匡莉娟 施洪昌 金剑杭
摘 要：针对用户对负载供电不间断的实际需求,分析了数码发电机的内部结构及其不能实现供电的不间断性能的原因,提出一种由数码发电机改造组成的交流不间断供电系统的设计方法。该设计利用发电机内部的逆变器,在市电正常时,由市电经过逆变器给负载供电,同时给蓄电池充电；在市电断电时,一边启动发电机,一边由蓄电池的直流电通过逆变器转换成交流电供负载使用,实现无论市电正常还是异常,系统对负载提供不间断电源。设计对市电进行稳压、稳频、输出零切换、蓄电池的充放电管理等新功能。此设计无需单独购买不间断电源,避免重复投资和资源浪费。
关键词：数码发电机；不间断供电；蓄电池；逆变器
中图分类号：TM13 文献标识码：B
文章编号：1004-373X(2009)01-078-03
Design of Uninterrupted Power Supply System Based on Digital Generator
KUANG Lijuan1,SHI Hongchang2,JIN Jianhang3
(1.College of Information & Engineer,Southwest University of Science & Technology,Mianyang,621002,China;
2.Equipment Design & Test Technology Institute,China Center of Air Dynamical Research & Development,Mianyang,621000,China;
3.Jinheng Power Technology Co.Ltd.,Hangzhou,310030,China)
Abstract：According to the users′ actually demand for uninterruptible power supply for loads,the internal structure of digital generator is analysed and the reason for its uninterruptible function can′t be achieved.A design of the uninterrupted power supply system which transformed from the digital generator is proposed.The system uses the inverter of generators,AC through inverter for loads,at the same time,charges the battery as AC is normal.Inverter the battery DC converters to AC for load,meanwhile,starting generator,when power failure.The system applies uninterruptible power for load,whether the AC is normal or abnormal,and design voltage and frequency stabilization,output zero-interrupted,battery charging and discharging management.Without requiring purchase an uninterruptible power supply separately,this design can avoid duplication of investment and wasting of resources.
Keywords：digital generator;uninterruptible power supply;battery;inverter
0 引 言
随着科学技术的发展以及计算机的广泛应用,人们对供电的质量提出了越来越严格的要求,计算机类或其他敏感设备,要求供电系统具有连续、可靠等性能。在许多重要场合均要求供电系统采用多路供电或自备发电机作为备用电源。
目前,柴(汽)油交流发电机的作用是在市电停电或者在没市电的环境中能为负载提供交流电的装置。目前市场上,一般要想利用发电机组成交流发电机不间断供电系统,首先想到的就是购买一台不间断电源［1］,该不间断电源在市电正常情况下跟踪市电相位,同时对蓄电池进行充电；当市电调电或异常时,一边由蓄电池所存储的直流电通过逆变器转换成交流电继续给负载供电,一边自动启动交流数码发电机,当发电机启动成功后,就由发电机给负载供电,保证供电的不间断［2］。
以上的方法固然可以组成交流发电机不间断电源,但是系统的成本大大增加,而且造成资源的浪费。这是因为数码交流发电机内部本身已经存在逆变器,需要组成交流发电机不间断电源无需再单独购买不间断电源,只要对数码发电机的内部结构进行改造即可完成相关的功能。如果对现有的交流数码发电机进行改造,利用其内部的逆变器实现在市电断电情况下,把蓄电池存储的直流电转换成交流电供负载使用,可以大大节约投资成本,无需单独购买不间断电源,避免重复投资和资源浪费。
1 目前市场上的数码交流发电机的结构简介
与普通发电机相比,数码交流发电机直接与发动机结合,取消了飞轮,因此,其尺寸和重量上减小了50%,数码发电机组还根据负载实际变化状况来自动调节转速的高低并且在此范围内均可输出恒定的50 Hz频率,既满足了对频率要求稳定的用电设备的需求,同时又有效地降低油耗,其油耗比普通机组要低20%～40%,运行时间更长,大大延长了整机的使用寿命,具有体积小、重量轻、效率高、电压、频率恒定等特点。
图1是现在市场上的数码发电机的内部结构简图。交流断电时,启动发电机模块1,通过控制步进电机控制油门6的大小,由控制/驱动模块5去控制发电机的输出电压,使其整流模块2的输出电压满足在380 V±20 V范围内,表示发电机启动成功,然后由逆变模块3进行逆变,最后输出经过LC滤波模块4向负载提供220 V±2%的交流电压。发电机的启动即使在正常的情况下也是需要几秒的启动时间,由于没有蓄电池给逆变器供电,所以在发电机启动的这段时间里,发电机对负载的供电是中断的。因此现在市场上的数码发电机没有达到对负载供电零中断的功能。
2 由数码交流发电机改造的不间断交流供电系统
该设计提供一种能够利用交流数码发电机改造成不间断电源的方案,对现有的数码交流发电机进行改造,重新进行设计,利用发电机内部原有的逆变器,在市电正常时,由市电经过逆变器给负载供电,同时给蓄电池充电；在市电断电时,一边启动发电机,一边由蓄电池的直流电通过逆变器转换成交流电供负载使用,实现无论市电正常还是异常,系统对负载提供不间断电源,同时再设计对市电进行稳压、稳频、输出零切换、蓄电池的充放电管理等新功能,实现对负载供电的不间断功能。
2.1 系统的基本工作原理
系统内部的单片机检测市电的输入电压,当市电输入电压在220 V±25％范围时表示市电正常,则由市电经过输入EMI滤波、PFC整流升压,最后经过逆变器逆变成AC 220 V±2％输出正弦波电压给负载供电。步进电机通过光耦与经过全桥整流的输入交流市电相连,当光耦处于“开”状态时,表示交流市电在正常的范围内,当光耦处于“关”状态时,表示交流市电异常,同时主控制器检测蓄电池的电压,当蓄电池提供的直流电压经过DC/DC升压后的电压为360 V,表示此时处于蓄电池给逆变器供电,系统处于直流输入状态,同时步进电机控制器发出信号启动发电机,步进电机油门控制器控制发电机油门大小［3-5］,当检测到发电机的输出电压在380 V±20 V时,表明发电机启动成功,则系统就通过电子转换开关切换到由交流发电机给负载供电。
2.2 系统的整体设计
交流发电机不间断电源,包括CPU主控制模块、市电输入模块、EMI滤波模块、PFC、直流升压模块、蓄电池充放电管理模块、逆变模块、输出滤波模块、发电机模块、步进电机的油门控制以及其发电机的控制/驱动模块。
图2是改造的数码交流发电机不间断电源系统电路结构示意图。
下面对图2交流发电机不间断电源作具体介绍,该系统是由以下模块组成的：CPU主模块7,市电输入模块1,EMI滤波模块2,PFC功率因数校正和直流升压模块3,输出滤波模块5,蓄电池充放电管理模块6,逆变模块4,发电机模块8,步进电机,油门控制11以及其发电机的控制、驱动模块10。主CPU模块7分别与蓄电池充放电模块6,逆变模块4,输出滤波模块5,PFC直流升压模块3相连。
在图2中,输入的市电经过EMI滤波处理后,经过PFC模块3进行功率因数校正和直流升压［6,7］,其输出一方面通过蓄电池充电管理模块6给系统内的蓄电池充电,另一方面PFC模块将电压升压至DC 360 V的经过逆变模块4进行逆变,最后经过LC滤波模块5输出220 V±2%的交流电。输入市电正常时,由上述过程给负载供电；当市电不正常时,系统自动启动发电机模块8,在发电机启动的过程中由蓄电池给逆变模块提供直流电,经过逆变模块后继续向负载提供零中断的交流电［4］。发电机的启动过程中通过控制步进电机控制油门11的大小,由控制驱动模块10去控制发电机的整流输出电压大小［8］,当发电机发出的电压经过整流模块9后的电压大于360 V时,表示发电机启动成功,由发电机给负载提供交流电源,实现对负载供电的不中断。在主控模块7检测到市电正常后,再由发电机供电切换到市电供电。在发电机供电切换到市电时,要进行相位检测与跟踪,采用移相技术,保证相位的随时同步。在全部的供电切换过程中即由市电向蓄电池切换、蓄电池向发电机、发电机向市电的切换中,系统对负载的供电都是零中断的。
3 结 语
针对当前数码发电机在启动过程中对负载供电是中断的,达不到对负载供电的零间断能力,提出了一种方案,可以在原有数码交流发电机结构的基础上,进行重新设计,改变数码发电机原有的软、硬件结构,但保留内部的逆变器,来组成交流发电机不间断供电系统,实现对负载供电的零中断功能。同时系统还增加了市电整流、滤波、PFC、直流升压以及蓄电池充放电管理模块,不仅可以向负载提供不间断的交流电,还对市电进行稳压、稳频,对负载提供纯净的正弦交流电［9,10］。同时系统的成本得到了大幅度的降低,体积和重量更小,蓄电池包可以方便地进行维护和更换。
参考文献
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作者简介匡莉娟 女,1985年出生,江苏盱眙人,硕士在读。研究方向为UPS电源、通信电源、测控自动化。
施洪昌 男,1941年出生,江苏启东人,研究员、技术少将。研究方向为测控自动化、风洞测控技术等。
金剑杭 男,1953年出生,浙江杭州人,总工程师。研究方向为电力专用UPS电源、通信电源、逆变电源、运算放大器等。
