毕业设计（论文）-基于Delta逆变的UPS研究.doc

青岛大学本科生毕业论文（设计）摘 要不间断电源（UPS）的发展状况及前景并分析其电路原理，着重对Delta逆变器串并联补偿技术进行了研究，其中简单介绍了Delta变换型UPS基本原理和主要电路,进一步分析了并联主逆变器和串联Delta逆变器在系统中的重要作用。同时对主逆变器和Delta逆变器的SPWM控制器在市电电压、电流和谐波波动的补偿背景下建立数学模型。利用Saber软件得到UPS整机工作的补偿波形, 通过对主逆变器和Delta逆变器的仿真结果的详细分析,从而判断Delta 逆变技术是否稳定可行。最后经过一段讨论，搭建出DSP系统。关键词 UPS Delta逆变技术 Delta逆变器 主逆变器 DSPAbstractThe development and prospects of uninterrupted power supply(UPS) and its circuit principle was reported, the analysis of Delta inverter parallel & series compensation techniques, in which the Delta UPS basic principle and head circuit was introduced. The operation models of the series parallel inverters SPWM controller are designed under the background of the compensation of the Electric Supply. Then through to the further analysis of the main inverter and Delta inverter with Saber, whether the Delta inverter technology is stable can be judged. At last, the DSP system of Delta UPS can be built after a short discussion.Keywords UPS Delta inversion technology Delta inverter main inverter DSP 32目 录前 言3第一章不间断电源（UPS）41.1 UPS的发展概况41.2 UPS的发展趋势51.3 UPS的分类及工作原理61.3.1 后备式UPS（Off-line UPS）71.3.2 在线式UPS（On-line UPS）8第二章Delta逆变技术132.1 高频主逆变器142.1.1 主逆变器工作原理142.1.2 主逆变器仿真策略162.2 Delta逆变器172.2.1主逆变器工作原理182.2.2 Delta逆变器仿真分析192.2.3 UPS整机仿真分析202.3 Delta变压器202.4 DC电容器202.5静态开关212.6对UPS电路理解需注意的几点问题212.7本章小结21第三章基于DSP的Delta型UPS控制电路设计223.1 DSP控制单元的组成与基本原理223.2 控制芯片的选择及其性能233.3 TMS320LF2407的外围电路设计243.4 DSP主控子系统253.4.1电压电流信号调理电路253.4.2 A/D转换电路253.4.3 实时时钟电路263.4.4 保护控制信号电路273.4.5 50Hz标准信号发生器与同步电路283.5 辅助电源子系统293.6 主程序流程图293.7 本章小结30谢 辞31参考文献32前 言UPS，即不间断电源，是一种含有储能装置，以逆变器为主要组成部分的恒压恒频的不间断电源。主要用于给单台计算机、计算机网络系统或其它电力电子设备提供不间断的电力供应。当市电输入正常时，UPS 将市电稳压后供应给负载使用，此时的UPS就是一台交流市电稳压器，同时它还向机内电池充电；当市电中断（事故停电）时，UPS 立即将机内电池的电能，通过逆变转换的方法向负载继续供应220V交流电，使负载维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏。UPS 设备通常对电压过大和电压太低都提供保护。随着UPS的大量使用。这些UPS所产生的谐波对电网造成的危害越来严重，并引起了人们前所未有的关注。实际的市电电网因为各种各样的用电器越来越多,其中绝大部分都是非线性负载,这无疑给电网带来了大量的谐波以及其它公害,例如:功率因数低下、波形畸变、浪涌等,使供电的质量越来越差。为了保证电网和用电设备的安全经济运行。在许多国家和地区谐波限制标准已经制定或正在制定中。我国于1986年制定了供用电网谐波国家标准。2000年起之行为更为严格的IEC100032标准。在这种背景下，人们开始对造成谐波污染的整流装置进行了大量的研究。许多新的整流技术不断被提出来，以实现低谐波，高功率因数。Delta变换UPS就是在上世纪末发展起来的新一代UPS系统。这种UPS系统融合当时国际UPS市场上独一无二的Delta逆变技术的，保留了传统双变换UPS的优点，克服了传统的双变换UPS的缺点，适用于高可靠性、集中供电环境，满足了用户对UPS电源提出的高性能、低寿命周期总成本的要求。可以说是目前比较理想的UPS系统。Delta型UPS结构能够满足新的需求，无疑是今后发展的一个方向。但是，Delta型毕竟是一种以前未曾出现过的全新的电路形式，是一种新生事物，性能再好，也需要有一个认识过程和接受过程。我国以清华大学为代表的许多大专院校和研究机构都已开始对该种电路展开全面而深入的研究，并已有许多论文见诸于各种有关杂志，已经被UPS制造商广泛接受，被UPS用户广泛采纳。第一章 不间断电源（UPS）1.1 UPS的发展概况UPS可按其动力源分为两个显著的发展阶段：1、飞轮式：在使用电池的时代之前，不间断电源曾经使用飞轮和内燃机为负载提供电能供应，这种不间断电源被称为飞轮式或旋转式不间断电源。飞轮式不间断电源由整流器、直流电动机、飞轮、柴油机（或汽油机）及发电机等组成。在电网供电的情况下，由整流器提供的直流电驱动电动机带动飞轮旋转，并且带发电机为负载供电。由于飞轮的惯性作用，发电机转速可以保持均衡，此时不间断电源起过滤电网干扰的作用。当电网断电后，飞轮继续带动发电机的转子旋转，同时启动柴油机带动发电机发电，替代原有电网为负载供电。由于飞轮式不间断电源使用内燃机提供电力，会产生较大的噪音同时体积也较大，因此目前一般仅被用于应急情况和一些自然状况恶劣的场合，通常情况下不间断电源会使用蓄电池来提供电力。2、蓄电池式：自二十世纪六十年代美国通用电气公司研究生产不间断电源以来，不间断电源一直在被改进，但是其基本原理没有重大变化。现代的不间断电源由电池组、逆变器和控制电路组成，一端连接电网另一端连接电器负载。在电网电压正常的情况下，不间断电源利用电网电源为自身充电，在电网出现异常的时候，不间断电源将存储于电池中的电能释放，供负载使用。它按工作方式通常分为在线式和后备式（亦称为离线式）两种；按输出波形可分为正弦型、近似正弦型（用阶梯方波来拟合正弦波）等。自从UPS问世以来，经过了几个阶段：开始的服务对象是计算机，电路形式也只是传统双变换型。其不足之处是效率太低，不能充分利用市电，即在ON-LINE工作模式下即使输入电压非常稳定，UPS也必须进行两次变换后才能将能量送出，在两次变换中无谓地损失了一部分不该损失的那部分能量，降低了效率，增加了机器的发热量，从而增加了机器的故障率，降低了可靠性：又由于其输入电路结构所致，使得输入功率因数很低，对电网造成了很大的干扰。在线互动式UPS的出现为提高系统的效率开辟了一条新路，它不但充分利用市电，而且由于省掉了笨重而耗电的整流充电器，将整机效率提高了一个新水平，一般在95以上。不过这种电路的不足之处是输出电压稳定度一般不如传统双变换型高。以上两种结构UPS的潜力都己达到了极限，串并联调整电路的推出，打破了这个长期以来无法解决的问题，而且在一些关键指标上还有突破，主要表现在：1输入功率因数高。输入功率因数可做到0991，这意味着谐波电流非常小(3)，对电网的干扰小，对输入市电的利用率高，达到了绿色电源的要求。2双向隔离干扰的能力强。除了一般的高频滤波器外，更有构成电流源的Delta逆变器。众所周知，理想的电流源内阻相对负载是无穷大，即对于干扰电流来说是“此路不通”。不论是输入还是输出端的干扰，都在这里被阻断了。3输出功率大。在交流市电情况下，一般传统双变换UPS只能输出80额定的有功功率，而串并联调整式UPS却能够给出100的有功功率，即kW=kvA值。原因是它的逆变器和主回路一起可以提供200额定容量值。因此它具有过载200lmin的能力，这是已往各种UPS无法比拟的。4效率高。串并联调整式UPS的效率高达97，而一般传统双变换UPS做到94就已经很不容易了。也有少数双变换UPS采用了经济运行方式，其效率虽然也可达到97，不过此时的供电电压质量已无法保证，因为经济运行方式是在市电电压维持在一定范围时(一般在5)，负载经旁路直接由市电供电，此时已经是后备供电方式，对来自电网干扰的隔离性当然不如在线式。这就是用牺牲性能的方式换取效率，而串并联调整式UPS就没这些弊病。5故障率低。由于串并联调整式UPS不像传统双变换UPS那样，两个变换器都通过100的负载功率，而是最大才通过20的负载功率，功率小了发热量就低，故障率当然就降低了。6电流峰值系数大。电流峰值系数大于5：1，这就意味着对冲击负载的适应能力更强，而传统双变换UPS的电流峰值系数一般才3：1。1.2 UPS的发展趋势 随着科学技术的不断发展及其在实践中的逐步应用，可以预见：今后UPS电源将向着高频化、数字化、智能化、网络化、和大容量单机冗余化的方向发展。1电压串并联补偿高频双向逆变技术使用电压串并联补偿高频双向逆变技术(Delta逆变技术)的典型产品是APC公司的Silcon系列大型UPS，Delta逆变技术保持了传统双变换在线式UPS的全部高性能输出指标的同时，对电网适应能力和输出能力两个方面有了重大改进和突破，真正实现了零转换时间和高输入功率因数，大大降低了对电网的污染程度。电路结构采用串并联的高频双向变换技术。虽然传统在线式的技术已经非常成熟，但由于本身带有许多无法突破的问题，发展受限。高频化概念的引入，给UPS的发展带来了许多新的思路和空间，随着高频技术和器件的发展，3KVA及以下的高频率在线式UPS的技术和产品己经成熟，其功能和可靠性均应高于传统UPS，高频率对于减小体积、降低成本，以及对非线性负载有更好的响应上起着重要的作用。在技术先进的国家，用高频双向变换技术和串并联电路形式构成的用户电力调节装置和UPS已经形成商用化产品，而在我国，这些产品尚处在起步研究阶段。中国电源协会的专家认为，该技术具有有功补偿(交流稳压)、无功和谐波补偿、储能调节等多项功能，是用户电力综合调节装置(Custom Power)、不停电供电系统(UPS)和交流稳压装置(AVR)的最新电路技术和发展趋势。2数字化UPS的核心部分控制部分，以前采用模拟方法，后来采用以单片机为主的MPU(如美国APC(Silcon)及目前大多数公司的产品)，仅限于诸如逻辑控制，系统运行数据纪录以及通信和显示，而诸如高频功率交换等控制仍依赖于运算放大器电路。随着DSP芯片的发展，使得各种高性能的先进控制算法得以实现，使UPS电源的数字化程度越来越高，这不但减轻了UPS的重量，而且可以增加UPS的抗干扰性和稳定性。专家认为：未来的UPS其MCU主流是DSP，其电路结构的必然趋势是采用串并联补偿式。3智能化微处理器在UPS上的应用，过去只在大、中型UPS上来用，近年来已逐渐向小型、微型UPS方面发展，其结果是UPS的智能化发展，包括控制、检测、通信。UPS逐渐由计算机管理，并且计算机及外设能“自主应付一些可能预见到的问题，能进行自动管理和调整，并能将有关信息通过网络传递给操作系统或网络管理员，便于进行远程管理。4网络化把UPS作为网络家庭一个成员的要求越来越迫切，因为它是网络能正常运行的基础。要求UPS拥有更大的蓄电量，可以同时为多台计算机或其它外设服务，并能够通过某种机制达成负载之间的动态配置。5大容量单机冗余化由于网络对UPS可靠性的要求越来越高，而解决可靠性的途径除要求元器件本身高可靠性外，就是用冗余的方法。小容量UPS的单机内冗余已出现，而大容量的UPS目前还必须通过并机的方法实现。但这样做又会使用户投资太大，毫无疑问，使用Internet技术监控的UPS系统将成为未来UPS技术的主流之一。另外，自动化、监控软件多平台与监控远程化、并机运行、大功率、功率因数校正等技术也是未来UPS的发展趋势。因此，如何定位UPS的研究方向，如何提高国产UPS的科技含量和技术竞争力，已成为急需解决的重要科学问题。解决各种供电质量问题的方法，就是采用“串并联补偿式UPS，尤其在国防应用上，该类型UPS更有其广泛的应用前景，因为雷达、通讯、航空航天各种信息及数据的重视程度非常高，对供电系统的可靠性、冗余性和系统性有着更高的要求。1.3 UPS的分类及工作原理UPS电源系统由4部分组成：整流、储能、变换和开关控制。其系统的稳压功能通常是由整流器完成的，整流器件采用可控硅或高频开关整流器，本身具有可根据外电的变化控制输出幅度的功能，从而当外电发生变化时（该变化应满足系统要求），输出幅度基本不变的整流电压。净化功能由储能电池来完成，由于整流器对瞬时脉冲干扰不能消除，整流后的电压仍存在干扰脉冲。储能电池除可存储直流直能的功能外，对整流器来说就象接了一只大容器电容器，其等效电容量的大小，与储能电池容量大小成正比。由于电容两端的电压是不能突变的，即利用了电容器对脉冲的平滑特性消除了脉冲干扰，起到了净化功能，也称对干扰的屏蔽。频率的稳定则由变换器来完成，频率稳定度取决于变换器的振荡频率的稳定程度。为方便UPS电源系统的日常操作与维护，设计了系统工作开关，主机自检故障后的自动旁路开关，检修旁路开关等开关控制。在电网电压工作正常时，给负载供电，而且同时给储能电池充电；当突发停电时，UPS电源开始工作，由储能电池供给负载所需电源，维持正常的生产；当由于生产需要，负载严重过载时，由电网电压经整流直接给负载供电。按照逆变器在UPS中的作用，习惯性地将UPS分为两大类：后备式UPS和在线式UPS。1.3.1 后备式UPS（Off-line UPS） 一种价格低廉，仅能满足一般客户要求的普及型UPS电源。由于性能的限制，出于市场的考虑，容量一般只有0.52KVA左右。在正常市电时，市电通过转换开关直接为负载供电，同时给蓄电池充电，此时逆变器不工作、不输出功率。在市电中断时，逆变器开始工作，将蓄电池的直流电压变换成交流电压，通过转换开关的切换为负载供电。由于逆变器处于后备状态，工作于此种方式的UPS成为后备式UPS。后备式UPS的特点：（1） 市电正常时，由于逆变器不输出功率，市电利用率很高，可达98%以上。（2） 对电能质量的改善作用不大。（3） 市电中断时，转换时间较长，一般在4ms到10ms。（4） 结构简单、成本低、在小功率和指标要求不高的UPS中有广泛的应用。 图1.1 后备式UPS原理框图如GB、IEC、EN等标准所言，后备式UPS电源的功率变换主回路的构成比较简单，主要由滤波电路和电池充电与逆变电路组成，滤波电路可对市电中的干扰 起到一定的抑制作用。市电正常时，UPS一方面通过滤波电路向用电设备供电，另一方面通过充电回路给后备电池充电。当电池充满时，充电回路停止工作，在这种情况下，UPS的逆变电路不工作。当市电发生故障，逆变电路开始工作，后备电池放电，在一定时间内维持UPS的输出。可见UPS存在一个从市电供电到电池供电的转换过程，这种转换一般是通过继电器来实现，因此会有转换时间，切换期间UPS的输出会出现瞬间掉电的现象。不过转换时间很短，一般小于 15ms，并不会影响到普通计算机的正常工作，但对于服务器等高端设备来说，后备式UPS的供电质量是远远不够的。出于成本考虑，后备式UPS电源工作在逆变状态时输出电压波形失真比较大，普通后备式UPS输出波形 是方波或梯形波，部分高档产品的可以实现准正弦波输出。后备式UPS电源由于在市电供电时不使用变换器，因此具有很高的效率，这一点是显而易见的。1.3.2 在线式UPS（On-line UPS）当市电正常时，AC/DC电路将输入交流电压转换为直流电压，当市电中断时，电池电压通过DC/DC 电路升压，转换为直流电压；直流电压通过逆变器DC/AC电路逆变成交流电压，作为UPS的输出。因此无论是市电供电正常时，还是市电中断由电池逆变供电期间，逆变器始终处于工作状态。在线式UPS可分为在线互动式UPS、双变换在线式UPS和双变换电压补偿在线式UPS几大类，其中在线式双变换UPS，即标准所定义的双变换UPS（Double Conversion）这种UPS采用双变换模式。市电正常供电时，交流输入经AC/DC变换转换成直流，一方面给蓄电池充电，另一方面给逆变器供电，逆变器自始至终都处于工作状态，将直流电压经DC/AC逆变成交流电压给用电设备供电。 在线式UPS具有极其优越的电气特性：由于采用了AC/DC、DC/AC双变换设计，可完全消除来自于市电电网的任何电压波动、波形畸变、频率波动及干扰产生的任何影响。UPS逆变器向负载提供毫无干扰的高质量的纯洁正弦波电源。1.3.2.1 在线式互动式UPS 部分厂家称为准在线式UPS电源（标准强调为避免呼啸，禁止使用“在线”术语），市电供电在一定范围内时，UPS认为电网基本正常，交流电通过工频变压器直接输送给负载；当市电超出上述范围，但在150276V之间时，UPS通过逻辑控制，驱动继电器动作，使工频变压器抽头升压或降压，然后向负载供电。若市电低于150V或高于276V，UPS将启动逆变器工作，由电池逆变向负载供电。在市电在 150276V之间时，身兼充电器/逆变器的变换器同时还给电池充电，处于热备份状态，一旦市电异常，马上就转换为逆变状态，为负载供电。在线互动式UPS的特点如下：（1）由于市电正常时，双向变换器不向负载供电，所以市电利用率较高。（2）变换器位于输入端，对输出电压的尖峰干扰有抑制作用。（3）市电中断时，在线互动式UPS的转换时间要远远小于后备式UPS，大约在2ms左右。（4）利用变换器为蓄电池充电，具有较强的充电能力。（5）结构简单、成本较低，适用于5KW以下的中小功率UPS图1.2 在线互动式UPS原理框图互动式UPS与后备式UPS的区别是，变换器时刻处于热备份状态，市电/逆变切换时间比后备式要短。相对在线式UPS而言，它的电路实现简单，带来的是生 产成本的降低和可靠性的提高，另一方面这类产品在市电供电时也不存在AC/DC、DC/AC的转换，使整机效率有所提高。但是，在电网电压正常时，由于它 是直接通过工频变压器供电给负载，所以负载使用的同样是充斥着谐波和尖峰的交流电，不利于高端设备的使用，市电逆变切换时，也存在切换时间在线互动式UPS（图1.2）的主电路为双向变换器，在市电正常时，双向变换器工作于整流状态，对蓄电池进行充电，但变换器并不直接向负载提供功率。市电交流输入是通过输入开关向负载供电的。在市电中断时，输入开关切断市电输入，与此同时，双向变换器工作于逆变状态，将蓄电池的直流电变换为交流电，向负载供电。1.3.2.2 双变换在线式UPS双变换在线式UPS（图1.3）主要由AC/DC变换器（整流器）、DC/AC变换器（逆变器）、静态开关和蓄电池组成。在市电正常时，整流器的输出电压作为逆变器的直流侧输入电压，同时向蓄电池充电。逆变器将整流器提供的直流电变换为交流电，向负载供电。当市电出现故障时，逆变器由蓄电池提供直流侧输入电压，逆变器继续向负载供电。所以，不管市电是否正常，均由逆变器向负载提供交流电。当逆变器过载或发生故障时，静态开关自动切换，由市电直接向负载供电。在线式UPS具有极其优越的电气特性：由于采用了AC/DC、DC/AC双变换设计，可完全消除来自于市电电网的任何电压波动、波形畸变、频率波动及干扰产生的任何影响。UPS逆变器向负载提供毫无干扰的高质量的纯洁正弦波电源；图1.3 双变换在线式UPS原理框图双变换在线式UPS的特点如下：（1）不管市电是否正常，负载的供电全由逆变器来提供，可以保证高质量的电能输出。当整流器采用IGBT-PWM-DSP整流技术和功率因数校对电路时，输入功率因数可做到接近于1，输入谐波电流可降到3%以下。但是由于UPS的输出功率受到限制，对负载特性提出了限制，如负载电流峰值因数、负载功率因数和过载能力等。（2）在市电正常时，负载功率全由整流器和逆变器来提供，两个变换器的损耗将直接影响UPS整机效率。如表1.1所示，UPS的额定功率越低，UPS的效率越低。表1.1 双变换在线式UPS的额定功率与UPS的整机效率的关系UPS的额定功率（kVA）UPS的整机效率（%）1009092（3）在市电中断时，直接转换为由蓄电池提供逆变器所需的直流侧输入电压，所以转换时间几乎为零。而在逆变器发生故障时，静态开关的转换时间非常短，可以认为是由逆变器供电转换为由市电供电的转换时间也几乎为零。1.3.3 Delta变换在线式UPS也称第五类UPS，美国电力转换公司（APC）成功地将Delta变换技术应用到UPS中去，开发并向市场推出性能优越的Silcon DP300E系列在线式大功率UPS。通过高频变压器连接入输入电路的逆变器为“Delta”变换器，整个电路包括Delta变换器、主变流器、高频滤波器、静态旁路开关、静态主电路开关和50Hz信号发生器等环节。传统双变换器UPS，虽然已经应用了30多年，得到了人们的普遍认可，但传统双变换器UPS的整流器-逆变器-变压器结构，已成为当前发展趋势的阻力。一方面其串联调整增大了功耗降低了可靠性，另一方面输入整流器的输入功率因数只有0.60.8，谐波电流高达60%30%，工工作时对市电电网有污染。此外，目前大多数UPS的负载功率因数为0.8单一的负载功率因数可以减少成本，但却限制了UPS应用范围的扩大，只要负载的功率因数低于0.8就要使UPS降额使用。产生于20世纪末的Delta变换型UPS（图1.4）保留了在线双变换式UPS所有高性能指标，克服了在线双变换式UPS在对电网污染和输出能力方面的固有缺点，使其多项性能指标得到改善和突破：它是一种成功地将串联交流稳压控制技术与脉宽调制技术相结合而成的一种不间断电源。表1.2 技术指标对比表对电网污染和输出能力Delta变换UPS其他传统双变换UPS 输入功率因数 0.99 0.8 输入电流谐波 96% 92% 过 载 能 力 200% 1分钟120% 连续运行 150% 1分钟120% 10分钟 输出电流峰值系数 5:1 3:1 输出电流浪涌系数 不限 负载启动时转旁路 输出功率因数 +0.9 1 -0.6纯阻性负载 kW=kVA -0.7纯阻性负载 kW=0.7kVA 功率强度变 换 器 （一）变 换 器 （二）Delta变换UPS有功功率（输入）0-20%有功功率（输出）0-20%无功功率（输出）100%传 统 双 变 换 式有功功率（输入）100%无功功率（输入）100%有功功率（输出）100%，无功功率（输出）100%失真情况与负载的关系传统双变换在线式UPS本身产生严重的功率因数和谐波失真，PF=0.8 THDI=30%输入功率因数失真由UPS本身产生，当线性负载时，输入仍然失真Delta变换UPS有良好的谐波隔离作用既使负载有功率因数和谐波失真，输入功率因数仍保证为0.99，谐波成份5%(1)保留了双变换在线式UPS所有高性能指标，比如输出电压稳定度、负载动态响应、输出波形失真度、三相电压不平衡度，频率跟踪能力和频率稳定度、抗干扰能力等。(2)克服了双变换在线式UPS对电网的污染公害。Delta逆变器是一个正弦波电流源，相当于市电电网于负载之间的一个谐波隔离器，当负载有无功电流和高次谐波成分时，它可以全部隔离掉(实际是由主逆变器补偿掉)，使输入电流是与输入电压同相的正弦波，输入功率因数为099，谐波成分3)时，逆变器就很难再有多余的力量去承担了。而Delta变换型UPS在市电存在情况下，两个逆变器的最大功率强度仅为负载功率的20，整机效率高，功率器件损耗小，寿命长，可靠性高，有足够的功率余量去应付特殊的负载(冲击负载、瞬间负载等)。两种UPS相关技术指标对比可见表1.2。图1.4 Delta变换在线式逆变电路原理框图第二章 Delta逆变技术Delta 变换型UPS(如图5 所示) 的结构主要是由串联补偿变压器、Delta 逆变器、主逆变器、主静态开关、旁路开关以及蓄电池组等多部分构成。Delta 逆变器通过串联补偿变压器接在电路的输入端对市电输入量进行连续的监视和补偿,主逆变器在电路输出端与负载并联,对输出量进行连续的监视和补偿,与传统UPS 相比是一种双在线调整。原理电路框图如下：图2.1 Delta变换在线式UPS的原理框图Delta变换式UPS结构脱离出了传统双变换式由一个整流器和一个逆变器构成的格局，而改由两个高频双向变换器构成的系统，并采用了新的工作原理，从而实现了一些新的功能。高频双向变换技术，及以此技术用串并联补偿方法应用到UPS电路结构中去，可使UPS从根本上摆脱传统结构架式固有的局限性和束缚，多项性能指标得到改善和突破。在各种电路结构形式的交流稳压设备中，大都用电压补偿原理来扩大输出功率，增强设备的可靠性和输出能力，特别是线性电压补偿应用最广泛，技术发展也快，例如大功率接触补偿式交流稳压器，大功率无触点智能补偿型稳压器，无触点感应补偿型稳压器。不过在以往的电路和设备中，补偿电路多在基波(50Hz)频率下工作，补偿功能也仅限于对有功功率的补偿，所以设备体积偏大，补偿功能单一。随着新型高性能半导体器件(诸如IGBT管)和控制专用电路的出现和应用，以及新的高频双向变换电路技术的研制成功和实用化，使得电压补偿技术更趋于完美，功能多样化，新的电路结构和系统配置已经在电力综合调节装置，大型UPS，以及交流稳压设备中得到应用，在改进这些设备功能方面的效果是相当显著的。2.1 高频主逆变器高频主逆变器（有的文献里也称为Delta逆变器II）这是一个由IGBT构成的四象限脉宽调制变换器，它是一个固定的电压源，用来调整负载电压。其主要功能有：（1) 控制输出电压；（2) 给电池充电；（3) 市电故障而电池供电时，向负载供电。（4）输入端和输出端上的滤波器这两个滤波器被用来抑制由负载和变换器开关所造成的电压及电流的谐波分量，以避免输入和输出之间的相互影响。2.1.1 主逆变器工作原理主逆变器是一个用IGBT 做开关的单相全桥逆变器,可以双向4 象限工作,通过其输出低通滤波器在UPS 电路的输出端 点与负载并联。主逆变器的4个开关管IGBT ,组成H 桥逆变电路。分别与其并联对应的全桥电路四个开关管均为其续流二极管。主逆变器直流侧是备用电源蓄电池组和直流滤波电容 ,其中直流滤波电容起减少蓄电池动态阻抗和储存能量的作用。主逆变器采用SPWM 控制方式,用波形瞬时值比较法来检测市电电压的波动。市电电压与标准参考正弦波电压进行比较,检测出瞬时波动值,同时检测出电压波动值u 和谐波分量的增量数值、波形和极性。市电电压高于标准电压时,主逆变器进行负补偿,吸收功率并工作在整流状态。当市电电压低于标准电压时,主逆变器输出功率工作在逆变状态。主逆变器对输出电压波动及其谐波进行补偿时的检测和控制电路的原理图如下：图2.2 主逆变器对输出电压波动及其谐波进行补偿时的检测和控制电路的原理图假设输出电压的波动归一化到输出电压的谐波，输出电压可认为是基波电压和谐波电压的合成，即 式子中基波电压基波电压的幅值谐波电压谐波电压的幅值 从图2.2可以看出，标准参考正弦波电压是与市电电网同步的标准正弦参考电压,用表示=从图2.2可以看出SPWM调制波指令信号是用输出电压减去基准正弦波电压，再减去基准正弦波电压，得：再将=带入上式令调制波信号的方程式为K为检测电压的变压器变比。假设载波幅值为，调制信号调制比为主逆变器的直流侧电源电压为，则主逆变器的输出电压经过低通滤波器滤除高次谐波后得到输出电压，令，得：由于主逆变器的输出电压与市电电压通过各自的平衡电感在UPS电路中并联后向负载供电，因此：得此式说明，主逆变器保持为纯净不变的稳压正弦电压。2.1.2 主逆变器仿真策略SABER是美国Analogy公司开发、现由Synopsys公司经营的系统仿真软件，是一种多技术、多领域的系统仿真产品，现已成为混合信号、混合技术设计和验证工具的业界标准，可用于电子、电力电子、机电一体化、机械、光电、光学、控制等不同类型系统构成的混合系统仿真，这也是SABER的最大特点。基于2.1.1所述控制策略,在SABER仿真环境下建立了系统的连续域仿真模型,并Delta 变换型UPS 系统中主逆变器单独作用时的工作特性进行了仿真研究。市电电压是标准相电压220V ,市电电压波动的范围在15 %;直流端接蓄电池组电压Ex = 400 V ; 直流侧电容的参数C3 =470F ;平衡电感参数分别选择L1 = 0. 5 mH ,L2 = 0. 5 mH ;阻性负载选用R = 20 ;感性负载时串联电感L = 500 mH ; 容性负载时并联电容C = 20F ;逆变控制载波比选用400 。图2.3 a 为市电变化时负载的电压波形, u-ref 代表参考标准电压曲线; u-load 表示负载电压曲线;u-high 表示市电电压升高的波形; u-low 表示市电电压降低时的波形。图2.3a 为市电掉电负载电压波形图,此时主静态开关自然关断,后备电源蓄电池组工作,负载将全部由主逆变器提供能量。可以看出负载电压曲线初始振荡,随后稳定输出标准正弦电压。市电电压波动的范围一般在15 %,当市电电压升高到峰值电压为350 V 和市电电压降低到峰值电压为250 V 时,其仿真波形图分别如图2.3b 、图2.3c 所示。图2.3 市电变化时负载的变化波形2.2 Delta逆变器这是一个由IGBT构成的四象限脉宽调制变换器，它是一个电流源，通过调整电池电压控制输入功率。其主要功能有：1)控制输入电流幅度和电流正弦波波形；2)控制电池充电；3)补偿输入输出之间的任何差值：4)调整输入功率因数。2.2.1 主逆变器工作原理其对市电电网输入电流进行补偿时的检测和控制电路原理图如下：图2.4 Delta逆变器对市电电网输入电流进行补偿时的检测和控制电路原理图 Delta 逆变器同主逆变器一样为单相全桥逆变器,也工作在双向4 象限。主逆变器的4 个开关管IGBT相分别对应的为其续流二极管。它通过其输出变压器的二次侧,在UPS电路的输入端与负载串联,主要用来消除市电输入电流的无功与谐波电流。当负载中含有非线性负载时,负载电流将会与市电电压不同相位, 并产生畸变。负载电流分别由基波有功电流、无功电流以及谐波电流所组成。公式如下:式中负载电流中的基波有功电流 负载电流中的基波无功电流 负载电流中的谐波电流总和的三个支路电流分别为：式中：脚标1代表基波，代表基波峰值。UPS 系统中提取检测出来的负载电流首先、经过第1 滤波器的滤除谐波电流ih ,将剩下的基波电流与基准正弦信号送入乘法器再将乘法器的输出信号经过第2 低通滤波器,其放大系数为p ,滤除2 次谐波以后,再与标准正弦信号进行乘法运算,令 ,可得:负载电流除去已经分离出来的基波有功分量,就得到Delta 逆变器的调制波指令信号,采用SPWM 控制电路进行控制,补偿市电输入电流中的无功与谐波电流。2.2.2 Delta逆变器仿真分析负载分别为阻感性负载( R = 10 , L = 0. 2H) 和阻容性负载( R = 10 ,C = 0. 2 F) 。见图2.5。图2.5为Delta 逆变器电流补偿波形, i-ref为相位标准波形; i-ind 为感性负载波形, 相位较标准有明显的滞后, 为感性负载所引起; i-cap 为容性负载波形, 电流相位超前; i-har 以3 次谐波为主,并且包含5 次, 7 次谐波的电流波形; i-com为经过Delta 逆变器补偿以后的电流波形, 从图2.5a , 图2.5b 中可以看出,经过Delta逆变器补偿以后的电流( i-com) 的相位与电源电压基准相位基本一致, 调整功率因数作用明显, 从而验证了Delta 逆变器的无功电流的补偿作用。图2.5c 中,以3次谐波为主的谐波电流,经过Delta 逆变器补偿为光滑正弦电流波形且与参考电流同相位,验证了Delta 逆变器对电流中谐波成分进行的补偿作用。图2.5 Delta逆变器电流补偿波形2.2.3 UPS整机仿真分析Delta 变换型UPS 是由Delta逆变器和主逆变器共同组成完成工作,使得对电压的控制和电流的补偿更加完善。Delta变换型UPS在电压有偏差,负载也不是阻性时同样起到调节作用,如图5所示,为同时调节功率因数和电压的波形(市电电压降低并且负载为容性负载时) ,使负载侧电压达到220V1%的要求,同时使电源侧的功率因数为1。分析比较Delta 变换型UPS在仅主逆变器对市电电压起调节作用和加上了Delta逆变器后整体对电压波形进行调整。发现后者要远远好过只有主逆变器单独工作时的电压波形。从图5中看出,在市电出现25%的偏差时,如果只有主逆变器工作,则电压的偏差值在15V 左右,是远远不能满足偏差1%的要求的, 但当主逆变器和Delta逆变器共同工作时, 电压偏差就降到了2V,在1%的要求范围内。图2.6 Delta型UPS整机仿真波形2.3 Delta变压器这是一个用于UPS输入输出之间的隔离变压器，UPS的所有输入电流都通过它。电流的波形、相位和幅度由Delta变换器控制。2.4 DC电容器这是一个跨接在电池组两端的电解电容器组。它一方面对直流总线上的高频电流纹波提供能量存储，另一方面也抑制了电池上的电压纹波，使其得到了保护。2.5 静态开关（1)静态开关由反向并联连接的两只可控硅组成；（2)这里有两个静态开关，一个是主回路上的主静态开关，一个是旁路上的Bypass静态开关：（3)Bypass静态开关的作用是在UPS过载或逆变器故障时，保证不间断地切换到电网供电：（4)主静态开关的作用是当电网故障转为电池供电时，UPS电压不反馈到电网上去。2.6 对UPS电路理解需注意的几点问题经过以上的具体讨论分析，最后再参照本章初的图2，注意以下几点：(1)50Hz标准信号与输入电压同步然后同时控制两个逆变器。(2)主逆变器通过电感直接与负载并连，控制电路并反馈输出电压，相当于一个稳压源，以便向负载提供纯净的正弦波电压(输入电压的变化通过Delta逆变器得到补偿)。(3)输入电压和输出电流的任何变化都首先在UPS输出端得到反映，通过主逆变器反馈并调整后体现为电池电压的变化(即与电池并联的电容上电压的变化)。(4)Delta逆变器的控制电路有两个反馈信号，首先是电池电压，用来控制电池电压的稳定和电池充电，同时也就接受了主逆变器对输入电压和输出电流的调整的信号：其次是输入电流，消除市电输入电流中的无功和谐波分量。(5)与电池并联的电容构成直流低通滤波器，在两个逆变器工作过程中使得电流的变化不影响电池的直流电压浮充电状态。(6)两个静态开关的工作状态不同，虽然它们都是由相互反向并联的可控硅组成。在市电正常时旁路静态开关是断开的，当输出过载或者逆变器发生故障时，控制信号同时加到两支可控硅的控制极。而主电路静态开关在市电正常时是导通的，市电掉电时进入断开状态，使得主逆变器电流不会向电网反灌。两支可控硅的控制信号在导通时是按输入电压的正负半周分别加上的，因为输入电压和电流没有相位差别，所以在市电掉电时不存在电流反灌的问题。2.7 本章小结本章首先简单介绍了Delta 变换型UPS 的组成和特点,并对系统中关键的主逆变器和Delta逆变器的工作原理以及电路进行了详细的分析。并且分别给出了补偿电压和补偿功率因数的仿真结果,最后得到UPS 整机工作的补偿波形,从而验证了Delta 逆变技术稳定可行。第三章 基于DSP的Delta型UPS控制电路设计3.1 DSP控制单元的组成与基本原理DSP控制单元的结构如图3.1所示。它主要分为如下4个单元：（1）以数字信号处理器（Digital Signal ProcessorDSP）为核心的处理系统；（2）模拟输入信号处理（LC滤波，电压电流信号调理，逻辑电平转换等）；（3）多通道模数转换；（4）键盘控制、参数控制。图3.1 DSP控制单元的组成框图原始输入与逆变后滤波输出的电压、电流信号经过适当变换，使之与模数转换器的输入范围一致。这些模拟量经过信号预处理和电平转换后，被送入DSP。DSP处理器将采集到的信号通过A/D转换、数值计算、判断处理，可以输出与上述PID控制算法相符的SPWM控制信号。本文的DSP采用TI公司的TMS320LLF2407A，该芯片为16位定点型高性能DSP，控制功能强大。28-30此外，该系统还可以根据测量到的输入信号判断是否发生欠压或者过电流故障。键盘控制可以设置、修改初始参数并控制UPS的运行；所测量参数由小型液晶显示器显示，根据需要，这些参数也可以由通讯接口传输到微机（PC），以便进行数据存储和进一步的分析，过压过流的保护以及电压电流的显示等。3.2 控制芯片的选择及其性能在过去的几十年中，单片机广泛应用于工业过程控制，并实现了简单的智能控制功能，但是对于类似于UPS的高速实时控制以及PWM控制算法的大运算量，单片机的处理速度显得太慢，难以同时满足控制的实时性与精度的要求。近年来，各种集成化的单片DSP的性能得到了很大的改善，价格却大幅度下滑，其性能价格比已经远远超过了高档单片机。DSP技术的发展为UPS控制单元的实现提供了前所未有的便利。设计DSP控制系统，选择DSP芯片是非常重要的一个环节，处理器的选择在很大程度上决定了数字控制器的性能和功能。只有选定了DSP芯片才能进一步设计外围电路及控制系统的其它电路。总的说来，DSP芯片的选择应该考虑到运算速度、片内硬件资源、运算精度及开发工具等主要因素，当然，还应该考虑到芯片的价格、供货情况、封装形式、质量标准等。目前，世界范围内生产DSP芯片的公司主要有TI （Texas Instruments）、Motorola，AD（Analog Device）及Hitachi，其中最成功的要数TI公司。TMS320LLF2407A芯片作为TI公司DSP控制器24x系列的新成员，是TMS320C2000TM平台下的一种定点DSP芯片，采用改进的哈佛结构，芯片内部具有两套分别独立的程序存储器总线和数据存储器总线改进型哈佛结构，使用四级流水线作业，因此具有高速运行的特点。与其它系列DSP相比，这种芯片在保留了低成本、低功耗、高性能等优点的同时，还具有处理性能更好（30MIPS）、外设集成度更高、程序存储器更大等特点，更适合于电机驱动、功率转换器和控制器。考虑到Delta型UPS控制单元的有关设计要求，中央处理器采用了TMS320LLF2407A芯片。主要性能如下：l 采用高性能静态CMOS技术，使得供电电压降为3.3V，减少了控制器的功耗。l 30MIPS的执行速度使得指令周期缩短到33ns（30MHz），从而提高了控制器的实时控制能力。l 片内高达32K字FLASH程序存储器，高达1.5K字的数据/程序RAM，544字双口RAM（DARAM）和2K字的单口RAM（SARAM）。l 可扩展的外部存储器总共192K；64K字程序存储器；64K字数据存储器；64K字I/O寻址空间。l 看门狗定时器模块WDT。l 控制器局域网络（CAN）2.0B模块。l 串行通信接口（SCI）。l 高达40个可单独编程或复用的通用输入/输出引脚（GPIO）。l 5个外部中断。l 电源管理包括3种低功耗模式，并且能独立将外设器件转入低功耗模式。l 提供C/汇编源代码调试器，可以在PC平台上运行，能对C和汇编语言源代码作调试。TMS320LLF2407A有一个专门的事件管理模块，提供了一整套用于控制应用的功能和特性。其内部包括三个通用定时器和波形发生器，可同时产生多达12路的比较/PWM波形输出（其中九路独立）；由三个具有可编程死区控制的全比较单元产生独立的三路比较/PWM波形输出（六路输出），由简单比较单元产生独立的三路比较/PWM波形输出（三个输出），以及由GP定时器比较单元产生独立的三个比较/PWM波形输出（三个输出）。TMS320LLF2407A的上述性能特点显示，它比常用的单片机等微控制器具有更快的速度、更强的实时信号处理能力、更完备的输入输出控制性能和数据处理能，能较好地满足UPS参数处理和变换器控制的技术要求，为变换变器控制系统的实现提供了一个理想的解决方案。3.3 TMS320LF2407的外围电路设计本系统的硬件设计采用模块化思想，把DSP芯片与必要的外围电路做成DSP最小系统，可以适应不同的外设需要，使用更加灵活。TMS320LLF2407A的外围电路主要包括四个部分（其示意图如图3.2所示）：1）支持DSP运行的程序存储器和数据存储器；2）模拟信号调理电路；3）输入/输出控制电路；4）键盘、液晶显示器等接口电路。图3.2 DSP最小系统示意图该控制系统中，大量的表格、初始化参数等需要预先保存，加上系统的运行与处理程序，TMS320LLF2407A内部自带的32KFlash存储器容量也足够使用了，因此不需要外部扩展ROM；但是调试程序的时候需要外部扩展RAM，本系统选用64K高速静态RAM CY7C1021V33，其存储时间为数ns级。数字量I/O控制是为了满足对外的控制而设计的。来自键盘输入等的各种命令通过I/O通道进入DSP，DSP输出的开关两控制信号也通过I/O通道送到驱动单元。键盘控制主要用来选择、修改相关参数或者执行开启UPS电源等命令；液晶显示主要是为了便于掌握UPS运行状态。3.4 DSP主控子系统3.4.1电压电流信号调理电路前端被测的交流高电压和大电流信号需要按一定比例转换为+5V的电压信号，使之与模数转换器的输入范围一至，供给下一级电路进行数据采集。电压传感器和电流传感器分别采用西南自动化研究所的无源交流隔离采样器（WBVS11E0，WBI411 D0）。该产品将被测交流电压、电流隔离转换成同频同相的交流电压信号；采用线性光电隔离（隔离电压大于1.5kV/min DC），确保控制电路与系统的电气隔离，以抑制环境的高频噪声；频率响应范围宽，共模拟制比为160dB；具有可持续2倍标称输入值得过载能力；精度等级为0.1%。后一级的比例放大电路用来把采样信号调整为适合A/D转换器采样的信号，并起阻抗变换的作用，有利于提高采样的精度。电路原理图如图3.3所示。图3.3 电压、电流信号调理电路低通滤波器由RC元件构成的无源滤波器完成，在图3.3中，Rl=1K ，C1=0.33F，此参数下RC滤波器的截止频率约为500Hz。3.4.2 A/D转换电路TMS320LLF240