基于ＰＷＭ整流器的新型ＥＰＳ电源

赖建生　王坤林

摘 要： EPS作为一种可靠的绿色应急供电电源，在社会发展过程中的作用不断增大，对它的研究也愈加深入。本文针对传统的EPS充电电路与逆变电路分开的现状，提出了一种新型的基于PWM整流器的EPS电源，使两者合为一体，降低成本，提高系统的可靠性，具有广泛的应用前景。

关键词： PWM整流器 EPS应急电源 工作原理

1.引言

GB50045—95（2001年版）规定：“一级负荷应由两个电源供电，当一个电源发生故障时，另一个电源应不致同时受到损坏。一级负荷中特别重要负荷，除上述两个电源外，还必须增设应急电源。”常用的应急电源有下列几种：（1）独立于正常电源的发电机组；（2）供电网络中有效地独立于正常电源的专门馈电线路；（3）蓄电池。应急电源包括柴油发电机组、EPS和UPS。EPS尤其适用于当高层建筑消防设施没有第二路市电，又不便于使用柴油发电机组的场合。PWM整流器具有功率因数可为“1”，交流侧电流为正弦波和电能可以双向传输等优点。下面先介绍PWM整流器的工作原理，再提出把充电电路与逆变电路集为一体的新型EPS电源。

2.PWM整流器工作原理

PWM整流器采用全控型开关管取代传统的半控型开关管或二极管，以PWM斩控整流取代了相近整流或不控整流，具有以下几大优良性能：

（1）交流侧电流这正弦波。

（2）交流侧功率因数可控（如单位功率因数控制）。

（3）电能双向传输。

（4）较快的动态控制响应。

显然，由于电能的双向传输，PWM整流器不是传统意义上的AC/DC变换器。当PWM整流器从电网吸收电能时，其运行于整流工作状态，作为整流器工作；而当PWM整流器向电网传输电能时，其运行于逆变状态，作为逆变器工作，所以PWM整流器是集整流与逆变于一身的新型变换器。PWM整流器模型电路图如图（1）所示：

图（1） PWM整流器模型电路图

其中E为电网电压，L是网侧电感，R是网侧等效电阻。交流侧电压具有如下关系：

E=V_L+RI+V (V为整流桥交流侧电压)

在稳态条件下，各电压的矢量关系如图（2）所示：

图（2） 电压矢量关系

电网电压E作为实轴坐标系，即有功分量。从图上可知，RI，V_L都是由电流I决定的。控制电流矢量I与E的夹角φ就可以进行网侧功率因数控制，当电流矢量I在第一、四相限时，有I*E*cosφ＞0，PWM整流器吸收电网有功功率，此时PWM整流器是真正意义的整流器；当电流矢量I在第二、三相限时，有I*E*cosφ＜0，PWM整流器则向电网提供有功功率，此时，PWM整流器则是逆变器。只要控制电流I的大小和φ，就可以控制PWM整流器的工作状态（整流/逆变）和功率因数。电流|I|一定时，|V_L|也一定，忽略R的影响，电压矢量关系如图（3）所示：

图（3） Φ=0（整流）；φ=π（逆变）

3.传统的EPS应急电源

3.1应急电源

工程供电设计中对于一二类重要负荷需要考虑供电连续性的措施，除了双电源、双回路供电外，还配有应急电源。应急电源是与电网在电气上独立的各种电源，包括柴油发电机组和蓄电池，其中蓄电池又分为EPS和UPS。柴油发电机组作为传统的备用应急电源，输出功率大，供电时间长，但切换时间相对较长，有噪音干扰，供电质量不高，成本高，广泛应用于宾馆、饭店及其它重要负荷的供电场所。UPS是在电网正常供电时，电网经过整流电路给蓄电池浮充，同时，逆变电路工作，给负载提供电能，当电网异常时，逆变电路继续工作，切换时间小于10ms，由于UPS一直处于工作状态，效率约为80%—90%，成本比较高，主要应用于银行、证券和电信等重要场合。

3.2EPS

EPS应急电源是以CPU为核心，加上整流充电模块、逆变放电模块、旁路切换模块和蓄电池组成的智能供电模块，采用高电子集成模块化结构的强弱电一体化系统，是一种高科技环保产品。它在紧急的情况下作为重要负荷的第二或第三电源供给，可望替代不少场合的柴油发电机组和UPS。它采用智能芯片控制，维护简单，自动操作，市电异常时，即市电小于187V或高于242V，自动切换，切换时间小于0.5s，可无人值守；采用IGBT逆变桥PWM控制，供电电压稳定，逆变频率稳定，波形好；平时处于睡眠状态（浮充），逆变桥不工作，电能损耗小，放电效率高。它主要适用于电梯、消防、安防、应急照明、医院手术室和实验室等重要场合。传统的EPS采用后备式结构，如图（4）所示：

图（4） 传统EPS工作原理

从图中可以看出，充电电路与放电电路是分开的，当市电正常供电，切换开关Ks接通市电，应急电源处于整流状态，蓄电池浮充，逆变电路不工作。当市电异常时，切换开关接通逆变电路，应急电源进入逆变状态，并停业充电；同时，检测蓄电池组端电压，当端电压小于放电终止电压时，蓄电池放电完毕，停业放电。再加上蓄电池组过压、欠压保护；输出交流过压、过流、高温、短路保护等功能就组成了传统EPS应急电源的全部功能。

4.新型EPS应急电源工作原理

根据传统的EPS应急电源，任何时候充电电路与逆变电路都只有一个电路工作，是一种互斥关系，而且需要配置两套驱动电路，分别驱动整流桥和逆变桥。在结构上有一定的臃肿，控制复杂，功耗高，成本高。充电电路与放电电路都是由IGBT及二极管组成的桥路，它们的驱动电路都是由IGBT驱动芯片及其一些外围电路组成，结构完全相同。如果可以把充电、放电两部分电路合为一体，则结构简化，控制简单化，系统可靠性也相对提高，更重要的是产品成本低，功耗也相对减少一半。而PWM整流器则提供了理论依据，这两者都就是设计新型EPS应急电源的出发点。

4.1新型EPS工作原理

新型的EPS应急电源工作原理如图（5）所示：

图（5） 新型EPS工作原理

从图中可以看出，它也是后备式电源。只是在结构上“充电电路”与“逆变电路”合并为一个“整流/逆变桥”，比传统的EPS应急电源简单。其中，整流逆变桥是PWM整流器。具体的工作原理是这样的：当市电正常时，Ks合并，即市电同时给负载和电池供电，PWM整流器工作于整流状态，蓄电池浮充。当市电异常时，为了防止电能回馈电网，Ks断开，由电池给负载供电，PWM整流器工作于逆变状态，蓄电池放电。同时，检测蓄电池端电压，直到端电压下降到放电终止电压时，即蓄电池放电完毕，自动关闭PWM整流器。重新充电才能重新使用。由于PWM整流器能够控制功率因数，因此给定电流信号应与电网电压同相（整流），或者反向（逆变），可以单位功率因数控制，净化电网，提高效率。

4.2系统结构

新型EPS具有传统EPS应急电源的功能，各种报警、参数设置与显示和通讯功能等。新型EPS还可以对蓄电池进行更全面的监控，如单节电池电压检测，容量检测，更理想的充电过程等。系统结构框图如图（6）所示：

图（6） 系统结构框图

4.2.1辅助电源

PWM整流器担任了两重任务，给蓄电池充电与放电，为了能够持续工作，驱动电路绝不能出现断电现象。开机时，首先“辅助电源1”给驱动电路供电，蓄电池充满电后，“辅助电源2”同时给驱动电路供电，以防电网突然停电。市电异常时，“辅助电源1”自然也断电，但是“辅助电源2”照常供电，不会影响PWM整流器的工作。

4.2.2电量检测

在EPS工作期间，我们应同时检测以下几个电量（电流或电压）：

（1）市电电压E，以便决定PWM的工作状态。

（2）PWM整流器交流侧电压V，作为逆变时输出电压的反馈信息。

（3）PWM整流器交流侧电流I，用于功率因数控制，以及作为整流时电流内环的反馈信息。

（4）蓄电池端电压Vdc，作为整流时电压环外环的反馈作息，也对蓄电池进行各种操作的依据（恒流充电，恒压充电，浮充，停止放电）。

（5）PWM整流器直流侧电流I′，蓄电池容量检测的主要参数，蓄电池容量为放电电流与放电时间的乘积。

4.2.3容量检测

蓄电池在使用过程中，容量是不断下降的，当电池容量衰减至初始值的80%时，进入快速失效期，容量衰减加快，普遍认为容量低于初始值的80%的蓄电池为失效电池。若没有发现失效电池而继续使用，将埋下安全隐患。可见电池容量是很重要的一个参数，应不定期检测。进行容量检测时，控制放电电流I′为一指定的恒定值，并计时，当电蓄电池电压下降到放电终止电压时，即放电完毕，停止放电和计时，并立刻对蓄电池充电。

4.2.4工作状态切换

由于该EPS电源添加了蓄电池容量检测功能，此时，PWM整流器工作于有源逆变状态，那么PWM整流器就有三个工作状态：整流，有源逆变和无源逆变，它们之间的关系如下：

（1）市电正常时

整流：依次给蓄电池恒流充电、恒压充电和浮充，控制对象是PWM整流器直流侧电压和交流侧电流波形。

有源逆变：容量检测时间到，控制对象是PWM整流器直流侧电流和交流侧电流波形。

（2）市电异常时

无源逆变：断开开关Ks，控制PWM整流器交流侧电压为220V，电流为正弦波，频率为50HZ。

4.2.5控制电路

这是EPS应急电源的控制核心部分，实现各种工作状态的切换控制，以及各种控制算法。对各种采样进行转换和存储，键盘输入信息能够修改程序中的参数，并把一些重要变量的实时值送给显示单元，还能进行各种必要声光报警，有需要时，还得与上位机进行通信，实现更为友好的人机交互界面，或者远程通讯，实现远程监控与管理。

5.结语

根据PWM整流器能够双向传输能量并且同时进行功率因数校正，把传统EPS充电功能与逆变功能统一由一个PWM整流器完成，控制还是由一片智能芯片完成，同时增加了单位功率因数控制和电池容量检测功能，降低了系统的功耗和成本，功能却更加强大。因此，新型EPS应急电源具有更广泛的应用前景，是应急电源研究和开发的一个重要方向。

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