基于UPS的船用供電系統(tǒng)

史玉芳，鄧世建

(1.徐州機(jī)電工程學(xué)校，江蘇 徐州221131;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州221116)

0 引 言

船舶是一種重要的交通運(yùn)輸工具，在交通運(yùn)輸領(lǐng)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(fù)雜，會(huì)遇到很多風(fēng)險(xiǎn)，經(jīng)常會(huì)發(fā)生各種突發(fā)事故，導(dǎo)致供電系統(tǒng)崩潰，帶來(lái)不可估量的經(jīng)濟(jì)損失或人員傷害。所以一般船舶的供電系統(tǒng)都要引入不間斷電源UPS 作為臨時(shí)應(yīng)急電源，在船舶正常供電系統(tǒng)遇到故障時(shí)，為船上重要的設(shè)備進(jìn)行短時(shí)供電。

隨著現(xiàn)代化、自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，船舶上的新型電子設(shè)備越來(lái)越多、越來(lái)越復(fù)雜，這為船舶的電力供應(yīng)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。而這些高精度的電子設(shè)備內(nèi)置大量的半導(dǎo)體集成模塊導(dǎo)致設(shè)備對(duì)電力供應(yīng)的質(zhì)量十分敏感。這也是為什么能提供純凈的、持續(xù)不間斷供電的UPS 供電系統(tǒng)成為船舶上一種基本設(shè)備的一個(gè)最重要原因。我國(guó)在《鋼質(zhì)海船建造與入級(jí)規(guī)范》中也明確規(guī)定:一般情況下，客船以及500 t 以上的貨船都應(yīng)該配有應(yīng)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(hù)蓄電池)與船舶系統(tǒng)主機(jī)相連接，通過(guò)主機(jī)逆變器等模塊電路將直流電轉(zhuǎn)換成船舶用電標(biāo)準(zhǔn)的用電系統(tǒng)設(shè)備。船用UPS 電源的出現(xiàn)是為了滿足船舶電力保障要求的專用UPS，主要負(fù)責(zé)為船舶導(dǎo)航系統(tǒng)、緊急照明系統(tǒng)、救生系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)等用電設(shè)備供電。

當(dāng)船舶正常供電系統(tǒng)中斷 (事故停電)時(shí)，UPS 立即將蓄電池中存儲(chǔ)的直流電能，通過(guò)逆變零切換轉(zhuǎn)換的方法向負(fù)載繼續(xù)供應(yīng)船用的交流電，使負(fù)載維持正常工作并保護(hù)負(fù)載軟、硬件不受損壞。同時(shí)UPS 供電系統(tǒng)通常對(duì)電壓過(guò)高或電壓過(guò)低都能提供保護(hù)。

1 船舶UPS 供電系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)，如圖1所示。主要的工作流程是:

1)船舶柴油發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電一路直接為船舶上的各類負(fù)載進(jìn)行供電，即實(shí)現(xiàn)船舶的正常供電功能。

2)船舶柴油發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電另一路需要經(jīng)過(guò)整流、充電和逆變3個(gè)環(huán)節(jié)為負(fù)載供電。具體工作工程是首先經(jīng)過(guò)AC/DC 整流器進(jìn)行整流，將三相交流電整流為直流;然后直流電向儲(chǔ)能蓄電池充電;同時(shí)蓄電池輸出的直流電再經(jīng)過(guò)DC/AC 逆變器，將直流電逆變?yōu)榻涣麟姡蚋黝愗?fù)載供電［1］。

圖1 在線式UPS 供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(tǒng)，如圖2所示。船舶柴油發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電分為兩路，兩路之間通過(guò)控制開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換，正常供電時(shí)控制開(kāi)關(guān)關(guān)斷，船舶柴油發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電直接給船上的負(fù)載進(jìn)行供電。正常供電異常時(shí)，打開(kāi)控制開(kāi)關(guān)，UPS 供電系統(tǒng)工作，船舶柴油發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電經(jīng)過(guò)整流、充電和逆變3個(gè)環(huán)節(jié)為負(fù)載供電。與在線式的UPS 供電系統(tǒng)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(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of off-line UPS power supply system

2 種UPS 供電系統(tǒng)的主要區(qū)別在于:在線式的正常發(fā)電機(jī)供電系統(tǒng)和蓄電池供電系統(tǒng)同時(shí)為船用負(fù)載供電;非在線的只有在正常發(fā)電機(jī)供電系統(tǒng)停止工作的時(shí)候，蓄電池供電系統(tǒng)才行使供電功能，平時(shí)只是儲(chǔ)能備用能量［2］。

2 UPS 供電系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)框圖

上一節(jié)對(duì)常用的2 種UPS 供電系統(tǒng)進(jìn)行了分析，本文采用第2 種非在線式的UPS 供電系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)主要包括:船舶柴油發(fā)電機(jī)、AC/DC 整流器、控制開(kāi)關(guān)、蓄電池、DC/AC 逆變器、控制系統(tǒng)、輔助電源和各類負(fù)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(jié)構(gòu)，DC/AC 逆變器采用三相全橋逆變電路結(jié)構(gòu)，控制開(kāi)關(guān)采用Mosfet 開(kāi)關(guān)管。電路中所有的控制部分都由控制系統(tǒng)完成，控制系統(tǒng)采用純數(shù)字的DSP控制技術(shù)，系統(tǒng)選用TI 公司生產(chǎn)的DSP28035 進(jìn)行控制電路部分的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的輔助供電部分采用反激式變換器，通過(guò)副邊多路繞組輸出為系統(tǒng)提供不同電壓等級(jí)的輔助用電。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

2.2 AC/DC 整流器設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中整流器的主要功能是將船舶柴油發(fā)電機(jī)組輸出的三相交流電整流為直流電，為蓄電池進(jìn)行充電儲(chǔ)能。

由于UPS 供電系統(tǒng)要經(jīng)過(guò)AC/DC和DC/AC 兩級(jí)變換，整個(gè)系統(tǒng)的工作效率很難提高，所以要盡量提高每一級(jí)的工作效率。本系統(tǒng)采用的是三相全橋整流電路，并采用同步整流技術(shù)實(shí)現(xiàn)較高的轉(zhuǎn)化效率。

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

同步整流技術(shù)是指采用導(dǎo)通電阻極低的功率MOSFET 開(kāi)關(guān)管來(lái)取代普通的整流二極管，大大降低開(kāi)關(guān)管上的損耗，提高整個(gè)變換器的效率。普通的整流二極管都有較高的導(dǎo)通壓降，即使是采用低導(dǎo)通壓降的肖特基二極管，也有0.7 V 左右，所以當(dāng)流過(guò)較大電流時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的損耗，導(dǎo)致效率降低。同步整流技術(shù)采用的MOSFET，導(dǎo)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(guò)較大的電流也不會(huì)產(chǎn)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(shí)還可以優(yōu)化系統(tǒng)的熱性能。

如圖3所示，整流電路由6 只MOSFET 開(kāi)關(guān)管組成3個(gè)橋臂，由DSP 產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)脈沖經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路之后去控制MOSFET 開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通與關(guān)段，同一橋臂的上下開(kāi)關(guān)管要設(shè)置一定的死區(qū)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(guò)DPS28035 產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)脈沖的邏輯關(guān)系，方便的設(shè)置不同橋臂開(kāi)關(guān)管之間的移相角，可以實(shí)現(xiàn)比較靈活的控制方式，通過(guò)不同策略取得最佳的輸出效果。將輸出的直流電經(jīng)過(guò)濾波送給蓄電池，對(duì)蓄電池進(jìn)行充電［3］。

2.3 DC/AC 逆變器設(shè)計(jì)

DC/AC 逆變電路采用三相橋式逆變電路結(jié)構(gòu)，將蓄電池輸出的直流電進(jìn)行逆變，逆變?yōu)榇玫娜嘟涣麟?，在船舶正常供電遇到故障時(shí)，向船舶上的負(fù)載進(jìn)行短時(shí)供電。

逆變電路分為電壓型逆變電路和電流型逆變電路，區(qū)別僅在于中間直流環(huán)節(jié)濾波器的形式不同。電壓型逆變電路直流側(cè)由支撐電容進(jìn)行穩(wěn)壓濾波，而電流型逆變電路采用電感進(jìn)行濾波。本系統(tǒng)采用電壓型逆變電路，在蓄電池兩端并聯(lián)支撐電容，進(jìn)行濾波和穩(wěn)壓。電壓型逆變電路的主要特點(diǎn)是，同一橋臂上下要留一定的死區(qū)防止貫通將電源短路，同一相內(nèi)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(cè)部分是電壓型三相橋式逆變電路結(jié)構(gòu)，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(chǔ)能的作用，同時(shí)也作為前級(jí)AC/DC 整流電路的輸出濾波電容。主電路由6 只主功率開(kāi)關(guān)管Mosfet 組成上下3個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂的中點(diǎn)分別經(jīng)過(guò)濾波電感與負(fù)載相連?？刂撇糠植捎孟冗M(jìn)的DSP 數(shù)字控制，通過(guò)DSP28035發(fā)出的PWM控制信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)6 只開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通和關(guān)段，控制橋臂中點(diǎn)電壓［4］。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中控制部分采用先進(jìn)的數(shù)字控制技術(shù)，采用TMS320F28035 (以下簡(jiǎn)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(jià)格便宜、速度快、性價(jià)比高和出色的DSP控制性能等優(yōu)點(diǎn)，被越來(lái)越多的用在電源系統(tǒng)的應(yīng)用中。

DSP28035 具有增強(qiáng)型eCAN、SPI，SCI 等通信接口，增強(qiáng)型eQEP 正交編碼接口、增強(qiáng)型eCAP 接口等，最突出的特點(diǎn)是其獨(dú)特的PWM 波形產(chǎn)生技術(shù)，可以產(chǎn)生6 路互補(bǔ)PWM 信號(hào)，可以很方便通過(guò)移相技術(shù)和死區(qū)設(shè)置來(lái)本系統(tǒng)中整流器和逆變器共6個(gè)橋臂上的開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通與關(guān)段。DSP28035 可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行高速處理，其運(yùn)算與處理能力是普通的單片機(jī)相的幾十倍，確保系統(tǒng)具有更優(yōu)越的控制性能。該控制芯片適合應(yīng)用于開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)控制、信號(hào)實(shí)時(shí)采集與處理等方面，于是將該控制芯片作為UPS 供電系統(tǒng)的主控芯片，可以很好地改善系統(tǒng)的整體性能。

圖4 是DSP28035控制系統(tǒng)的功能框圖，系統(tǒng)主要包括:脈沖驅(qū)動(dòng)模塊，電壓、電流、溫度信號(hào)的檢測(cè)及保護(hù)模塊，系統(tǒng)工作狀態(tài)邏輯控制模塊和CAN通信及上位機(jī)顯示模塊等。

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

DSP28035控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能:

1)脈沖驅(qū)動(dòng)功能:實(shí)現(xiàn)整流器和逆變器6個(gè)橋臂12 只Mosfet 開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)，通過(guò)對(duì)輸出脈沖信號(hào)的邏輯控制開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通關(guān)斷順序，實(shí)現(xiàn)良好的系統(tǒng)性能。

2)邏輯控制功能:主要負(fù)責(zé)UPS 供電系統(tǒng)的運(yùn)行邏輯控制，即通過(guò)采集船舶上的電壓電流等信號(hào)判斷船舶的供電系統(tǒng)的工作狀態(tài)，然后通過(guò)邏輯控制模塊，切換UPS 系統(tǒng)工作模式。

3)故障檢測(cè)與保護(hù)功能:通過(guò)各類傳感器，檢測(cè)系統(tǒng)電壓、電流、溫度等各種參數(shù)，然后判斷各種故障條件，并根據(jù)故障等級(jí)及時(shí)作出相應(yīng)處理，以達(dá)到保護(hù)UPS 供電系統(tǒng)和負(fù)載的目的。

4)CAN通信功能，通過(guò)CAN通信模塊實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的連接，主要負(fù)責(zé)接收、處理和發(fā)送與上位機(jī)之間的各種數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)與用戶之間的實(shí)時(shí)交互。

本系統(tǒng)采用脈寬調(diào)制技術(shù)，來(lái)控制系統(tǒng)中開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通與關(guān)斷。采用母線電壓外環(huán)控制、并網(wǎng)電流內(nèi)環(huán)控制的典型的雙閉環(huán)控制方式。其中電壓外環(huán)采用PI 調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，電流內(nèi)環(huán)采用基于無(wú)差拍電流控制理論，整個(gè)系統(tǒng)的控制器只有一個(gè)PI 調(diào)節(jié)器，比較簡(jiǎn)單，方便參數(shù)設(shè)定和調(diào)整。外環(huán)電壓控制主要作用是使蓄電池兩端的電壓Un為恒定值;內(nèi)環(huán)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(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)的正弦信號(hào)的規(guī)律變化，極大的提高功率因素，保證輸出電能質(zhì)量［5］。

4 輔助電源設(shè)計(jì)

前兩節(jié)對(duì)UPS 供電系統(tǒng)的主電路的整流器和逆變器部分和控制部分做了設(shè)計(jì)與分析，本節(jié)主要對(duì)系統(tǒng)的輔助電源部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。

UPS 供電系統(tǒng)控制部分采用的各種芯片都離不開(kāi)3.3 V，5 V 或12 V 等低壓供電，即輔助電源。系統(tǒng)一般可以通過(guò)2 種途徑來(lái)解決輔助供電的問(wèn)題:

1)可以通過(guò)另外購(gòu)置輔助電源，與系統(tǒng)進(jìn)行連接供電;

2)可以通過(guò)自行設(shè)計(jì)輔助電源，為整個(gè)系統(tǒng)中的輔助用電部分進(jìn)行供電。

為了節(jié)約成本，本系統(tǒng)采用第2 種途徑，自定設(shè)計(jì)輔助電源。

本系統(tǒng)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(chǎng)合的經(jīng)典電路，被普遍用于筆記本適配器、手機(jī)充電器等應(yīng)用場(chǎng)合，是系統(tǒng)輔助電源的理想的電路拓?fù)?。它具有所用元件較少，電路簡(jiǎn)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(yōu)點(diǎn)。

傳統(tǒng)的反激式變換器的基本工作原理是:原邊開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)，副邊二極管不會(huì)導(dǎo)通，變壓器存儲(chǔ)能量;原邊開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，副邊二極管導(dǎo)通，變壓器中存儲(chǔ)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(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管的占空比，靈活的調(diào)節(jié)輸出電壓。

一般實(shí)際的應(yīng)用電路一般都采用一些集成的電源管理芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，以精簡(jiǎn)電路，減少EMI 電磁干擾和提高工作效率。本系統(tǒng)采用安森美公司推出的帶準(zhǔn)諧振開(kāi)關(guān)能力的脈寬調(diào)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(gè)真正的電流型調(diào)節(jié)器和一個(gè)退磁檢測(cè)器，以保證在任何負(fù)載和漏極電壓最小值時(shí)(準(zhǔn)諧振工作)開(kāi)通開(kāi)關(guān)管，很大程度上減小EMI 干擾，以及開(kāi)關(guān)損耗，提高效率。同時(shí)該電源芯片具有過(guò)壓保護(hù)、過(guò)載及短路保護(hù)等功能。具體的電路設(shè)計(jì)可以參考圖5所示電路，然后根據(jù)系統(tǒng)需求靈活設(shè)置副邊繞組的多路輸出。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)基于UPS的船用供電系統(tǒng)進(jìn)行介紹，對(duì)在線式和非在線式的兩種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，最后采用離線式(后備式)的UPS 船用供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)采用純數(shù)字DSP28035 芯片進(jìn)行控制，由于整個(gè)系統(tǒng)是個(gè)多級(jí)結(jié)構(gòu)，所以采用整流器部分采用了三相全橋同步整理技術(shù)來(lái)提高轉(zhuǎn)換效率，輔助電源部分也采用了先進(jìn)的綠色準(zhǔn)諧振模式的電源管理芯片NCP1207 來(lái)提高工作效率。

［1］李鳳武.呼和二樞紐UPS 供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究［D］.呼和浩特:內(nèi)蒙古大學(xué)2009.

［2］Delta 型數(shù)字化UPS 系統(tǒng)的研究［D］.株洲:湖南工業(yè)大學(xué)，2007.

［3］郝振宇，王洪慶.基于DSP的移相全橋變換器的研究［J］.電氣傳動(dòng)，2007，37(1):26-29.

［4］劉小虎，張?zhí)旌?，吳巋華.一種基于DSP 組合式中頻逆變電源的設(shè)計(jì)［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2011，33(12):79-81.LIU Xiao-hu，ZHANG Tian-hao，WU Kui-hua.Design of combined medium frequency power inverter supply based on DSP［J］.Ship Science and Technology，2011，33(12):79-81.

［5］聶振宇，劉國(guó)平，胡即明，等.基于SVPWM控制的三相逆變電源裝置的研制［J］.電力電子技術(shù)，2010，44(11):54-56.NIE Zhen-yu，LIU Guo-ping，HU Ji-ming，et al.Development of three-phase inverter power supply device based on SVPWM control method［J］.Power Electronics，2010，44(11):54-56.