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(fù)載，特別是不控整流橋非線性負(fù)載的供電需求，使220 V單相交流供電具有強(qiáng)的抗電流沖擊的能力，運用先進(jìn)的電力電子控制技術(shù)，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(guān)鍵技術(shù)。最后，通過原理樣機(jī)，驗證了船用高性能單相交流不間斷電源裝置的優(yōu)越性能。

關(guān)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(xiàn)標(biāo)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(jì)80年代以來，越來越多的計算機(jī)自動化監(jiān)控設(shè)備運用到船舶動力、電力及通信等系統(tǒng)里，大大提升了船舶自動化水平，同時，這對供電電源品質(zhì)及可靠性要求也越來越高[1?2]。當(dāng)主電網(wǎng)不正?；虬l(fā)生中斷故障時，輸出需不間斷供電以保證重要系統(tǒng)穩(wěn)定工作，即要求給負(fù)載提供不間斷的高質(zhì)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(tǒng)重要負(fù)載，不間斷提供穩(wěn)定的高質(zhì)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(fù)載不斷增多，也包括不控整流橋非線性負(fù)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(tǒng)誤保護(hù)，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(fā)展的需要。為了適應(yīng)船上220 V單相非線性負(fù)載的實際特性，保證負(fù)載順利啟動及掛網(wǎng)負(fù)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(diào)制的電壓電流雙環(huán)數(shù)/模混合逆變控制及電源切換動態(tài)跟蹤鎖相等先進(jìn)技術(shù)，實現(xiàn)了優(yōu)良的輸出性能，具有較好地抗負(fù)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(jiān)控系統(tǒng)等組成。主電路中，三相電網(wǎng)電壓經(jīng)EMI濾波，通過Δ?Y/Δ型變壓器隔離降壓，經(jīng)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(huán)控制SPWM倍頻調(diào)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(fù)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(jìn)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(tài)跟蹤鎖相技術(shù)，實時采集跟蹤備電網(wǎng)電源相位，執(zhí)行機(jī)構(gòu)由雙向可控硅與功率繼電器組成，根據(jù)逆變控制單元DSP的控制信號動作，保證負(fù)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(jīng)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(jiān)控系統(tǒng)，采用基于DSP TMS320LF2407A的數(shù)字式監(jiān)控模式，對整個交流不間斷電源裝置進(jìn)行監(jiān)視與控制，人機(jī)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(guān)鍵技術(shù)

2.1 逆變電路設(shè)計

逆變電路設(shè)計，是船用高性能單相交流不間斷電源裝置具有強(qiáng)負(fù)載沖擊承受能力的技術(shù)保證。本文逆變電路主電路拓?fù)洳捎肐GBT模塊組成的單相全橋式結(jié)構(gòu)，控制方式采用先進(jìn)的單極性倍頻SPWM調(diào)制的電壓、電流雙閉環(huán)數(shù)/?；旌峡刂颇Ｊ剑β势骷ぷ黝l率設(shè)定在20 kHz，以提升裝置承受負(fù)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(nèi)環(huán)，輸出電壓[uo（s）]作為外環(huán)，發(fā)揮了電流內(nèi)環(huán)給裝置帶來的快速動態(tài)響應(yīng)性，電壓外環(huán)又保證了裝置高質(zhì)量輸出波形。單極性倍頻SPWM調(diào)制的電壓、電流雙閉環(huán)控制方式及功率器件20 kHz的工作頻率，使逆變電路對負(fù)載的擾動和突加突卸具有快速的動態(tài)響應(yīng)，當(dāng)負(fù)載突加致使輸出端形成強(qiáng)沖擊電流時，輸出電壓跌落，此時電壓、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)迅速反應(yīng)，使跌落的輸出電壓迅速恢復(fù)正常。同時，當(dāng)負(fù)載突加過大致使輸出電壓跌落至零時，電流環(huán)控制電路將對流過IGBT模塊沖擊電流進(jìn)行限流，以保護(hù)功率器件。電壓、電流雙閉環(huán)控制方式與優(yōu)化PI參數(shù)，使得交流不間斷電源裝置具有強(qiáng)承受負(fù)載沖擊電流的能力。另外，IGBT模塊20 kHz的固定開關(guān)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?fù)淠軌蜻m應(yīng)先進(jìn)的逆變控制技術(shù)，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(shè)計

電源切換控制電路設(shè)計，是船用高性能單相交流不間斷電源裝置在非線性負(fù)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(shù)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(lián)的控制模式，并且引入動態(tài)跟蹤鎖相技術(shù)，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(xiàn)逆變電路供電與備電供電的快速切換，功率繼電器則實現(xiàn)負(fù)載供電的可靠性，動態(tài)跟蹤鎖相技術(shù)，則保證逆變供電與備電供電之間切換時負(fù)載電壓波形基本連續(xù)，避免負(fù)載受到?jīng)_擊。電源切換控制電路，根據(jù)輸入、輸出端的采樣信號由DSP（TMS320LF2407A）的邏輯判斷產(chǎn)生的控制信號動作，保證在負(fù)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(dāng)負(fù)載突加結(jié)束、三相輸入電源或蓄電池恢復(fù)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(dāng)沖擊性負(fù)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(fù)，能恢復(fù)電源切換控制電路則不切備電，不能恢復(fù)則自動切備電，同時采樣輸出電流，在負(fù)載電流有效值恢復(fù)正常后自動切回逆變供電；當(dāng)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(dāng)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(fù)載的可靠運行。

3 實驗結(jié)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(jī)，采用十二脈波不控整流與電壓源全橋逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，單極性倍頻SPWM調(diào)制電壓、電流雙閉環(huán)數(shù)/?；旌峡刂萍半娫辞袚Q動態(tài)跟蹤鎖相技術(shù)，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(guān)頻率20 kHz，等效開關(guān)頻率為40 kHz，示波器型號為泰克TPS2012。樣機(jī)突加4.0 kV·A二極管不控整流、電容濾波整流性負(fù)載沖擊試驗波形，如圖4所示。

圖4 突加4.0 k·VA整流性負(fù)載波形

試驗結(jié)果表明樣機(jī)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(nèi)恢復(fù)正常，基本0 ms斷電。樣機(jī)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(fù)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(xiàn)了零相位差無縫切換，切換過程中無電流沖擊，負(fù)載0 ms斷電。

圖5 逆變供電不間斷轉(zhuǎn)換備電

4 結(jié) 論

本文針對船上220 V單相非線性負(fù)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(diào)制的電壓電流雙環(huán)數(shù)/?；旌夏孀兛刂啤㈦娫辞袚Q動態(tài)跟蹤鎖相等先進(jìn)技術(shù)。通過研制的220 V/4 kA樣機(jī)，驗證了船用高性能單相交流不間斷電源裝置能夠?qū)崿F(xiàn)良好的抗非線性負(fù)載電流沖擊的效果，具有優(yōu)良的輸出性能。

圖6 備電不間斷轉(zhuǎn)換至逆變供電

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