（电力电子与电力传动专业论文）在线式ups高功率因数整流技术的研究.pdf

摘婴 a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c s ，m i c r o e l e c t r o n i c sa n dc o m p u t e r ，u n i n t e r r u p t i b l e p o w e rs u p p l y ( u p s ) w h i c hh a v eb e e nw i d e l yu s e di nb a n k i n g ，s e c u r i t i e s ，m i l i t a r y ，m e d i c a l ， a e r o s p a c ea n ds of o r t h ，a r ew i d e l ys e l e c t e df o rt h ep r o t e c t i o no fs e n s i t i v el o a d ss u c h a sp c ， c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa n dm e d i c a le q u i p m e n t s m e a n w h i l e ，h i g h p e r f o r m a n c ed i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ( d s p ) h a sb e e nr a p i dd e v e l o p m e n tm a d et h ed i g i t a lc o n t r o lm o r ep r e c i s ef o rt h eu p s t h u st h es t a b i l i t ya n dt h er e l i a b i l i t yo ft h ew h o l eu p ss y s t e mh a v eb e e ne n h a n c e d a d v a n t a g e st h i st h e s i sf o c u s e do nt h ev s r ( v o l t a g es o u r c er e c t i f i e r ) r e s e a r c ha n dt h e t e c h n o l o g yo ft h ep w m r e c t i f i e ri ss u m m a r i z e d i th a sc o m p l e t e dt h ef o l l o w i n gw o r k ： i 、i nt h i sp a p e r , t h es t a t u sa n df u t u r ed i r e c t i o no ft h eu p sa r ea n a l y z e d ，a f t e rt h a t ，t h e d e v e l o p m e n to ft h er e c t i f i e ra n dt h ec u r r e n ts i t u a t i o na n dw a y st oi m p r o v ep o w e rf a c t o r , o nt h i s b a s i s ，g i v e nt h eu s e - v o l t a g er e c t i f i e rt e c h n o l o g y 2 、t h r e e p h a s ev s rf r o mt h em a i nc i r c u i tt o p o l o g y , b a s e do nt h et h r e e - p h a s es t a t i c c o o r d i n a t es y s t e mr e c t i f i e rs y s t e mm o d e l i nt h em o d e ls y s t e mo nt h eb a s i so fan e w f o r f l o w a n a l y s i s ，ac y c l eo fs t e a d y s t a t ep o w e rg r i dt or u nw h e nt h et h r e e p h a s ev s ri sd i v i d e di n t o1 2 w o r k i n go nt h ec u r r e n ta n dv o l t a g ec o n t r o lo ft h eb a s i cp r i n c i p l e st of u r t h e ri m p r o v et h e i t s c o l l t r o lt e c h n o l o g yh a sap o s i t i v em e a n i n g 3 、t h ec h a r a c t e r i s t i cc h i pi st a k e ni n t oa c c o u n t ，i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，g i v e nt h ed i a g r a mo ft h e s y s t e ms o f t w a r e ，t h em a i nv o l t a g ea n dc u r r e n td e t e c t i o nc i r c u i t ，d r i v e rc i r c u i ta n dt h ep r o t e c t i o no f t h ec i r c u i td e s i g n i n t r o d u c e dt h ei m p l e m e n t a t i o no ft h es y s t e ms o f t w a r e ，g i v e st h ep w md r i v e a n da ds a m p l i n ga r i s i n gf r o mt h ep r o c e s s ，t h es y s t e m st i m i n ga n ds t r u c t u r eo ft h ei n t e r r u p t i o n ， a sw e l la st h ei m p o r t a n tp r o c e s sf l o wc h a r t 4 、m a t l a bs o f t w a r eu s e dt oc o n t r o lt h es i m u l a t i o nm e t h o d sa n dc o m p a r a t i v ea n a l y s i s t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ：i nt h i sp a p e r ，c o n t r o l ，p w mr e c t i f i e rc a nb eas t a b l eo u t p u tv o l t a g e d i r e c tc u r r e n t ，a tt h es a m et i m ec a nb ec l o s et ot h er e c t i f i e ri n p u tp o w e rf a c t o ro f 1 k e yw o r d s ： o n - - l i n eu p s ；t h r e e - p h a s ev s r ；p w mr e c t i f i e r ；p o w e rf a c t o r i l 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南昌大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：本善闩j 签字日期：1 。嘭年j 工月加日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南昌大学有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。本人授权南昌大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名( 手写) ：聋毛r 、j 导师签名( 手写) ： 签字日期：妒四年1 2 月妒日签字日期：妒g 年f ) 月 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 勃。u 7 乙 扣日 第1 幸绪论 第1 章绪论 1 1u p s 电源的研究现状与发展趋势 i i iu p s 电源的研究现状 随着信息技术的发展，u p s ( u n i n t e r r u p t i b l ep o w e rs u p p l y ) 广泛地应用于银 行、证券、军事、医疗、航空航天等众多领域，主要用于给个人计算机、计算 机网络系统或其它电力电子设备提供不问断的电力供应【i j 。当市电输入j 下常时， u p s 将市电稳压后输出给负载，此时的u p s 相当于一台交流市电稳压器，同时 它还向机内蓄电池充电；以保护一些对供电敏感的负载如电脑系统、通讯系统、 医疗系统等。对于u p s 性能的优劣，影响着整个系统工作。近年来，由于高性 能数字信号处理器( d s p ) 的飞速发展，也令u p s 的数字化控制更加精确，从而提 高了整个u p s 系统的稳定性与可靠性。 初期的不间断电源装置，不是采用功率开关器件组成的变换电路来转换电 能，而是采用柴油发电机来实现电能的变换，也把这种不问断电源装置称为动 态式u p s l 2 1 。这种u p s 的缺点也是显而易见，就是整机笨重、效率低、噪声大、 操作控制不灵活、输出的电压波形不平滑，同时由于存在着转换时间，不能及 时响应，会中断负载的供电。 由功率开关器件组成的电力变换电路来实现电能的转换，实现连续向负载 供电，这种不问断电源装置称为静止式u p s 。传统的静止式u p s 多采用模拟电路 来实现其复杂的控制功能，这种控制方式虽然可以实现u p s 的基本功能，但存在 着集成度不高，控制参数一旦确定就很难调整以及智能故障诊断困难等问题1 3 j 。 为了减少电子仪器输入端谐波电流造成的噪声和对电网产生的谐波“污染”， 保证电网的可靠供电质量，提高电网的可靠性；同时为了提高输入端的功率因 数，以达到有效的利用电能，必须把电子仪器的谐波限制在一定范围内【3 】1 4 。目 前，国际电工委员会( i n t e m a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ，i e c ) ，欧洲电工 技术标准委员会( e u r o p e a nc o m m i t t e ef o re l e c t r o t e c h n i c a l s t a n d a r d i z a t i o n ， c e n e l e c ) 和美国i e e e ( i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a l & e l e c t r o n i c se n g i n e e r i n g ) 对谐波的 第1 章绪论 限制都制定了相应的标准。 u p s 在6 0 年代主要是旋转发电机式的工作方式，发展至今天已成为具有智 能化程度较高的静止式全电子电路的工作方式。目前，u p s 一般均指静止式u p s ， 按其工作方式分类可分为后备式、在线互动式及在线式三大类【”。 后备式u p s 在市电正常时直接由市电向负载供电：当市电超出其正常的工 作范围或停电时通过逆变电路，将蓄电池中存储的化学能转化成电能向负载供 电。其特点是：结构简单，体积小，成本低，但输入电压范围窄，输出电压波 形稳定精度差，且有切换时吲酬。 在线互动式u p s 在市电正常时与后备式u p s 相同，也是直接由市电向负载 供电，此时u p s 的逆变器处于反向工作给电池组充电；在市电异常时逆变器立 刻投入工作，将电池组电压逆变为交流电压输出给负载。其特点是：有较宽的 输入电压范围，噪音低，体积小等优点，但同样存在切换时间。 在线式u p s 在市电正常时，对市电进行整流提供直流电压给逆变器工作， 由逆变器向负载提供恒压、恒频交流电；在市电异常时，逆变器由蓄电池提供 能量，由于逆变器始终处于工作状态，从而保证无间断的输出。其特点是，有 较宽的输入电压范围，无切换时间，且输出电压稳定精度高，特别适合对电源 要求较高的场合，但是成本较高，目前，功率大于3 k v a 的u p s 几乎都是在线 式u p s ，本文所研究的u p s 便属于在线式u p s l 7 1 。 微电子集成技术的发展为电力电子控制技术提供了新的思路，由最初的分 立元件发展到集成电路、大规模集成电路再到后来的微处理器的出现，都为u p s 的控制技术带来了极大的便利。但是，由于早期的微处理器的运算速度有限， 通常只具有基准正弦信号的生成，难以控制u p s 的静态开关以及实现保护和显 示等功能，所以作为u p s 的核心逆变器早期仍然需要靠模拟电路控制【8 】。 1 1 2u p s 电源的发展趋势 近年来，t i 、m o t o r o l a 等公司相继推出了适用于u p s 控制的d s p 芯片， 且功能越来越完善，性能也越来越优越，这些芯片的出现，使得u p s 的控制技 术朝着数字化、智能化及系统集成化的方向发展，同时对电力电子技术的发展 起到了巨大的推动作用。 随着信息技术的发展，高速数字信号处理芯片( d s p ) 的出现，使得数字化的 2 第1 章绪论 控制在更广阔电z 己控制领域中应用有了可能性，也成为主要发展趋势之一1 9 。 d s p 与一般微处理器的区别主要就在于指令处理速度极快、指令功能精简强 人，并且其中非常适合于控制领域的d s p 芯片有着斗二富的外围模块，i j 以大大提 商系统的集成度。总之，有了高速数字信号处理心- h ，1 1 - 的支持，采用数# 化的控 制策略，不仅可以较好的解决模拟控制里的有关问题，而且还增加了模拟控制 t ，很难实现的一箩譬控制功能，把数字信号处理芯片( d s p ) 引入u p s 主要f 虻点有： ( 1 ) 数字化控制可采用先进的控制方法和智能摔制策略，使得u p s 的智能化 程度更高，性能更加完美【1 0 l 。智能化控制代表了自动控制的最新发展l j 介段，继 承了人脐的定性、变结构、自适应等思维模式，也给电力电子控制带来了新的 活力。在高频开关工作状态下，逆变电源的模型更加复杂化，模拟控制或经典 控制理论都难以达到良好控制效果，而采用先进、智能化的数字控制策略，就 u j 以从根本上提高系统的性能指标； ( 2 ) 控制灵活，系统升级方便【1 1j 。数字控制系统的控制方案体现在控制程序 i - ，而不必对硬件电路做改动，一旦相关硬件资源得到合理的配置，只需要通 过修改控制软件，就可以提高原有系统的控制性能，或者根据不同的控制对象 实时、在线更换不同控制策略的控制软件； ( 3 ) 控制系统可靠性提高，易于标准化1 1 习。由于数字控制的高可靠性，必然 使得整个控制系统可靠性的提高，而且可以针对不刷的系统( 或不同型号的产 品) ，采用统一的控制板，只需要对控制软件做一些修改，即可达到相应的控制 效果，这对生产厂家而言是有着巨大的吸引力的； ( 4 ) 系统维护方便【1 3 j 。系统一旦出现故障，可以很方便地通过r s 2 3 2 或r s 4 8 5 接口或u s b 接口进行调试，故障查询，历史记录查询，软件修复，甚至控制参数 的在线修改、调试。这样就可以以较低的成本完成自我校j 下及远程服务，给， 家的售后服务带来了极大的方便； ( 5 ) 系统一致性好，成本低，生产制造方便【l 引。由于控制软件不会像模拟器 件那样存在差异，所以对于同一控制程序的控制板，其一致性是很好的，也没 仃模拟系统中模拟器件调试带来的个体差异性问题，那么同一控制板的一致性 就会比模拟系统高很多。采用软件控制，实现硬件软件化，使控制板的体积大 大减小，生产成本大幅度下降； ( 6 ) 易于组成并联运行系统。d j 于单位u p s 系统均是数字控制，有相应的控 制变量代表系统中的状态量，那么就可以较方便地获得所需要的信息，利用相 3 第1 章绪论 随的算法实现u p s 的j f 联运行系统。 目前，d s p 的h ：能已经得到了很大的发展，例如提高了机器周期速艘并增 强了程序设计指令装恳。成本更低、性能更高的d s p 控制器为u p s 设计提供了 一个改进的、高性价比的解决方案，同时d s p 控制技术可以满足先进的f - 源拓 扑 乜路的工作需求。随着用户对电源保护的要求越来越严格，在线式u p s 产品 也得到了很大的发展此时改进u p s 工作状况不再足设备的工作模式，| f ，f j 是从 集成化的角度来替换由电容、电阻和二极管等基本器件组成的模拟电路设计方 案，也就是应用d s p 技术来改善在线式u p s 设计，这样做的好处是使得集成化 程度更高，系统控制 更精确，升级更加方便；d s p 高速的处理速度，也使得数 字p i d 控制、无差拍控制、重复控制、模糊控制以及神经元网络控制等先进的 控制方法得以实现。 f j 前，u p s 正朝着网络化、智能化、自动化、远程监控化和数字化的方向 发展。 ( 1 ) u p s 的网络化 网络时代的u p s 产品已经由独立的外设产品发展成为整个计算机和网络系 统不可分割的一部分，除了要求u p s 产品可方便地接入网络和计算机，有些还 要要求其能够实现与网络和计算机间的双向数据通讯。为实现网络连接，目前 大多数的u p s 产品都提供了r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 通信接口，对于要求能执行计算机 网络控制管理功能的u p s 来说，还配置了s n m p ( s i m p l en e t w o r km a n a g e m e n t p r o t o c 0 1 ) ，简单网络管理协议卡，实现了u p s 设备接入网络和计算机系统中1 1 4 l 。 ( 2 ) u p s 的智能化 早能化的u p s 一方面实现了设备运行过程中自我状态的监控，对一些故障 现象进行预处理，使u p s 始终平稳可靠地运行，同时也实现了计算机和网络与 u p s 之间的双向数据通讯，用户可以在计算机和网络中的各个结点上实时监视 和控：剐u p s 电源的运行。利用这种控制功能，用户可以实时监视u p s 电源的运 行参数( 例如：输入输出的电压，电流和频率，u p s 的电池组的充电放电和电池 的电压值，u p s 的输出功率及有关的故障报警信息1 ，实现计算机和电源的互动。 ( 3 ) u p s 的自动化 闩动化是指u p s 电源自动完成一些自我检测、开关机控制、故障保护后的 自动恢复，无需过多的人工干预。u p s 的自动化是实现网络化和保证系统高可 用的t 匡要因素。 4 第1 章绪论 ( 4 ) u p s 的远程监控化 由于未来网络的广泛化和全球化，必然带来网络的复杂化，多种形式的网 络系统连接在一起。作为网络系统的一部分，要求u p s 电源能够实现在各种网 络平台上的监控。因此目前像a p c 公司的u p s 监控软件都提供了多平台支持。 实现远程化监控是u p s 产品发展的另一趋势，由于因特网的普及，所有网络最 终将接入因特网。因此目前许多厂商的产品尤其是中大功率产品除了能够实现 网络化的本地监控外，还可实现w e b 远程监控。 ( 5 ) u p s 的数字化 d s p 技术的使用提高了u p s 产品输出电压的稳定性和纯净程度，同时也提 高了u p s 产品自身的可靠性。而i g b t 技术和高频技术的应用，大大提高了电 源效率，降低了系统噪音和电源自身的电力损耗，也提高了系统的可靠性。u p s 的数字化并不是简单的指在系统中应用了数字器件，如单片机及f p g a 等，而 是指整个系统的控制应用数字器件的计算能力和离散控制方法来完成。随着硬 件技术的发展，计算速度的提高，必然促使u p s 向数字化方向发展。提高逆变 器的开关频率，可以有效地减小装置的体积和重量，并可消除变压器和电感的 音频噪音，同时改善了输出电压的动态响应能力。 总之，随着计算机技术不断的提高，d s p 产品的不断升级和完善，更加可 靠、稳定、安全、小型化与完善的u p s 产品将不断的开发出来。 1 2 整流器对u p s 的影响 传统整流电路几乎都是采用晶闸管相控整流电路或二极管不可控整流电 路，这种电路存在两个主要缺点：一是公共连接点有高峰值脉冲电流输入，电 流滞后于电压，其滞后角随着触发延迟角的增大而增大，使网侧功率因数降低。 二是给电网注入大量的谐波，输入电流中谐波分量较大，造成严重的谐波污染， 因此，总的功率因数很低。同时这种电路的一个显著特点是，在稳态时负载只 在输入电压峰值附近获得电能。这种通用的整流方式仅当输入正弦电压的幅值 高于滤波电容两端电压与整流器正向压降之和时，才从电网取电流，势必使网 侧输入电流的导通时间很短且瞬时值很高，如果在大功率场合下，其电流畸变 就会变得更为严重。二极管整流电路虽然位移因数接近，但输入电流中谐波含 量很大，使得功率因数也很低。 第1 章绪论 此电路功率因数低的主要原因是由于受可控硅控制角影响，使得电流滞后 电压，导致c o s 秒小于l ，从而降低了功率因数。一般采用传统的改善方法，就 是把2 2 0 v 的交流电网经过整流桥整流，再接一个比较大的滤波电容，整流器加 电容滤波是一种非线性元件和储能元件的组合，在负载端并联一个性质相反的 电抗元件，这是目前各种电子仪器中应用非常广泛的一种变流方案。如果电网 呈感性，通常采用电容补偿方法。对于开关整流电路而言，前端由桥式整流器 和大电容组成。这种电路简单，容易实现平滑的直流电压，但它会给电网产生 非常严重的谐波污染。在电路中，只有当输入电压的峰值大于电容两端的电压 时，才有输入电流通过，这时输入电流呈尖脉冲形，产生一系列谐波，使功率 因数降为0 6 0 7 。造成功率因数低下的主要原因是电流波形的畸变。 而今，p w m 控制技术是首先在整流电路和逆变电路中发展起来的技术。随 着g t o ，i g b t 等全控型器件的不断进步，控制技术也逐渐丰富、成熟起来，因 此，在不间断电源中获得了非常广泛的应用。把这种技术应用于整流电路中就 形成了p w m 整流电路，通过对p w m 整流电路的适当控制，可以使网侧输入电 流非常接近正弦波，并且和网侧电压同相位，功率因数近似为1 。这种整流电路 就叫做单位功率因数整流器，不仅如此，因为该控制技术在相同的拓扑结构中 适用于逆变电路，所以p w m 整流电路还可以运行在有源逆变状态下，所以确切 的说应当为p w m 变流电路。 因此，本文以u p s 的高功率因数整流电路为研究对象，围绕p w m 整流中 的三相v s r ( v o l t a g es o u r c er e c t i f i e r ) 的工作原理和控制方式展开了研究。 1 2 1 功率因数的定义 在电工原理中，线性电路的功率因数习惯定义为c o s 巾，由为正弦电压与正 弦电流之间的相位差。当电压与电流均为正弦波时，该公式是适用的。但是当 电压或电流含有谐波分量时，该定义是无效的。我们用p f ( p o w e rf a c t o r ) 表示功 率因数【1 5 】【16 1 。 定义p f = 有功功率视在功率= p v i 在a c d c 电路中，输入电压为正弦波，输入电流为非正弦波，有效值为： i m s = 0i j 七i ；+ i j + + i ： ( 、1 、) 6 第1 章绪i j 其中p 、巧、e 分别是电流的基波分带、二次谐波分量、n 次谐波分量的 有效值。 设电流基波分量落后于电压角度，根据j 乃率因数的定义有： p f ；v i _ t c o s 0 ：i l c o s o ( 1 2 ) v l 。l ，k 表示基波电流相对值，称为畸变数，c o s o 称为相移因数。 同时，定义总谐波畸变( t h d ) 为：t h d = l h 。i ，l 一为除基波外的所 有谐波电流分量的总有效值。 由上可以看出t h d 与畸变因数的关系为： 土；竺一 ( 1 3 ) lr 。, 1 + t h d 2 1 2 2 整流器发展及现状 p w m 整流对电网不产生谐波污染，因而是一种真正意义上的绿色环保电力 电子装置。经过几十年的研究和发展，p w m 整流器技术已日趋成熟。p w m 整 流器主电路己从早期半控型器件桥路发展到如今的全控型器件桥路；其拓扑结 构已从单相、三相电路发展到多相组合及多电平拓扑电路；p w m 开关控制由学 纯的硬丌关调制发展到软开关调制；功率等级从千瓦级到兆瓦级。在中大功率 场合特别是需要能量双向传递的场合中，p w m 整流电路具有非常广泛的应用前 景。i g b t 等新型电力半导体开关器件的出现和p w m 控制技术的发展，极大地 促进了p w m 整流电路的发展，并使之进入了实用化阶段，已经应用于有源滤波 器、超导储能、交流传动、高压直流输电以及统一潮流控制等方面。在我国， p w m 整流电路地研究仍处于起步阶段，有关p w m 整流电路的研究主要以理论 和实验研究为主，虽然取得了一定进展，但是还不够完善i l 孓2 1 j 。 1 2 3 提高功率因数的方法 目前广泛使用的提高功率凶数的方法有以下几种”1 8 j ： 1 、多重整流电路：即按一定的规律将两个或多个相f d 的结构的整流电路( 如 7 第1 汪绪论 三相桥) 进行组合而成。将整流电路进行移项多重连接可以减少交流侧输入电 流谐波，而对串联多重整流电路采川! 序控制方法可以提高功率因数。 2 、无源校j 下法；单相整流电路的厄源功率因数校正技术是在整流电路中用 l c 滤波器来增加整流器导通角，从而降低电流谐波，提高功率因数。它采用电容、 电感、二极管等元件取代价格较高的囱源器件。然而，它的校正效果1 ：如有源 功率因数校正好，岁i 能使功率因数挝t ：山剑0 7 加8 ，所以一般用在中小容警场合， 并且采用这种方法在电压输入端串接电感量大的低频电感，以便减小滤波电容 充电的尖峰电流，增加二：极管的导通i t , f 间。这种方法简单、成本低、可箨性高。 但是体积大、笨蕈，而日- i - 作的性能j 频率、负载变化及输入电压的变化有关。 3 、有源功率因数校j f 器：它采用有源丌关或a 似变换技术，使输入电 压成为和电网电压f r d 相位的正弦波。它可以得到很高的功率因数，而_ i i 体积小， 但是电路复杂，造价高，电磁干扰人，平均无故障时间下降，并且它j 之能实现 能量的单向流动，因而不能实现电机的再生制动。有源功率因数校诈已广泛应 用于开关电源，交流1 0 、i b o 、i c o ； 三区：o - - x , 2 - 5 死6 ，电流状态为：i a 0 、i c 0 ； 四区：0 = ，桷砌佑，电流状态为：i a 0 、p 0 ； 五区：护= 庇省q 以，电流状态为：i a 0 、i b o 、i b o 、i b 0 f 2 0 j 3 = 0 0 l d c = 0 i 缸。 0 lf 2 0 i 毛= o i f 。= 0 6 ( 1 0 0 ) t 乏：o f 6 0 屯 0 k 0 1 3 0 1 2 = 0 毛 0 、i b o 、i c 0 1 。3 = 0 l 0 之 0 1 3 。0 l a = 0 1 c ( 11 0 1 i 5 = 0 7 乇 0 如 0 1 3 0 l a = 0 1 d ( 11 1 ) f 5 = 0 7 1 6 = 0 l d c 0 么。 0 l 2 = 0 毛 0 l 3 = 0 l a 0 1 。3 = 0 l a 0 b ( 0 1 0 、l 疋= 0 7 乇 0 2 2 = 0 1 2 0 岛 0 f 。 0 1 3 0 l a 0 c ( 11 0 ) 毛= 0 、7 1 6 = 0 k 0 1 + 3 0 l 。a = 0 d ( 1 11 1 1 5 = 0 7 1 6 = 0 0 么。 0 l a = 0 1 d ( 1 1l 、 1 5 = 0 、7 瓦= 0 l d c 0 1 1 0 1 2 = 0 1 3 0 l 4 = 0 l 。s 0 0 1 4 = 0 f 5 0 第2 章三相电压型整流电路的系统建模与原理分析 工作状态5 ：a ( 0 0 0 ) 工作状态6 - a ( 0 0 0 ) 工作状态7 ：a ( 0 0 0 ) 工作状态8 ：a ( 0 0 0 1 = 0 1 2 0 1 3 = 0 l a 0 1 b ( 0 1 0 1 f 5 = 0 7 1 。6 0 = 0 1 2 0 1 b ( 0 1 0 1 = 0 7 乇 0 = 0 厶 0 ：b ( 0 0 1 ) 20 f 6 0 = 0 1 2 0 q一6 ( 0 0 1 ) b2 0 1 6 0 = 0 f 2 0 3 0 f 0 z ：o c ( 0 11 ) 1 6 = 0 屯 0 = 0 2 20 1 3 20 l a 0 1 一 c ( o l1 ) 1 5 0 f 6 0 i d c 0 = 0 2 。0 f 3 0 f 0 z 0 f 0 7一d ( 111 ) z 5 0 1 6 = 0 0 么。 0 如。 0 7 i 6 = 0 i d c 0 k 0 乇= 0 l d c = 0 i d c 嗍 0 0 1 4 = 0 毛 0 i 6 = 0 = 0 屯。 0 0 oc 0 o o o o o 引 = = i i 0 也= 0 l 。d c a m 0 f l = 0 、 f 2 0 f l = 0 f 1 0 = 0 f 0 1 。3 = 0 f 0 l d c = 0 l d c a m 0 2 4 f 1 = 0 1 2 = 0 1 3 = 0 f 0 c ( 1 0 1 ) t 0 、7 1 6 0 k 0 0 l 0 屯 0 i d c n m 0 屯 0 0 厶= 0 3 = 0 f = 0 4 d ( 1 11 1 0 1 。6 0 如 0 7 f 6 0 么 0 也。 0 1 2 = 0 毛= 0 f = 0 d ( 1 11 1 毛 0 如 0 l 1 0 f l 0 1 2 = 0 厶 0 1 6 = 0 l d c = 0 i d c 0 f l 0 1 2 = 0 f 3 0 1 6 = 0 i d c = 0 k 0 0 1 。2 20 f 3 0 1 6 = 0 l d c = 0 i d c 。 0 oc 0 0 0 0 o 0 州 乞bkkk 第2 章三相电压型整流电路的系统建模与原理分析 通过上面各种工作状态中的电流流向分析，可以非常清楚地知道三v s r 的 运行过程。 2 4 本章小结 系统模型是分析和研究三相v s r 的基础，本章根据三相v s r 主电路结构推 导了基于三相静止坐标系下的系统模型及其控制方法。 本章新意之处在于：根据矢量所在的扇区以及三相输入电流方向提出了一 种换流分析方法，将系统在稳态运行的一个电网周期分为1 2 种工作状态，每一 种工作状态对应4 种开关矢量。给出了每一种电流模式中三相输入电流、桥电 流、直流电容电流以及直流母线电流流向。这种换流分析方法使三相v s r 工作 状态更加清晰。 第3 章系统的硬件和软件设计 第3 章系统的硬件和软件设计 3 1u p s 系统简介 u p s 电源所要完成的主要功能是将供电质量较差的普通市电电源首先经位 于u p s 内部的整流滤波器变为直流电源，然后再利用正弦脉宽调制法在逆变器 内重新将直流电源变为纯正的高质量的正弦波电源。当市电供电出故障或者完 全停电时，利用装在u p s 内的蓄电池组继续向逆变器提供直流电源，从而可以 保证u p s 的逆变器继续以无时间问断的正弦波及无波形扰动的方式继续向用户 提供高质量的交流电源【37 1 。 基于d s p 的在线式不间断电源的整体结构图3 1 所示，主要由主电路和控 制电路构成，主电路是由功率电路，输入滤波电路，电压电流检测电路，整流 电路，输出滤波电路以及静态开关等组成，其中功率电路包括三个部分，即功 率因数整流部分，逆变器部分，d c d c 隔离部分【3 5 - 3 9 】。控制电路由数字信号处 理器t m s 3 2 0 c 2 8 1 2 构成，其由t i 所推出的整合性d s p 软件工具c o d ec o m p o s e r 可以方便的对控制程序进行编写、执行和查错【3 3 。3 4 】。输入端和输出端的电流电 压检测电路均是双环控制系统，即一个是电压环，另一个是电流环。 市 电 雠卜陋器 压器 i 7i “” 电压 电流 检测 充电器h 薹岩 p w m - ，怔 a 0 c d s pi 制键盘 a d c l 一 蔼嚣h 滤波器h 簇 驱动 电路 图3 1 基于d s p 的在线u p s 整体结构 2 6 电压 电流 检测 键盘 负 载 引舌 溢 m 刚卵d 芑山 第3 章系统的硬件和软件设计 如图3 1 所示，对于一台完善的u p s 供电系统而言，它有两条通道向负载 供电： ( 1 ) 市电电源直接经交流旁路通道被送到转换继电器或电子开关的常闭触 点上。 ( 2 ) 市电电源经由整流滤波器和逆变器这样的供电通道送到继电器或电子 开关的常开触点上。 3 2 升压充电环节 在无功率因数校正的开关电源中，交流输入电压经整流后，直接加到滤波 电容的两端。只有交流输入电压高于滤波电容两端电压时，滤波电容才开始充 电，因此输入电流波形为宽度很窄的脉冲。这种电流的谐波分量很大，输入总 谐波失真可达到1 0 0 1 3 0 。因为只有基波电流与输入电压同相位，基波电 流有效值与电网电流有效值之比较小，所以功率因数较低，通常只有0 6 0 7 。 功率因数较低的开关电源存在许多问题，主要有：谐波电流污染电网，干扰其 他用电设备，造成测量仪表产生较大误差等。而且，采用功率因数较低的开关 电源时，在输出功率一定的条件下，输入电流有效值较大，因此必须增大输入 熔断器、断路器和电源线的规格。 电池升压充电环节：当市电供电正常时，它处于关闭状态，并不向逆变器 的提供任何能量；一旦市电工作不正常时，它就进入工作状态，实现把电池电 压升n + 4 0 0 v ，从而向逆变器提供正值和负值两路直流总线电压。这部分的升压 原理是通过开关管的高频开关，在电感中积蓄能量，从而给电容充电，提高直 流电压。 电池充电环节由功率开关管、电感组成，这是一个d c d c 降压变换，它把 土4 0 0 v 的电压降压到适当的电压实现对电池的充电。电池充电一般分二个阶段： ( 1 ) 恒流充电，电池充电初期由于电池放电后电压较低，故充电电流很大， 如果不限流对电池极为不利，所以这一阶段采用恒流充电。 ( 2 ) 恒压充电，当电池电压达到一定值时就可转为恒压充电，这个过程相 对较长。另外，在市电正常供电时，为了补充蓄电池由于自身放电而失去的那 份能量，充电器处于浮充工作状态，以很小的电流进行补充，以免由于自身损 第3 章系统的硬件和软件设计 失太多而影响外电网停电时的蓄电效果。在应用中这部分电路可用一个i p m 模 块来实现，这样即便于实现系统的模块化，也很大程度减轻了工程设计人员的 负担。 3 3 驱动电路的设计 i g b t ( i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) ，绝缘栅极型功率管，是由b j t ( 双极 型三极管) 和m o s ( 绝缘栅型场效应管) 组成的复合全控型电压驱动式电力电子器 堆【4 0 一5 2 】 i l0 i g b t 是强电流、高压应用和快速终端设备应用垂直功率m o s f e t 的自然 进化。由于实现一个较高的击穿电压b v d s s 需要一个源漏通道，而这个通道却 具有很高的电阻率，因而造成功率m o s f e t 具有r d s ( o n ) 数值高的特征，i g b t 消 除了现有功率m o s f e t 的这些主要缺点。虽然最新一代功率m o s f e t 器件大幅 度改进了r d s ( o n ) 特性，但是在高电平时，功率导通损耗仍然要比i g b t 高出很多。 较低的压降，转换成一个低v c e ( s a t ) 的能力，以及i g b t 的结构，同一个标准双极 器件相比，可支持更高电流密度，并简化i g b t 驱动器的原理图。 绝缘栅晶体管i g b t 是近年来发展最快而且很有前途的一种复合型器件，并 以其综合性能优势在开关电源、u p s 、逆变器、变频器、交流伺服系统、d c d c 变换、焊接电源、感应加热装置、家用电器等领域得到了广泛应用。然而，在 其使用过程中，发现了不少影响其应用的问题，其中之一就是i g b t 的门极驱动 与保护。目前国内使用较多的有富士公司生产的e x b 系列，三菱公司生产的 m 5 7 9 系列，m o t o r o l a 公司生产的m c 3 3 1 5 3 等驱动电路。这些驱动电路各 有特点，均可实现i g b t 的驱动与保护，但也有其应用限制，例如：驱动功率低， 延迟时间长，保护电路不完善，应用频率限制等。 随着大电流高电压i g b t 的模块化，集成化专用驱动芯片也己商品化，其性 能比分立式电路要好，从而促使整机的可靠性更高，体积更小。设计i g b t 的驱 动电路和保护电路是应用的关键，如何保证系统稳定且可靠工作，又使系统的 开发周期短，性价比高，是一个需要综合考虑的问题。 目前实际产品应用中有各种典型的驱动电路，但都存在一定的不足。本方 案采用的i g b t 驱动电路，以h p 公司生产的i g b t 驱动芯片h c p l 3 1 6 j 为基础， 充分考虑了驱动芯片h c p l 3 1 6 j 各项工作参数，可满足i g b t 的实际驱动和过 2 8 第3 章系统的硬件和软件设计 流及短路时实施慢关断策略的保护要求。同时h p 公司生产的这块i g b t 驱动芯， 其很高的性价比，也是受到了很多电子工程师的青睐。 3 3 1 驱动芯片h c p l 3 1 6 j h c p l 3 1 6 j 是一种简单的智能型驱动器芯片，具有如下优点：驱动i g b t 时， 可最高承受i g b t 的集极电流i c 高达1 5 0 a ，端电压u c e 高达1 2 0 0 v ：使i g b t 实现“软”关断：h c p l 3 1 6 j 的1 4 脚( d e s a t ) 用来检测i g b