作者：匡莉娟；施洪昌；金劍杭

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，人們對供電的質(zhì)量提出了越來越嚴(yán)格的要求，計(jì)算機(jī)類或其他敏感設(shè)備，要求供電系統(tǒng)具有連續(xù)、可靠等性能。在許多重要場合均要求供電系統(tǒng)采用多路供電或自備發(fā)電機(jī)作為備用電源。

目前，柴（汽）油交流發(fā)電機(jī)的作用是在市電停電或者在沒市電的環(huán)境中能為負(fù)載提供交流電的裝置。目前市場上，一般要想利用發(fā)電機(jī)組成交流發(fā)電機(jī)不間斷供電系統(tǒng)，首先想到的就是購買一臺不間斷電源，該不間斷電源在市電正常情況下跟蹤市電相位，同時對蓄電池進(jìn)行充電；當(dāng)市電調(diào)電或異常時，一邊由蓄電池所存儲的直流電通過逆變器轉(zhuǎn)換成交流電繼續(xù)給負(fù)載供電，一邊自動啟動交流數(shù)碼發(fā)電機(jī)，當(dāng)發(fā)電機(jī)啟動成功后，就由發(fā)電機(jī)給負(fù)載供電，保證供電的不間斷。

以上的方法固然可以組成交流發(fā)電機(jī)不間斷電源，但是系統(tǒng)的成本大大增加，而且造成資源的浪費(fèi)。這是因?yàn)閿?shù)碼交流發(fā)電機(jī)內(nèi)部本身已經(jīng)存在逆變器，需要組成交流發(fā)電機(jī)不間斷電源無需再單獨(dú)購買不間斷電源，只要對數(shù)碼發(fā)電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造即可完成相關(guān)的功能。如果對現(xiàn)有的交流數(shù)碼發(fā)電機(jī)進(jìn)行改造，利用其內(nèi)部的逆變器實(shí)現(xiàn)在市電斷電情況下，把蓄電池存儲的直流電轉(zhuǎn)換成交流電供負(fù)載使用，可以大大節(jié)約投資成本，無需單獨(dú)購買不問斷電源，避免重復(fù)投資和資源浪費(fèi)。

1 目前市場上的數(shù)碼交流發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡介

與普通發(fā)電機(jī)相比，數(shù)碼交流發(fā)電機(jī)直接與發(fā)動機(jī)結(jié)合，取消了飛輪，因此，其尺寸和重量上減小了50％，數(shù)碼發(fā)電機(jī)組還根據(jù)負(fù)載實(shí)際變化狀況來自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的高低并且在此范圍內(nèi)均可輸出恒定的50 Hz頻率，既滿足了對頻率要求穩(wěn)定的用電設(shè)備的需求，同時又有效地降低油耗，其油耗比普通機(jī)組要低20％～40％，運(yùn)行時間更長，大大延長了整機(jī)的使用壽命，具有體積小、重量輕、效率高、電壓、頻率恒定等特點(diǎn)。

圖1是現(xiàn)在市場上的數(shù)碼發(fā)電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡圖。交流斷電時，啟動發(fā)電機(jī)模塊1，通過控制步進(jìn)電機(jī)控制油門6的大小，由控制／驅(qū)動模塊5去控制發(fā)電機(jī)的輸出電壓，使其整流模塊2的輸出電壓滿足在380 V±20 V范圍內(nèi)，表示發(fā)電機(jī)啟動成功，然后由逆變模塊3進(jìn)行逆變，最后輸出經(jīng)過LC濾波模塊4向負(fù)載提供220 V±2%的交流電壓。發(fā)電機(jī)的啟動即使在正常的情況下也是需要幾秒的啟動時間，由于沒有蓄電池給逆變器供電，所以在發(fā)電機(jī)啟動的這段時間里，發(fā)電機(jī)對負(fù)載的供電是中斷的。因此現(xiàn)在市場上的數(shù)碼發(fā)電機(jī)沒有達(dá)到對負(fù)載供電零中斷的功能。

2 由數(shù)碼交流發(fā)電機(jī)改造的不間斷交流供電系統(tǒng)

該設(shè)計(jì)提供一種能夠利用交流數(shù)碼發(fā)電機(jī)改造成不間斷電源的方案，對現(xiàn)有的數(shù)碼交流發(fā)電機(jī)進(jìn)行改造，重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用發(fā)電機(jī)內(nèi)部原有的逆變器，在市電正常時，由市電經(jīng)過逆變器給負(fù)載供電，同時給蓄電池充電；在市電斷電時，一邊啟動發(fā)電機(jī)，一邊由蓄電池的直流電通過逆變器轉(zhuǎn)換成交流電供負(fù)載使用，實(shí)現(xiàn)無論市電正常還是異常，系統(tǒng)對負(fù)載提供不問斷電源，同時再設(shè)計(jì)對市電進(jìn)行穩(wěn)壓、穩(wěn)頻、輸出零切換、蓄電池的充放電管理等新功能，實(shí)現(xiàn)對負(fù)載供電的不間斷功能。

2．1 系統(tǒng)的基本工作原理

系統(tǒng)內(nèi)部的單片機(jī)檢測市電的輸入電壓，當(dāng)市電輸入電壓在220 V±25%范圍時表示市電正常，則由市電經(jīng)過輸入EMI濾波、PFIC整流升壓，最后經(jīng)過逆變器逆變成AC 220 V±2％輸出正弦波電壓給負(fù)載供電。步進(jìn)電機(jī)通過光耦與經(jīng)過全橋整流的輸入交流市電相連，當(dāng)光耦處于“開”狀態(tài)時，表示交流市電在正常的范圍內(nèi)，當(dāng)光耦處于“關(guān)”狀態(tài)時，表示交流市電異常，同時主控制器檢測蓄電池的電壓，當(dāng)蓄電池提供的直流電壓經(jīng)過DC／DC升壓后的電壓為360 V，表示此時處于蓄電池給逆變器供電，系統(tǒng)處于直流輸入狀態(tài)，同時步進(jìn)電機(jī)控制器發(fā)出信號啟動發(fā)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)油門控制器控制發(fā)電機(jī)油門大小，當(dāng)檢測到發(fā)電機(jī)的輸出電壓在380 V±20 V時，表明發(fā)電機(jī)啟動成功，則系統(tǒng)就通過電子轉(zhuǎn)換開關(guān)切換到由交流發(fā)電機(jī)給負(fù)載供電。

2．2 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

交流發(fā)電機(jī)不間斷電源，包括CPU主控制模塊、市電輸入模塊、EMI濾波模塊、PFC、直流升壓模塊、蓄電池充放電管理模塊、逆變模塊、輸出濾波模塊、發(fā)電機(jī)模塊、步進(jìn)電機(jī)的油門控制以及其發(fā)電機(jī)的控制／驅(qū)動模塊。

圖2是改造的數(shù)碼交流發(fā)電機(jī)不間斷電源系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)示意圖。

下面對圖2交流發(fā)電機(jī)不間斷電源作具體介紹，該系統(tǒng)是由以下模塊組成的：CPU主模塊7，市電輸入模塊1，EMI濾波模塊2，PFC功率因數(shù)校正和直流升壓模塊3，輸出濾波模塊5，蓄電池充放電管理模塊6，逆變模塊4，發(fā)電機(jī)模塊8，步進(jìn)電機(jī)，油門控制11以及其發(fā)電機(jī)的控制、驅(qū)動模塊10。主CPU模塊7分別與蓄電池充放電模塊6，逆變模塊4，輸出濾波模塊5，PFC直流升壓模塊3相連。

在圖2中，輸入的市電經(jīng)過EMI濾波處理后，經(jīng)過PFC模塊3進(jìn)行功率因數(shù)校正和直流升壓，其輸出一方面通過蓄電池充電管理模塊6給系統(tǒng)內(nèi)的蓄電池充電，另一方面PFC模塊將電壓升壓至DC 360 V的經(jīng)過逆變模塊4進(jìn)行逆變，最后經(jīng)過LC濾波模塊5輸出220 V±2％的交流電。輸入市電正常時，由上述過程給負(fù)載供電；當(dāng)市電不正常時，系統(tǒng)自動啟動發(fā)電機(jī)模塊8，在發(fā)電機(jī)啟動的過程中由蓄電池給逆變模塊提供直流電，經(jīng)過逆變模塊后繼續(xù)向負(fù)載提供零中斷的交流電。發(fā)電機(jī)的啟動過程中通過控制步進(jìn)電機(jī)控制油門11的大小，由控制驅(qū)動模塊10去控制發(fā)電機(jī)的整流輸出電壓大小，當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓經(jīng)過整流模塊9后的電壓大于360 V時，表示發(fā)電機(jī)啟動成功，由發(fā)電機(jī)給負(fù)載提供交流電源，實(shí)現(xiàn)對負(fù)載供電的不中斷。在主控模塊7檢測到市電正常后，再由發(fā)電機(jī)供電切換到市電供電。在發(fā)電機(jī)供電切換到市電時，要進(jìn)行相位檢測與跟蹤，采用移相技術(shù)，保證相位的隨時同步。在全部的供電切換過程中即由市電向蓄電池切換、蓄電池向發(fā)電機(jī)、發(fā)電機(jī)向市電的切換中，系統(tǒng)對負(fù)載的供電都是零中斷的。

3 結(jié) 語

針對當(dāng)前數(shù)碼發(fā)電機(jī)在啟動過程中對負(fù)載供電是中斷的，達(dá)不到對負(fù)載供電的零間斷能力，提出了一種方案，可以在原有數(shù)碼交流發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，改變數(shù)碼發(fā)電機(jī)原有的軟、硬件結(jié)構(gòu)，但保留內(nèi)部的逆變器，來組成交流發(fā)電機(jī)不間斷供電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對負(fù)載供電的零中斷功能。同時系統(tǒng)還增加了市電整流、濾波、PFC、直流升壓以及蓄電池充放電管理模塊，不僅可以向負(fù)載提供不間斷的交流電，還對市電進(jìn)行穩(wěn)壓、穩(wěn)頻，對負(fù)載提供純凈的正弦交流電。同時系統(tǒng)的成本得到了大幅度的降低，體積和重量更小，蓄電池包可以方便地進(jìn)行維護(hù)和更換。

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