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1、 摘要随着社会的进步和发展,人们生活质量的不断提高,人们对供电的依赖越来越大,EPS（Emergency Power Supply）以其特有的优越性逐渐被人们认识和采用,在一个工程中,它可以灵活的运用在消防供电回路末端、个别重要场所以及作为一级负荷中特别重要负荷的应急电源等多种情况。因此,了解EPS应急电源的工作原理和特性,并将其合理的运用于电气设计当中显得非常重要。本文从应急电源(EPS)的实际应用需求出发,通过对构成EPS的各功能单元的设计考虑和性能特征的分析,对EPS的构造原理、性能特点、适用领域及进一步完善作了较为全面的分析与讨论。本文着重研究了三相EPS系统的逆变部分。关键词：应急电
2、源; EPS; 工作原理; 逆变 AbstractWith the progress of society and improvement of living quality, people rely increasingly on power supply; while EPS with its unique superiority has been gradually acknowledged by people. EPS can be applied to fire-fighting circuit end and some important site work as well as
3、emergency supply for the stage load. So it is very important to learn the operating principle and features of EPS emergency supply to apply it into electrical design appropriately. The principle, characteristics and application field of EPS based on the analysis of function block are presented. And
4、the improving measures are also discussed. This article focuses on the three-phase inverter system, part of EPS. Keywords: emergency supply; EPS; operating principle; contra-variance目录摘要Abstract目录第1章 绪论1.1 背景11.2 应急电源的现状和发展趋势11.2.1 应急电源领域的现状11.2.2 应急电源的分类21.2.3 应急电源的发展趋势31.3 逆变电源技术概况4第2章 三相应急电源的总体设计
5、2.1 应急电源的工作原理62.2 应急电源的设计要求62.3 三相应急电源设计系统参数72.4 传统的三相应急电源电路 72.5 新型的三相应急电源电路 8第3章 新型的三相应急电源主电路设计3.1 输入整流器/滤波器的设计113.2充电器的设计113.3充电电路变压器的设计133.4充电电路开关器件的选择143.5逆变器的设计14第4章 三相PWM逆变器的原理及控制4.1 三相PWM逆变器154.1.1 三相逆变器的工作原理154.1.2 控制脉冲时序分布 174.1.3 三相桥臂中点电位 174.1.4 输出电压分析184.1.5 频率比K的选择 184.1.6 负载对电路工作的影响19
6、4.2 三相逆变器的控制 19第5章 三相逆变器的设计5.1被控对象模型215.1.1输出滤波环节215.1.2脉宽调制环节215.1.3单相半桥逆变器的传递函数235.2 LC滤波器参数的选取235.2.1滤波电容C的设计 235.2.2滤波电感L的设计 245.2.3滤波器谐振频率的选择 245.2.4滤波器参数确定25总结 26参考文献 27致谢 28第1章 绪论1. l 背景 社会发展越信息化、现代化，就越依赖于电，突然的断电必然会给人们社会正常的生活秩序造成破坏，尤其是对于生产、生活中特别重要的负荷，一旦事故中断供电，会造成重大经济损失。然而，电力故障具有突发性，不以人们的意志为转移
7、，即使电网设施再先进，意外断电也在所难免。目前，城市供电系统的安全对策一般都采用并网发电供电，为城市电力提供可靠的电源保障。但从企业及工业、民用建筑看，仅仅靠公用电网远远不够，必须具备后备电源系统，其重要属性之一是在事故发生情况下确保提供应急所需的电力，以有效降低因为断电而造成的损失，为人们生产、生活安全提供保障。1.2应急电源的现状和发展趋势1.2.1应急电源领域的现状随着科技的不断发展，众多的智能大厦拔地而起，人们在对其居住环境提出了更高要求的同时，也提出了电力保障和消防安全问题。但EPS的起步较发电机和UPS要晚，人们对其认识的程度还不够，所以在众多的应急供电场合，还是以发电机和UPS为
8、主要应急供电方式来实现EPS的功能。就提供应急供电能力而言，这两种方式已暴露出许多不足之处。 用柴油发电机组作为应急电源是目前大部分工程所采用的，也是最常见的应急备用电源，由于柴油发电机的容量较大，可并机运行且连续供电时间长，所以已经有较长的应用历史。然而，无论发电机的起动速度有多快，从停电后使发电机接到起动信号开始，至发电机电压、频率等达到稳定可以供电时为止，至少需要数十秒至几分钟，这段时间，所有用电设备均停止工作，就可能造成少数设备的损坏或出现生命财产的安全问题。而EPS的启动一般不会超过25毫秒，所以不会影响设备的正常工作。柴油发电机应用在应急供电场合，还有诸多不利之处，主要有：(1)在
9、高层建筑中，柴油发电机组一般放在地下室，设计难度大，造价高，配备进风、冷却、排烟、减震、消音等设施都需要充分考虑；(2)存在火灾隐患。其油罐像一个极为危险的“炸弹”，万一失火，后果不堪设想；(3)日常维护比较频繁，工作量大；(4)柴油发电机噪音大，产生公害。用UPS作为应急电源EPS从原理结构上和UPS大同小异。在线式UPS不论市电是否正常，它都一直由逆变器供电，即按照“市电输入整流逆变输出”的顺序进行，只有在逆变器故障或过载时才改由旁路输出，如图1.2所示而EPS，当市电正常时，市电通过开关S输出给负载，同时充电器对电池充电。当控制系统检测到市电停电时，逆变器工作，使开关S切换至逆变输出状态
10、，向负载提供电能，如图1.3所示。 图1.1 UPS供电系统 图1.2 EPS供电系统 从以上供电系统图可以看出，UPS是一种双变换结构的不间断电源，主要为负载提供稳定的高质量电能，不受市电电网的影响，而且其转换时间一般在10毫秒以内，所以，UPS被广泛应用于计算机、程控交换机、医疗设备及精密电子仪器等不能中断供电的场所。但正因为UPS不仅担负着应急供电外，还担负着改善电力品质的任务，所以其逆变器要连续不断地工作，使用寿命相对较短，一般为58年，尤其是电池的更换较为频繁。另一方面，UPS的逆变器长期处于工作中，自身的损耗较大，而且对使用环境要求很高，只能放在计算机房或空调房间里。UPS专为IT
11、行业的计算机类和通讯类负载而设计，其负载适应能力不及EPS，举例说明，如果应急供电场合含有交流感应式电动机一类的感性负载，那么在UPS的设计选型和使用中如果想要UPS能承受电动机起动电流的冲击能力，势必要增大UPS的额定容量，这无疑将加大投资，还未必能彻底解决问题。因此，选用UPS作为应急电源，工作既不可靠，还得花费大量资金。【6】1.2.2应急电源的分类目前市场上的EPS品牌众多，大家在设计上所采用的控制方式和控制手段不尽相同，但针对所带负载的种类大致可以归纳为以下三种：一是主要用于应急照明和事故照明的单相EPS；二是用于应急照明、事故照明之外，还有应用于空调、电梯、卷帘门、排气风机、水泵等
12、电感性负载或兼而有之的混合供电的三相系列EPS；三是直接给电动机供电的变频系列EPS。1.2.3应急电源的发展趋势由于EPS所带负载类型的复杂性和环境的相对固定性，针对不同场合、不同负载，可对EPS功能做得更贴近现实应用。其中包括以下几方面。1结构组成普通EPS为了更好地结合实际应用，往往采用“多合一”的结构设计，但由于负载及环境的复杂性，也由此带来设备标准化和设计院所、用户选型的困难。解决的办法是采用模块化设计，将主机与输入或输出配电分离开来。主机模块完成主要的能量转换及通讯控制功能；配电模块实现丰富的配电管理功能。主机模块通过标准控制接口实现对配电模块的管理，如双电源自动切换功能，多回路输
13、出功能，消防联动功能均应在配电模块中实现。2配电模块应增加功能EPS用于紧急负载的供电，其负载往往为非单一的负载，而这些负载在紧急情况下的关键程度不尽相同，因此，对于EPS来说，某些配电管理功能至关重要。(1)顺序启动功能。诸如，EPS的负载很大一部分是感性冲击负载，具有较大的启动电流，在选型时必须加大EPS容量，从而造成设备资源的浪费以及用户成本的增加。实际上，由于EPS负载供电的可间断性，EPS可增加一个8路或16路的可编程配电管理接口，通过对负载启动的顺序、时间进行控制，可在很大程度上解决启动冲击电流和加大选型容量的问题。(2)部分卸载功能。由EPS负载性质决定，当过载发生时，需要EPS
14、尽可能继续工作，而不能象UPS那样进行保护性关机，因此，同样可通过配电管理接口卸除次要负载。3电池管理由于EPS的使用环境一般较UPS恶劣，为尽可能延长蓄电池的使用寿命，电器应同时具备以下功能：(1)可设定充电限流；(2)可设定电池放电终止电压；(3)具有自动浮充功能，充电机制应符合DIN41773标准；(4)具有浮充电压温度补偿功能；(5)智能电池检测功能；(6)深放电保护(可强制应急)。4变频起动功能目前变频起动型EPS的设计，如图1.3所示，主要着眼于解决较大电动机如电梯、水泵、风机等负载的起动冲击问题，但更为合理的设计，应该是在线式UPS与变频器技术的完美结合。在线式UPS具有成熟的整
15、流、电池管理技术；变频器具有成熟的变频控制技术，两者的有机结合才是这一应用领域的最终发展方向。【11】 图1.3 变频启动型EPS结构框图 1.3逆变电源技术概况图1.4所示为典型的交流输入、输出隔离型逆变电源主电路的基本构成。从图1.1中可以看出，逆变电源中的能量转换过程是：输入的工频交流电经过整流电路成为直流电，直流电通过逆变电路变为交流信号PWM波，其基波频率是逆变电源的输出频率，该信号经输出变压器隔离，再由LC滤波器滤波成正弦波。这一能量转换、传递的过程通常表示为ACDCAC。直流输入、输出隔离型的逆变电源结构与图1.1基本相同，只是不再需要输入端的整流电路，能量转换传递的过程可表示为
16、DCAC。在逆变电源中，逆变器及其控制是逆变电源的核心之一。逆变电源是一种交流输出电源，按照输出电压的相数分类，逆变电源可分为单相逆变电源和三相逆变电源。三相逆变电源按照输出有无中线可分为三相四线制逆变电源和三相三线制逆变电源。按照逆变电源的额定输出功率来分类，逆变电源可分为小容量逆变电源（0.5kVA10kVA）、中等容量逆变电源（10kVA50kVA）及大容量逆变电源（50kVA以上）。【8】图1.4逆变电源主电路图逆变电源之所以能得到广泛应用，是因为它能实现以下功能：其一，变频，逆变电源能将市电转换为用户所需频率的交流电；其二，变相，逆变电源能将单相转换为三相交流电，也能将三相交流电转换
17、为单相交流电；其三，逆变电源将直流电转换为交流电；其四，逆变电源能将低质量的市电电压转换为高质量的稳压稳频的交流电压。逆变电源的发展是和电力电子器件的发展联系在一起的，器件的发展带动着逆变电源的发展。逆变电源出现于电力电子技术飞速发展的20世纪60年代，到目前为止它已经历了三个发展阶段。第一代逆变电源的特点是采用晶闸管（SCR）作为逆变器的开关器件，称为可控硅逆变电源。可控硅逆变电源的出现虽然可以取代旋转型变流机组，但是由于SCR是一种没有自关断能力的器件，因此必须增加换流电路来强迫关断SCR，SCR的换流电路限制了逆变电源的进一步发展，主要表现在：(1)电路复杂。由于需要关断SCR的辅助电路
18、，主电路要增加具有一定尺寸的电感和电容，整个装置的尺寸大。逆变器的控制电路也很复杂，并且存在换流失败等故障，降低了逆变器的可靠性。主电路的拆卸安装也很麻烦，增加了发生故障以后的修复时间。(2)限制了性能的提高。由于SCR在强迫关断中的损耗比较大，因此，SCR的开关频率比较低，这使得逆变桥输出电压中低次谐波的频率不高，为了得到低谐波含量的输出电压，滤波器的尺寸将比较大，影响了逆变电源的动态性能及对非线性负载的适应性。(3)由于SCR逆变器的控制电路复杂，逆变电源难于实现数字化。4)SCR逆变电源的噪声大、体积大、效率低、发热严重第二代逆变电源的特点是采用自关断器件作为逆变器的开关器件。自20世纪
19、70年代后期，各种自关断器件模块相继实用化，它们包括可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）、功率场效应管（MOSFET）、绝缘栅双极性型晶体管（IGBT）等。自关断器件在逆变器中的应用大大提高了逆变电源的性能，逆变器采用自关断器件的好处是：(1)简化了主电路。由于自关断器件不需要换流电路，因此主电路得以简化、成本低、可靠性高。(2)提高了性能。由于自关断器件的使用，使得开关频率得以提高，使得逆变桥输出电压中低次谐波的频率比较高，因而使输出滤波器的尺寸得以减少，使得逆变电源的动态特性及非线性负载的适应性得以提高。在自关断器件当中，IGBT以其开关频率高、通态压降小、驱动功率小、模块的电压电
20、流等级高等优点以成为中小功率逆变器的首选器件，IGBT逆变电源已成为中小型逆变电源的主流。第二代逆变电源在控制上普遍采用带输出电压有效值或平均值反馈的PWM控制技术，输出电源的稳定是通过输出电压有效值或平均值反馈控制的方法实现。第三代逆变电源的特点采用了数字控制技术，使逆变电源的性能得以提高。数字控制技术是针对第二代逆变电源对非线性负载的适应性不强及动态特性不好的缺点提出来的，它是近十年来发展起来的新型电源控制技术，目前还在不断的完善和发展之中，数字控制技术的采用使逆变电源的性能有了质的飞跃。数字控制技术多种多样，主要包括数字PI调节器控制、无差拍控制、数字滑变结构控制、模糊控制以及各种神经网
21、络控制等。【7】第2章 三相应急电源的总体设计应急电源的设计是一个复杂的系统工程，包括的环节很多，如充电器的设计，逆变器的设计，IGBT的驱动和保护，电磁兼容的考虑，人机界面的设计，系统软件的设计等。2.1应急电源的工作原理应急电源是允许短时电源中断的应急电源装置,在交流市电正常时，由交流市电经过静态开关给重要负载供电，当交流市电断电后，静态开关将立即投切至逆变器供电，供电时间由蓄电池的容量决定，当市电电压恢复时，应急电源将恢复为市电供电。其工作原理如图2.1所示。图2.1应急电源工作原理图应急电源主要包括整流充电器、蓄电池组、逆变器、系统控制器（图中未画出）、静态开关等部分组成，其中逆变器是
22、核心，整流充电器的作用是将交流电变成直流电，实现对蓄电池的合理充电；逆变器的作用则是将直流电变换成交流电，供给负载设备稳定持续的电力，静态开关保证负载在市电及逆变器输出间的顺利切换；系统控制器对整个系统进行实时监测，可以发出告警信号，同时可通过串行口与计算机或Modem连接，实现对供电系统的微机监控和远程监控。2.2应急电源的设计要求EPS可以说是近两年才迅猛发展起来的一个新兴产品，相比于发展成熟的UPS而言，有相同之处，也有不同之处。其相同点在于都具备在市电故障（中断）情况下继续向负载提供交流电源的功能，均采用了IGBT逆变技术和脉宽调制（PWM）技术。不同之处是UPS除了提供不间断供电外，
23、还兼备改善市电品质的功能，而EPS则主要解决市电故障时的应急供电问题；UPS主要是为IT行业设备提供用电保障，EPS则适用于各种行业；UPS供电模式要求切换时间很短，EPS则相对较宽；UPS主要带计算机类负载，而EPS所带负载混杂；UPS对于运行环境要求较高，EPS则要求能适应各种环境；UPS以一般用户监控为主，EPS主要用于应急供电，要求与消防联动；UPS以维护信息传输畅通为主要目的，EPS以防范重大灾难事故为主要目的。鉴于EPS的主要设计思想是在市电突然中断时提供安全可靠的应急电力供应，有效避免发生灾害时的人身伤亡和财产损失为原则。因此，在设计EPS时应着重考虑其安全性、可靠性、适用性及合
24、理性。主要有：(1)断电转换时间一般在毫秒级(25毫秒)，以保证供电的及时性；(2)负载适应能力强，包括电容性、电感性、混合型负载；(3)有多路输出，防止输出单一形成的故障；(4)有消防联动和远程控制信号，可手动与自动相互转换；(5)环境适应能力强，报警功能齐全，能及时提供各种异常状况的报警；(6)使用寿命长，有电池快速充电能力和管理能力；(7)节能，运行效率高，运行成本低；(8)有无人值守、自动操作功能；(9)有强启动功能，避免电池环节保护后无法启动；(10)无烟雾、无噪音、无公害等维护简单，维护费用低。2.3三相应急电源设计系统参数：1. 输入电压（V） 380252. 频率（Hz） 50
25、53. 容量（KVA） 34. 输出电压（V） 正常时：同市电一致 应急时：38035. 频率（Hz） 正常时：同市电一致 应急时：5056. 波形 正常时：同市电一致 应急时：正弦波，谐波PFC今充电一蓄电池一放电一逆变器这样一系列电路，结构相当复杂，控制也比较繁琐。2.5 新型的三相应急电源电路针对传统EPS电路的缺点，我们提出了一种新型的EPS电路。与一般的EPS电路不同，主电路均采用双向拓扑，其原理框图如图2.3所示。其工作原理是:(1)当电网正常时，市电输入电压一路直接向负载供电，一路经双向pWM变流器全控整流后再由双向DC/DC电路降压，给蓄电池充电。(2)当电网出现故障时，静态开
26、关关断，切断负载与电网的连接，蓄电池放电，经双向DC/DC电路升压后，由双向PWM变流器逆变将直流电压转化成交流电压，供给负载。 图2.3系统原理框图可见，双向PWM变流器，既可以实现市电正常时的整流和功率因数校正，也可以实现市电故障时的逆变;双向DC/DC电路，即可以实现在市电正常时的降压功能给蓄电池充电，也可以实现市电故障时的升压功能。这样就简化了EPS电路结构，很好地解决了传统EPS电路的缺陷。图2.4系统主电路图图2.4所示的是本系统的主电路图。T1一T6六个IGBT及其反并二极管构成的三相桥组成双向PWM变流器;LP、CP为低通滤波器;由T7，TH及其反并二极管和电感L组成双向DC/
27、DC电路对蓄电池进行充放电;由电流、电压互感器分别检测被控电流、电压，送入芯片，由处理器经过约定的控制算法进行运算，产生PWM控制信号，经过驱动去控制所有的开关管动作。综上所述，本文提出了一种新型的三相应急电源EPS主电路。这种电路克服了传统EPS电路的缺陷，大大简化了电路结构，从而降低了成本。整个系统应用了全数字控制技术，因此，实现了EPS产品的绿色化、智能化和低成本的要求。【7】【9】【14】第3章 新型的三相应急电源主电路设计主电路的设计在设计的早期进行，一旦方案确定，不再轻易改变，因此设计的时候对各方面的情况应该考虑周全。本章对设计所使用的电路拓扑进行了细致的分析，并详细介绍了应急电源
28、的主电路设计过程，包括输入整流滤波电路的设计、充电器主电路拓扑的选择高频变压器的设计以及逆变主电路的设计。同时根据电路选型手册和实际的应用范围选择了主电路的一些器件。3.1输入整流器/滤波器的设计输入整流/滤波电路在开关电源中不被人重视，典型的输入整流/滤波电路由三到五个部分构成：EMI滤波器，启动浪涌电流抑制器，浪涌电压抑制器，整流级和输入滤波电容。三相交流电源经过EMI滤波器（L1L3）消除或抑制了现场强的共模干扰后，通过热敏电阻（RT1RT3）实现限流。热敏电阻是指阻值随温度改变而发生显著变化的热敏感器件，它分为正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻。正温度系数热敏电阻阻值随温度升高而显
29、著增大，从而实现限流作用；同样PTC热敏电阻构成的过电流保护电路具有复原的特性，解除发生过电流的原因后即可恢复到原来的电阻值。浪涌电压抑制器由压敏电阻Y1Y3构成，压敏电阻实际上是一种伏安特性呈非线性的敏感元件，在正常电压条件下，这相当于一只小电容器，而当电路出现过电压时，它的内阻急剧下降并迅速导通，其工作电流增加几个数量级，从而有效地保护了电路中的其它元器件不致过压而损坏，它的伏安特性是对称的。【1】【4】【10】图3.1整流器的主电路图3.2充电器的设计充电器是指给蓄电池充电的装置，在中小容量应急电源中，大都将整流器和充电器分开，因为整流器的输出电压一般是不稳定的，然而蓄电池的最高充电电压
30、是限定的，必须用一个稳压电源作为充电器。蓄电池的充电电流不能过大,这就要求充电器具有稳流和限流功能。有的EPS采用恒压充电或者恒压限流充电的形式，虽然它具有电路简单，成本低廉的优点，但是在这种充电电路中，蓄电池组初期充电电流较大，对蓄电池的寿命有一定影响。因此，我们采用分级充电控制的形式，即充电初期将整流充电器控制成电流源，完成对蓄电池的恒流充电。当蓄电池端电压达到其浮充电压后，再将充电器控制成电压源，完成对蓄电池的恒压充电。图3.2 充电器主电路主电路由电容C1、C2和IGBT1、IGBT2形成的半桥臂组成的逆变器、高频变压器、二极管D3D6整流器、电感FL2和电容C8形成滤波器、两个IGB
31、T驱动电路所组成。稳态条件下，在C1=C2，IGBT1导通时，C1上的VS/2加在原边线圈上，IGBT1流过负载电流则算至原边电流加上磁化电流。经占空比所定时间后，IGBT1关断。此时，由于原边绕组和漏电感的作用，电流继续流入原边绕组。但是B点摆动到负电位。如果原便绕组漏电感存储的能量足够大，二极管D6将导通，钳位电压进一步变负。D6导通的过程，把反激能量再生，对C2充电。联结点的电阻在阻尼电阻作用下，以振荡形式最后恢复到原来的中心值。这时IGBT1和IGBT2的缓冲器的电容和电阻也参与振荡作用。如果这时IGBT2加有导通脉冲，IGBT2导通，原边绕组上端变负。负载折算电流加上磁化电流流经原边
32、绕组和IGBT2，然后重复以前的过程。不同的是，Ip反了方向，IGBT2关断时D5导通，反激能量再生对C1充电。【1】【4】【10】3.3充电电路变压器的设计变压器是开关电源中的核心元件，许多其它主电路元件的参数设计都依赖于变压器的参数，因此应该首先进行变压器的设计。高频变压器工作时侯的电压电流都不是正弦波，因此其工作状态同工频变压器是很不一样的，设计公式也有所不同，需要设计的参数是电压比，铁心的形式和尺寸，各绕组匝数，导线截面积和绕组结构等。所依据的参数是工作电压，工作电流和工作频率等。1 电压比电压比的计算原则是电路在最大占空比和最小输入电压的条件下，输出电压仍能达到设计要求的上限,考虑到
33、电路中的压降,输出电压应该留有裕量。 (3.1)式中 Kt电压比； U1min输入直流电压最小值； Dmax最大占空比； Uomax最高输出电压； u电路中的压降,包括整流二极管压降和电路中的线路压降等。 按照上式,在输入电压为342V时，选取U1min为整流后的直流电压减去电压波动量的一半，即440V因为采用的是半桥，故U1min为220V，Dmax取0.9，Uomax为243V，u为2V。将以上数据代入上式，可得 2.铁心的选取 计算出电压比后,可根据以下公式选取合适的铁心: (3.2)式中 Aw铁心窗口面积；Ae铁心磁路截面积；Pt变压器的视在功率；Bm铁心工作过程中的最大磁感应强度；f
34、开关频率；Kw绕组在铁心窗口中的填充系数；Kj电流密度系数。这里Pt取5467W， Bm取0.3T，f为20kHz， Kw取0.4， Kj取534，代入上式，得AwAe=18.6cm4，在实验中采取将两个EE55的铁心叠在一起作为一个铁心使用，按照铁氧体铁心厂家提供的手册，EE55铁心的AwAe值为13.68 cm4，两个EE55的铁心叠在一起后，铁心窗口面积不变，铁心磁路截面积变为单个铁心的两倍，故两个EE55的铁心叠在一起后铁心的AwAe值为27.36 cm4，可以满足要求。3. 原副边绕组匝数计算选定铁心后，便可以按照下式来计算副边绕组匝数N2。 (3.3)式中， Up等于整流后的输入电
35、压的一半，即220V， Ton等于2D /f，这里取D为0.9，B取0.3T， Ae为1070mm2，代入上式，可得N2=15.4，取15匝。根据电压比可以算出原边绕组匝数N1为18匝。【1】【4】【10】3.4 充电电路开关器件的选择在本系统中，充电器产生的最大充电电流为10A，充电器输出的最大电压为243V，所以我们选用APT公司生产的单管13GP120BDF1型IGBT管，它可以工作在集电极与发射极间电压为600V时，通过集电极电流为16A时实现开关频率为50kHz。【13】3.5 逆变器的设计在图3.3中，逆变器的主电路由6个IGBT管组成的全桥三相逆变桥、电感L1L3和电容C7C9组
36、成的滤波器、一个功率变压器组成。在市电工作中断或者不正常时，蓄电池的标称电压216V的被加到直流总线上（VO+和VO-两端），通过由6个IGBT管组成的桥式逆变器产生SPWM波，然后通过三相功率变压器和由电感L1L3和电容C7C9组成的滤波器，形成线电压有效值为380V的三相正弦交流电给负载供电。图3.3中的与IGBT并联的RC电路是缓冲电路，作用是在IGBT实现从导通到关断的过程中减少电流和电压对IGBT本身的冲击。【11】 图3.3三相逆变器的主电路图 第4章 三相PWM逆变器的原理及控制4.1 三相PWM逆变器当电网发生故障时，蓄电池通过双向DC/DC电路升压放电，这时，双向PWM变流器
37、工作在逆变器状态，将直流电压变换成交流电压再经过低通滤波器向负载提供稳定的三相正弦电压，如图4.1所示。图4.1双向PWM变流器工作在逆变器状态图4.1所示的逆变器实际上是一个电压型的三相半桥逆变器。其负载选用星形连接，其中点为O，直流电源侧假想的中点为O。这种逆变器由于串联了两个相同容量的大电容，因此可以使中点电位不漂移，因而具有较强的带不平衡负载的能力。【9】4.1.1 三相逆变器的工作原理三相逆变电路一般采用SPWM调制方式，即三相逆变器中的三相输出桥臂的控制信号由三角载波和正弦波调制波相比较给出。每个桥臂上下两个开关管的触发脉冲时间互补，并且对于三个逆变桥臂采用相同的三角载波与各自不同
38、的正弦调制波进行比较。如图4.2所示。（a）（b）（c）（d）图4.2 三相SPWM逆变电路的工作波形4.1.2 控制脉冲时序分布载波信号为对称的三角波，如图4.2 (a) 其幅值为Ucm，频率为fc，调制信号为三相正弦波uga，ubg和ugc，按图选坐标有: (4.1)式中:Ugm为调制波峰值;，f为逆变器输出电压频率。由图4.2可见，频率比K为: (4.2)调制比m为: (4.3)必须指出，选择较低的K值是为了画图简便，在实际应用中，按照目前功率器件的开关性能，K值应选得远远高于上述值。根据三角波uc和调制波ug的交点，可以决定各相控制脉冲时序，如图4.2(b)所示。由图可见，各脉冲时序有
39、如下特点:(1)各相上下桥臂控制脉冲在相位上互补;(2)任何时刻，有三个控制脉冲处于高位，其他则处于低位;(3)控制脉冲的宽度受控于m值。4.1.3 三相桥臂中点电位由于各相上下桥臂控制脉冲在相位上互补，因而上下桥臂开关也以互补的方式轮流导通，故桥臂中点对电源中性点O的电压为双极性SPWM波。以A相为例，A点对O的电压uAO，可表示为: 当T1或D1导通，时当T4或D4导通时 (4.4)由式(4.4)可见，uAO的波形与ugl波形相仿，只是电压幅值不同而己。其余两相类推。4.1.4 输出电压分析在m = 1的条件下，在三相SPWM逆变电路中有: (4.5)式中为A相对直流电源中点O间电压的基波
40、分量的峰值。因此A相对直流电源中点O间电压的基波分量的有效值为: (4.6)由于O与负载中点0之间虽然有交变的方波电压，但无基波分量电压，因此有:= (4.7)式中: 为A相相电压基波有效值。其他两相可依次类推。根据三相正弦交流电路，线电压基波有效值与相电压基波有效值之间有以下关系: (4.8)将式（4.6）和（4.7）代入上式有: (4.9)上式表明，在m=1和Ud一定的条件下，Uab1与m成线性关系。由式(4.9)，得直流电压利用率为: (4.10)4.1.5 频率比K的选择在单相SPWM逆变电路中K应选为奇数值，使得输出波形具有奇函数对称和半波对称的性质，因此输出电压中只有奇次谐波，富氏级数中
