器、控制器和輔助電源。其中AC/DC 整流器采用三相全橋整流電路結構，DC/AC 逆變器采用三相全橋逆變電路結構，控制開關采用Mosfet 開關管。電路中所有的控制部分都由控制系統完成，控制系統采用純數字的DSP控制技術，系統選用TI 公司生產的DSP28035 進行控制電路部分的設計。系統的輔助供電部分采用反激式變換器，通過副邊多路繞組輸出為系統提供不同電壓等級的輔助用電。整個系統的設計框圖如圖3所示。

2.2 AC/DC 整流器設計

本系統中整流器的主要功能是將船舶柴油發電機組輸出的三相交流電整流為直流電，為蓄電池進行充電儲能。

由于UPS 供電系統要經過AC/DC和DC/AC 兩級變換，整個系統的工作效率很難提高，所以要盡量提高每一級的工作效率。本系統采用的是三相全橋整流電路，并采用同步整流技術實現較高的轉化效率。

圖3 基于UPS的船用供電系統框圖Fig.3 Diagram of ships＇ power supply system based on UPS

同步整流技術是指采用導通電阻極低的功率MOSFET 開關管來取代普通的整流二極管，大大降低開關管上的損耗，提高整個變換器的效率。普通的整流二極管都有較高的導通壓降，即使是采用低導通壓降的肖特基二極管，也有0.7 V 左右，所以當流過較大電流時，會產生較大的損耗，導致效率降低。同步整流技術采用的MOSFET，導通阻抗，Rds (on)一般都比較低，可以低到幾十毫歐，這樣即使流過較大的電流也不會產生比較大的損耗，可以在很大程度上減小整流損耗，提高整流效率，同時還可以優化系統的熱性能。

如圖3所示，整流電路由6 只MOSFET 開關管組成3個橋臂，由DSP 產生驅動脈沖經過驅動電路之后去控制MOSFET 開關管的開通與關段，同一橋臂的上下開關管要設置一定的死區防止直通。與二極管的不控整流或是晶閘管的全控整流相比，同步整流可以通過DPS28035 產生的驅動脈沖的邏輯關系，方便的設置不同橋臂開關管之間的移相角，可以實現比較靈活的控制方式，通過不同策略取得最佳的輸出效果。將輸出的直流電經過濾波送給蓄電池，對蓄電池進行充電［3］。

2.3 DC/AC 逆變器設計

DC/AC 逆變電路采用三相橋式逆變電路結構，將蓄電池輸出的直流電進行逆變，逆變為船用的三相交流電，在船舶正常供電遇到故障時，向船舶上的負載進行短時供電。

逆變電路分為電壓型逆變電路和電流型逆變電路，區別僅在于中間直流環節濾波器的形式不同。電壓型逆變電路直流側由支撐電容進行穩壓濾波，而電流型逆變電路采用電感進行濾波。本系統采用電壓型逆變電路，在蓄電池兩端并聯支撐電容，進行濾波和穩壓。電壓型逆變電路的主要特點是，同一橋臂上下要留一定的死區防止貫通將電源短路，同一相內上下橋臂間縱向換流，最后的輸出電壓為方波，電流為近視正弦。

圖3所示的右側部分是電壓型三相橋式逆變電路結構，其中蓄電池兩端的直流電壓為輸入電壓，蓄電池兩端并有支撐電容CD，起到儲能的作用，同時也作為前級AC/DC 整流電路的輸出濾波電容。主電路由6 只主功率開關管Mosfet 組成上下3個橋臂，每個橋臂的中點分別經過濾波電感與負載相連?？刂撇糠植捎孟冗M的DSP 數字控制，通過DSP28035發出的PWM控制信號來驅動6 只開關管的開通和關段，控制橋臂中點電壓［4］。

3 控制系統設計

本系統中控制部分采用先進的數字控制技術，采用TMS320F28035 (以下簡稱DSP28035)作為主控芯片，該主控芯片是TI 新推出的Piccolo 系列DSP之一，其具有體積小、價格便宜、速度快、性價比高和出色的DSP控制性能等優點，被越來越多的用在電源系統的應用中。

DSP28035 具有增強型eCAN、SPI，SCI 等通信接口，增強型eQEP 正交編碼接口、增強型eCAP 接口等，最突出的特點是其獨特的PWM 波形產生技術，可以產生6 路互補PWM 信號，可以很方便通過移相技術和死區設置來本系統中整流器和逆變器共6個橋臂上的開關管的開通與關段。DSP28035 可對數據進行高速處理，其運算與處理能力是普通的單片機相的幾十倍，確保系統具有更優越的控制性能。該控制芯片適合應用于開關管的驅動控制、信號實時采集與處理等方面，于是將該控制芯片作為UPS 供電系統的主控芯片，可以很好地改善系統的整體性能。

圖4 是DSP28035控制系統的功能框圖，系統主要包括:脈沖驅動模塊，電壓、電流、溫度信號的檢測及保護模塊，系統工作狀態邏輯控制模塊和CAN通信及上位機顯示模塊等。

圖4 DSP28035控制系統功能框圖Fig.4 Function block diagram of DSP28035 control system

DSP28035控制系統主要實現以下功能:

1)脈沖驅動功能:實現整流器和逆變器6個橋臂12 只Mosfet 開關管的驅動，通過對輸出脈沖信號的邏輯控制開關管的開通關斷順序，實現良好的系統性能。

2)邏輯控制功能:主要負責UPS 供電系統的運行邏輯控制，即通過采集船舶上的電壓電流等信號判斷船舶的供電系統的工作狀態，然后通過邏輯控制模塊，切換UPS 系統工作模式。

3)故障檢測與保護功能:通過各類傳感器，檢測系統電壓、電流、溫度等各種參數，然后判斷各種故障條件，并根據故障等級及時作出相應處理，以達到保護UPS 供電系統和負載的目的。

4)CAN通信功能，通過CAN通信模塊實現與上位機的連接，主要負責接收、處理和發送與上位機之間的各種數據，以實現與用戶之間的實時交互。

本系統采用脈寬調制技術，來控制系統中開關管的開通與關斷。采用母線電壓外環控制、并網電流內環控制的典型的雙閉環控制方式。其中電壓外環采用PI 調節器進行調節控制，電流內環采用基于無差拍電流控制理論，整個系統的控制器只有一個PI 調節器，比較簡單，方便參數設定和調整。外環電壓控制主要作用是使蓄電池兩端的電壓Un為恒定值;內環電流控制的主要作用是使輸出電流呈正弦變化，格跟蹤電網的標準的正弦信號的規律變化，極大的提高功率因素，保證輸出電能質量［5］。

4 輔助電源設計

前兩節對UPS 供電系統的主電路的整流器和逆變器部分和控制部分做了設計與分析，本節主要對系統的輔助電源部分進行設計。

UPS 供電系統控制部分采用的各種芯片都離不開3.3 V，5 V 或12 V 等低壓供電，即輔助電源。系統一般可以通過2 種途徑來解決輔助供電的問題:

1)可以通過另外購置輔助電源，與系統進行連接供電;

2)可以通過自行設計輔助電源，為整個系統中的輔助用電部分進行供電。

為了節約成本，本系統采用第2 種途徑，自定設計輔助電源。

本系統的輔助供電部分采用反激式變換器，它是一種適合于中小功率場合的經典電路，被普遍用于筆記本適配器、手機充電器等應用場合，是系統輔助電源的理想的電路拓撲。它具有所用元件較少，電路簡單、輸入與輸出電氣隔離、電壓升/降范圍寬、易于多路輸出等一系列優點。

傳統的反激式變換器的基本工作原理是:原邊開關管開通時，副邊二極管不會導通，變壓器存儲能量;原邊開關管關斷時，副邊二極管導通，變壓器中存儲的能量向副邊傳遞。

輸出電壓的公式如式(1)，可以看出反激式變換器是一種升降壓變換器，變換器可以通過調節開關管的占空比，靈活的調節輸出電壓。

一般實際的應用電路一般都采用一些集成的電源管理芯片進行設計，以精簡電路，減少EMI 電磁干擾和提高工作效率。本系統采用安森美公司推出的帶準諧振開關能力的脈寬調制電流模式控制器NCP1207。圖5 給出了基于NCP1207的反激變換器的電路參考圖。

圖5 基于NCP1207的反激變換器電路圖Fig.5 Circuit of Flyback conveter based on NCP1207

NCP1207 電源管理芯片集成了一個真正的電流型調節器和一個退磁檢測器，以保證在任何負載和漏極電壓最小值時(準諧振工作)開通開關管，很大程度上減小EMI 干擾，以及開關損耗，提高效率。同時該電源芯片具有過壓保護、過載及短路保護等功能。具體的電路設計可以參考圖5所示電路，然后根據系統需求靈活設置副邊繞組的多路輸出。

5 結 語

本文對基于UPS的船用供電系統進行介紹，對在線式和非在線式的兩種系統的結構進行分析，最后采用離線式(后備式)的UPS 船用供電系統結構進行設計。整個系統采用純數字DSP28035 芯片進行控制，由于整個系統是個多級結構，所以采用整流器部分采用了三相全橋同步整理技術來提高轉換效率，輔助電源部分也采用了先進的綠色準諧振模式的電源管理芯片NCP1207 來提高工作效率。

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