基于計算機和各應用技術實現(xiàn)電動機不間斷交流供電系統(tǒng)的設計

　　隨著科學技術的發(fā)展以及計算機的廣泛應用，人們對供電的質量提出了越來越嚴格的要求，計算機類或其他敏感設備，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)電機作為備用電源。

　　目前，柴（汽）油交流發(fā)電機的作用是在市電停電或者在沒市電的環(huán)境中能為負載提供交流電的裝置。目前市場上，一般要想利用發(fā)電機組成交流發(fā)電機不間斷供電系統(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，同時對蓄電池進行充電；當市電調電或異常時，一邊由蓄電池所存儲的直流電通過逆變器轉換成交流電繼續(xù)給負載供電，一邊自動啟動交流數(shù)碼發(fā)電機，當發(fā)電機啟動成功后，就由發(fā)電機給負載供電，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。這是因為數(shù)碼交流發(fā)電機內(nèi)部本身已經(jīng)存在逆變器，需要組成交流發(fā)電機不間斷電源無需再單獨購買不間斷電源，只要對數(shù)碼發(fā)電機的內(nèi)部結構進行改造即可完成相關的功能。如果對現(xiàn)有的交流數(shù)碼發(fā)電機進行改造，利用其內(nèi)部的逆變器實現(xiàn)在市電斷電情況下，把蓄電池存儲的直流電轉換成交流電供負載使用，可以大大節(jié)約投資成本，無需單獨購買不問斷電源，避免重復投資和資源浪費。

　　1目前市場上的數(shù)碼交流發(fā)電機的結構簡介

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

　　圖1是現(xiàn)在市場上的數(shù)碼發(fā)電機的內(nèi)部結構簡圖。交流斷電時，啟動發(fā)電機模塊1，通過控制步進電機控制油門6的大小，由控制／驅動模塊5去控制發(fā)電機的輸出電壓，使其整流模塊2的輸出電壓滿足在380V±20V范圍內(nèi)，表示發(fā)電機啟動成功，然后由逆變模塊3進行逆變， 輸出經(jīng)過LC濾波模塊4向負載提供220V±2%的交流電壓。發(fā)電機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)電機啟動的這段時間里，發(fā)電機對負載的供電是中斷的。因此現(xiàn)在市場上的數(shù)碼發(fā)電機沒有達到對負載供電零中斷的功能。

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

　　該設計提供一種能夠利用交流數(shù)碼發(fā)電機改造成不間斷電源的方案，對現(xiàn)有的數(shù)碼交流發(fā)電機進行改造，重新進行設計，利用發(fā)電機內(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，一邊由蓄電池的直流電通過逆變器轉換成交流電供負載使用，實現(xiàn)無論市電正常還是異常，系統(tǒng)對負載提供不問斷電源，同時再設計對市電進行穩(wěn)壓、穩(wěn)頻、輸出零切換、蓄電池的充放電管理等新功能，實現(xiàn)對負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)部的單片機檢測市電的輸入電壓，當市電輸入電壓在220V±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， 經(jīng)過逆變器逆變成AC220V±2％輸出正弦波電壓給負載供電。步進電機通過光耦與經(jīng)過全橋整流的輸入交流市電相連，當光耦處于“開”狀態(tài)時，表示交流市電在正常的范圍內(nèi)，當光耦處于“關”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，當蓄電池提供的直流電壓經(jīng)過DC／DC升壓后的電壓為360V，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)，同時步進電機控制器發(fā)出信號啟動發(fā)電機，步進電機油門控制器控制發(fā)電機油門大小，當檢測到發(fā)電機的輸出電壓在380V±20V時，表明發(fā)電機啟動成功，則系統(tǒng)就通過電子轉換開關切換到由交流發(fā)電機給負載供電。

　　2．2系統(tǒng)的整體設計

　　交流發(fā)電機不間斷電源，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)電機模塊、步進電機的油門控制以及其發(fā)電機的控制／驅動模塊。

　　圖2是改造的數(shù)碼交流發(fā)電機不間斷電源系統(tǒng)電路結構示意圖。

　　下面對圖2交流發(fā)電機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)電機模塊8，步進電機，油門控制11以及其發(fā)電機的控制、驅動模塊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DC360V的經(jīng)過逆變模塊4進行逆變， 經(jīng)過LC濾波模塊5輸出220V±2％的交流電。輸入市電正常時，由上述過程給負載供電；當市電不正常時，系統(tǒng)自動啟動發(fā)電機模塊8，在發(fā)電機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)向負載提供零中斷的交流電。發(fā)電機的啟動過程中通過控制步進電機控制油門11的大小，由控制驅動模塊10去控制發(fā)電機的整流輸出電壓大小，當發(fā)電機發(fā)出的電壓經(jīng)過整流模塊9后的電壓大于360V時，表示發(fā)電機啟動成功，由發(fā)電機給負載提供交流電源，實現(xiàn)對負載供電的不中斷。在主控模塊7檢測到市電正常后，再由發(fā)電機供電切換到市電供電。在發(fā)電機供電切換到市電時，要進行相位檢測與跟蹤，采用移相技術，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、發(fā)電機向市電的切換中，系統(tǒng)對負載的供電都是零中斷的。

　　3結語

　　針對當前數(shù)碼發(fā)電機在啟動過程中對負載供電是中斷的，達不到對負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)電機結構的基礎上，進行重新設計，改變數(shù)碼發(fā)電機原有的軟、硬件結構，但保留內(nèi)部的逆變器，來組成交流發(fā)電機不間斷供電系統(tǒng)，實現(xiàn)對負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，不僅可以向負載提供不間斷的交流電，還對市電進行穩(wěn)壓、穩(wěn)頻，對負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行維護和更換。