一種數(shù)字化三相EPS電源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

胡　凱　李銳華　胡　波　胡　浩

（同濟(jì)大學(xué)電氣工程系，上海　201804）

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一種數(shù)字化三相EPS電源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

胡凱李銳華胡波胡浩

（同濟(jì)大學(xué)電氣工程系，上海201804）

摘要為了解決城軌車輛供電故障時(shí)車廂內(nèi)通風(fēng)和換氣設(shè)備的供電問題，設(shè)計(jì)了一種數(shù)字化三相應(yīng)急逆變電源（EPS）。首先，在分析EPS電源工作原理的基礎(chǔ)上，采用Boost升壓電路與電壓型三相全橋逆變電路相結(jié)合的兩級式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。然后，基于DSP TMS320LF2407A和SVPWM控制算法實(shí)現(xiàn)了EPS的數(shù)字化控制，并給出了控制系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計(jì)方案。最后研制了一套2kW的ESP測試樣機(jī)，測試結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的數(shù)字化三相EPS電源能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的三相交流輸出，并且輸出電壓THD小于4%，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到94%，驗(yàn)證了本文中EPS電源設(shè)計(jì)方案的正確性。

關(guān)鍵詞：應(yīng)急電源；Boost電路；三相逆變器；DSP

應(yīng)急電源（Emergency Power Supply，EPS）能夠在發(fā)生電力中斷時(shí)為關(guān)鍵設(shè)備提供應(yīng)急電力，有效降低因斷電而造成的損失，為生產(chǎn)和生活提供安全保障，目前已被廣泛應(yīng)用于消防、建筑及工業(yè)電氣等重要場所[1-4]。EPS的起步比發(fā)電機(jī)和UPS（不間斷電源）晚，但發(fā)電機(jī)和UPS這兩種方式卻存在諸多不足之處，EPS憑借著自身優(yōu)勢得到了迅速發(fā)展，市場需求不斷擴(kuò)大，開發(fā)和生產(chǎn)EPS的隊(duì)伍不斷壯大[5]。但作為新興產(chǎn)業(yè)，國內(nèi)EPS廠家對其認(rèn)識程度還不夠，開發(fā)和生產(chǎn)技術(shù)不甚完善，方案的選用和設(shè)計(jì)缺乏合理性，導(dǎo)致生產(chǎn)和宣傳的盲目，對產(chǎn)業(yè)發(fā)展極其不利[6]。因此，研究高性能、安全可靠的EPS電源有著重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值，有利于EPS電源向著綠色化、數(shù)字化和智能化方向發(fā)展。

近年來，隨著城軌交通的迅猛發(fā)展，其安全性也備受關(guān)注。當(dāng)城軌車輛發(fā)生火災(zāi)或爆炸等事故導(dǎo)致供電故障時(shí)，維持密閉車廂內(nèi)的通風(fēng)換氣對于保障乘客生命安全十分重要。因此，城軌車輛內(nèi)必須具有穩(wěn)定可靠的EPS電源以維持通風(fēng)系統(tǒng)在供電故障情況下的可靠運(yùn)行。

本文針對城軌車輛緊急通風(fēng)系統(tǒng)的EPS電源進(jìn)行研究，在分析EPS電源功能與控制要求的基礎(chǔ)上，主要介紹了EPS電源主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制方法，基于DSP控制芯片設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了一種數(shù)字化三相EPS電源，最后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證并給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1　EPS構(gòu)成及工作過程

圖1給出了EPS電源系統(tǒng)框圖。在地鐵供電系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下，供電系統(tǒng)直接給負(fù)載供電，并經(jīng)AC/DC不可控整流后給蓄電池充電。當(dāng)?shù)罔F發(fā)生緊急事故導(dǎo)致供電出現(xiàn)故障時(shí)，DC/DC電路將蓄電池輸出電壓進(jìn)行升壓后，得到穩(wěn)定的直流電壓以保證后級DC/AC逆變電路的正常工作；DC/AC逆變電路將前級輸出的穩(wěn)定直流電壓轉(zhuǎn)換為恒幅、恒頻的三相交流，給負(fù)載進(jìn)行供電；主控電路根據(jù)采樣得到的電壓、電流、溫度等信號，輸出控制脈沖，對升壓電路及逆變電路進(jìn)行控制，同時(shí)還兼顧系統(tǒng)顯示、報(bào)警及保護(hù)等功能。

圖1　EPS電源系統(tǒng)框圖

2　EPS電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制方法

2.1DC/DC升壓電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制策略

DC/DC升壓電路將蓄電池輸出電壓升壓為所需的穩(wěn)定直流電壓，供給后級逆變電路，其性能好壞直接影響后級逆變電路的輸出性能優(yōu)劣。Boost電路具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高，穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。因此，本設(shè)計(jì)中采用Boost電路作為升壓變換電路，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　Boost電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

從圖2中可知Boost電路主要由IGBT、儲能電感、電容和二極管組成，其輸入電壓Vin與輸出電壓Vout的關(guān)系為

式中，δ為開關(guān)管占空比在Boost電路中儲能電感L與輸出電容Cdc直接影響電路的輸出性能，因此，選擇合適的電感、電容參數(shù)至關(guān)重要。

根據(jù)儲能電感的取值不同，Boost電路可運(yùn)行在連續(xù)和不連續(xù)兩種工作狀態(tài)，工作在這兩種狀態(tài)間的臨界電感Llim為[7]

式中，Ts為開關(guān)周期；Iout為輸出電流；δmin為最小占空比，其與最大輸入電壓Vinmax及輸出電壓Vout間的關(guān)系為

實(shí)際應(yīng)用中Boost電路工作在連續(xù)工作狀態(tài)，所以儲能電感L應(yīng)大于臨界電感Llim。

在連續(xù)工作狀態(tài)下，考慮電容Cdc有內(nèi)部寄生電阻，流過二極管VD的紋波電流全部流進(jìn)電容器，以保證輸出平直的直流電流。在指定紋波電壓ΔVo的限制下，所需濾波電容為[7]

合理的控制策略有利于Boost升壓電路穩(wěn)定輸出。在Boost電路工作過程中，其輸入電壓Vin即蓄電池輸出電壓會隨著電池的使用情況在一定范圍內(nèi)變化，為了保證得到穩(wěn)定的輸出直流電壓Vout，占空比δ必須隨著輸入電壓Vin的變化而變化。所以在Boost升壓控制中加入電壓反饋，實(shí)時(shí)檢測輸出直流電壓Vout，并將其與參考值進(jìn)行比較處理后，經(jīng)由PI調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)占空比大小，以控制開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)輸出直流電壓的穩(wěn)定，控制結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3　Boost電路控制結(jié)構(gòu)

2.2DC/AC逆變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制策略

DC/AC三相逆變電路作為EPS電源的核心部分，其性能的好壞直接決定了整個(gè)EPS電源性能的優(yōu)劣。本設(shè)計(jì)中DC/AC逆變電路選用電壓型三相全橋逆變電路，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4中，Vdc為前級Boost電路輸出的直流電壓，由于采用大電容Cdc濾波，Boost電路為逆變電路提供的直流電源呈低阻抗，類似于恒壓源。逆變電路輸出的三相電壓為矩形波或階梯波，輸出的交流電流則近似于正弦波。

圖4　三相全橋逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為了滿足逆變電路輸出電壓波形質(zhì)量的要求，輸出三相電壓需經(jīng)過濾波器濾波。本設(shè)計(jì)中濾波器采用LC電路，合理選擇LC濾波器參數(shù)，能夠有效濾除逆變電路輸出中的大量高次諧波，得到穩(wěn)定對稱的三相交流電壓。考慮到實(shí)際應(yīng)用中濾波器為三相對稱結(jié)構(gòu)，各相參數(shù)一致，因此，通過分析某一相即可得到三相特性。建立LC濾波器單相模型，如圖5所示。

圖5　單相LC濾波器電路

LC濾波器傳遞函數(shù)為

式中，Vo與Vi分別為濾波器輸出、輸入電壓，L為濾波器電感，C為濾波器電容，R為電感電阻。

控制策略很大程度上直接影響逆變電路輸出性能，選擇合理的控制策略至關(guān)重要，本設(shè)計(jì)中采用基于矢量變換的SVPWM控制策略。與傳統(tǒng)的EPS采用的SPWM控制技術(shù)相比，SVPWM（空間電壓矢量）控制技術(shù)是從三相輸出電壓的整體效果出發(fā)，諧波電流和轉(zhuǎn)矩脈動更小，直流電壓利用率提高了15%，而且更易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。矢量變換控制技術(shù)其通過Clark變換、Park變換，將逆變電路輸出三相交流電壓Va、Vb、Vc變換為d、q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流分量Vd、Vq，隨后分別控制Vd、Vq為恒定值，即可實(shí)現(xiàn)電壓空間矢量幅值恒定并以恒速運(yùn)轉(zhuǎn)，從而在逆變電路輸出端得到恒幅、恒頻的三相正弦交流電。三相全橋逆變電路控制結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6　三相全橋逆變電路控制結(jié)構(gòu)圖

3　EPS電源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法

3.1基于DSP的EPS硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)上文中設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行ESP電源具體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。由于EPS電源對微處理器的數(shù)據(jù)運(yùn)算和信號分析能力要求相對較高，本設(shè)計(jì)中的EPS電源基于TMS320LF2407A DSP開發(fā)板進(jìn)行二次開發(fā)。基于DSP的硬件框架如圖7所示。

圖7　DSP控制硬件框架

圖7中，DSP采集的信號包括：供電系統(tǒng)故障信號、蓄電池輸出直流電壓、電流信號、Boost電路輸出直流電壓信號、逆變電路輸出交流電壓、電流信號、溫度信號等。DSP芯片對信號進(jìn)行運(yùn)算處理并產(chǎn)生PWM開關(guān)信號以及顯示、報(bào)警、保護(hù)等信號，并提供通信接口。

3.2EPS軟件開發(fā)

在上文所述的硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，對EPS電源控制程序進(jìn)行開發(fā)，主程序流程圖如圖8所示。

圖8所示流程圖中，主程序邏輯控制開始后，首先需要判斷蓄電池電壓是否在正常范圍內(nèi)。如果蓄電池電壓正常，則對DC/DC輸出直流電容進(jìn)行預(yù)充電，預(yù)充電結(jié)束后DSP使能PWM脈沖控制Boost電路進(jìn)行升壓，將直流電壓升到預(yù)定值，最后DSP使能六路PWM脈沖控制逆變電路輸出三相交流給負(fù)載供電。

圖8　EPS主程序流程圖

為了保護(hù)電路、芯片的正常運(yùn)行，在控制程序中增加了系統(tǒng)保護(hù)環(huán)節(jié)。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測EPS在運(yùn)行過程中的狀態(tài)參數(shù)（電壓，電流等），對蓄電池輸入極性放反、過溫、過壓、過流、缺相、欠壓等常見故障進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測。當(dāng)檢測到故障后，對輸出脈沖進(jìn)行閉鎖。

4　實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

基于上述設(shè)計(jì)方案，研制了一套2kW數(shù)字化三相緊急逆變電源（EPS）樣機(jī)，如圖9所示。其中EPS樣機(jī)的設(shè)計(jì)指標(biāo)為：輸入電壓直流110V（波動范圍77～138V）；DC/DC輸出直流電壓400V；DC/AC輸出三相交流線電壓200V；輸出交流電壓頻率36Hz；轉(zhuǎn)換效率大于90%。

圖9　2kW三相EPS樣機(jī)

對所設(shè)計(jì)的EPS樣機(jī)進(jìn)行性能測試，負(fù)載為交流風(fēng)機(jī)。測試結(jié)果如圖10、圖11所示。

圖10中v1與v2為EPS樣機(jī)輸出的兩相線電壓，vin為輸入的直流電壓波形；圖i1中i2與為EPS樣機(jī)輸出的兩相交流電流，iin為輸入的直流電流波形。從測試結(jié)果中可以看出，輸出交流電壓和電流波形平滑，幅值及頻率穩(wěn)定，能夠滿足EPS設(shè)計(jì)要求。

圖10　EPS樣機(jī)輸入/輸出電壓波形

圖11　EPS樣機(jī)輸入/輸出電流波形

為了進(jìn)一步評價(jià)EPS電源的輸出性能，對輸出電壓和電流的有效值、峰值、THD、頻率等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1、表2。

表1　EPS樣機(jī)輸入/輸出電壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2　EPS樣機(jī)輸入/輸出電流實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表1和表2中可看出EPS輸出交流電壓有效值誤差小于1V；頻率誤差小于0.3Hz；THD小于4%，波形畸變率小，輸出電壓質(zhì)量高；電能轉(zhuǎn)換效率大于94%。各項(xiàng)數(shù)據(jù)能夠滿足性能指標(biāo)，由此表明所設(shè)計(jì)EPS電源能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的三相交流輸出。

5　結(jié)論

本文針對城軌車輛緊急通風(fēng)應(yīng)急電源進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了一種數(shù)字化三相EPS電源，并進(jìn)行了測試，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

1）采用Boost升壓電路與電壓型三相全橋逆變電路相結(jié)合的兩級式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能夠獲得EPS電源良好的輸出性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方案的正確性。

2）針對DC/AC逆變器輸出的電壓諧波問題，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)LC輸出濾波器參數(shù)，能夠有效消除

輸出電壓諧波。

3）基于DSP的數(shù)字化三相EPS電源能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的三相交流輸出，所輸出電壓精度高并且THD小，能量轉(zhuǎn)換效率高，能夠?yàn)镋PS電源的開發(fā)提供參考依據(jù)。

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胡凱（1989-），男，云南省石屏人，同濟(jì)大學(xué)在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)。

Design and Implementation of Digital Three-Phase Emergency Power Supply

Hu KaiLi RuihuaHu BoHu Hao
(Electrical Engineering of Tongji University, Shanghai 201804)

Abstract In order to power supply the ventilation equipment of the confined compartment when urban rail vehicles power supply fails, this paper design a digital three-phase emergency inverter power supply. First, Based on analyzing the working principle of EPS, adopted two-hierarchical topology combing the Boost circuit with voltage-source three-phase full-bridge inverter circuit, Then, Based on DSP TMS320LF2407A and SVPWM control algorithm, we achieved EPS digitalized control. Moreover, we gave the hardware and software designing scheme of the control system. Finally, Development a 2kW EPS test Prototype, the results show that the digitalized three-phase EPS power supply can make stable 3-phase AC output, and the THD of output voltage less than 4%, the conversion efficiency reach 94%. Besides, the results verify the correctness of the scheme.

Keywords：EPS; boost circuit; three-phase inverter; DSP

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