（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的在线式ups数字化控制技术.pdf

a b s t r a c t n o w a d a y s ，w i t h 斡 搴a n dm o t e ：挚挚嚣鳓毪n so fu p s ，t h er e q u 囊, - e m e n t sf o ri t s p e r f o r m a n c eg e ti m p r o v e d e x c e p tf o ri t sm a i nc i r c u i t , t h ec o n t r o lo fl i p si sv e r y i m p o r t a n t 协a c h i e v ep e r f e c tp e r f o r m a n c e t h ed i g i t a lc o n t r o lt e c i m o l o g i e sh a v en o w b e c o m et h eh o t s p o t0 1 1t h er e s e a r c ho f u p s t e c h n o l o g i e s t h i sd i s s e r t a t i o n n t r o d u e e st h ep r i n c i # eo ft h eo n 1 i n eu p s 。a n dt h es p w m t e c h n o l o g y 如r 穗e 玎p si n v e n e ri sa l s od i s c u s s e d 瓢l ee f f e c to f b l a n k i n gt i m e0 1 1t h e o u t p u tv o l t a g ei np 碡獬i n v e r t e r sa n d 穗em e t h o d st oe l i m i n a t ei ti sd e s c r i b e d + 秘艟 m a t h e m a t i c a lm o d e l 酣t h e s i n g l e - p h a s ef u l l b r i d g ei n v e r t e ri sm e n t i o n e d a n dt h e nt h e e f f i c a c yo fp i dc o n t r o l ，d e a d b e a tc o n t r o l ，r e p e t i t i v ec o n t r o l ，巍茁碟c o n t r o lt o g e t h e r w r hn e u r a ln e t w o r k sc o n t r o lf o rt h e 锵s i n v e r t e r 弧c o m p a r e d ，t h ep 转c o n t r o la n d r e p e t i t i v ec o n t r o lf o rt h eu p s i n v e r t e ra r em a i n l yf o c u s e & f i n a l l y ，鑫c o n t r o ls c h e m e w h i c hr e q u i r e so x i i n a r yh a r d w a r e , 镪惫g o o dr o b u s t n e s sa n d n g hd y n a r a i cr e s p o n s e i s p r e s e n t e d 。t nt h i sc o n t r o ls c h e f f l gt h ev o l t a g e e r r o ri sp r o c e s s e d b y a l g o r i t h m sf i r s t , 黼纛惑掰t h ec t a r r e 蘸to ft h ec a p a c i t o rw h i c h e q u a l o t h ed i f f e r e n t i a lo ft h ev o l t a g e 弧 i m p 0 1 t e dt oc o m p o s eat w o - l o o pc o n 赶x ) l 。t h ei n v e r t e rw i t ht h ep r o p o s e dc o n t r o l s c h e m ea c h i e v e sm e e p e r f o r m a n c e t or e a l i z et h ec o m b i n a t i o no f t h e o r ya n dp r a c t i c e 。t h ec o n t r o io f a3 k v ao n q i n e u p si sw e l lf i n i s h e dw i t ht h em a i n p r o e e s 瓣r 蛋镰s 3 2 9 2 4 0 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 2 0 世纪中期到2 l 世纪孛刀耨技术迅速发震，方兴未艾。科学技术蛇发攫带来 这样一个问题：一方面，造成电自质量问题的因素不断增长，各种非线性负载、 冲镶性负载的大量使用，大型用电设备的盛停等都会使电蚓的供电质量恶化；另 一方面，备种复杂、精密、对电能质量敏感的用电设备不断普及，人们对电能质 量及可靠性的要求越来越辫。如何解决这一矛盾已成为国虑外电工领域的羹要课 题之一。改普电嗣簇量可从两个方两采取措施，一楚提高发电、送电、配电系统 的电能质量和可靠怯；另一方面是提高用户终端设器的抗干扰能力，并减少其对 电瓣的“污染”，在这一方面毫力电子技术是有效手段。 第一苇电力电子技术的发展现状 逛力毫子菠术憝采雳凌率半导体器俘瓣逛g l 遂行转按、注睾蠢优亿捌爝翡技 术，经过近5 0 年的发展，电力电子技术已经与工农业生产、航空航天、国防、 逶镱鼓及久嚣j 黪垦豢生活密不可分，嚣兹已经或为黧民经济戆支撑技零帮产照基 础之一。近年来，电力电子领域的发展异常迅速，目前电力电子无论在功率器件、 电路拓卦、控副手段以及装嚣性能簿方瑟都取褥了长足的遴震。 一、功率开关器件的发展 1 3 l 早麓的功率开美器件怒磊阉管( s c r ) ，这是一种半控穗器件，雳它组成的 电路简称半控型电路，其基本特点魁容量大，当电路结构复杂，开关频率低，功 率密度窥整橇效率不高。g i r 静密蕊，馒泡力毫子电路由半控型转为全控爱， 并在不同程度上克服了s c r 电路存在的缺点，因而在中小功率锁域中出现了 研袋电路取代s c r 窀路戆麓瑟。露凌率场效应螽俗管( p o w e rm o s f e 彳) 糨院， g t r 具有母通阻抗低和阻断电压高的优点，但其输入特性却远逊于p o w e r m o s f e t 。瓣戈g t r 是电浚控裂登器锋，箕开逶增薤仗为5 1 0 ，这藏佼得驱 动电路的功率消耗很大，降低了整机效率。另外g t r 在硬开关环境的典型开关 频率仅为5 k h z ，无法在超鸯频环壤王终，不剃于降鼹潆声。与燕穗爱，m o s f e t 是一种电压控制型器件，门檄驱动所需功率极低，开关频率可以达到几百兆h z 。 i g b t 是一张爆m o s 门控制躲最体镑，它集g t r 葶鞋m o s f e t 的优点子一身， 同时又克服了它们各自的不足之处，所以短短几年时间，i g b t 就完全占据了原 来g t r 的应用领域，并使电力电子电路进入至n 超音频时代。 二、脉宽调制( p w m ) 控制技术的广泛应用 浙江大学硕士学位论文 p w m 是诸多斩波控制方式中的一种，这种控制方式开关周期恒定，通过调 节功率开关器 牛鼹占空叱决定竣出爨豹大小。p w m 最拐盛怒于壹滚交换秀黪， 后舛乏将这种方式与频率控制相结合，产生了应用予逆变电路的p w m 控制技术。 p w m 逆变电路兼其压控和频控功熊，著霹以有效醛低竣出电医翳淤波含量，篱 化输出滤波环节。随着功率器件开关频率的不断提高，p w m 技术的优点越发突 出，已经成为当今逆变电路的主要控制方式。由于p w m 控镑4 方式谯直滚变换领 域和逆变领域中所驻示的优点，人们正开始尝试将它推广应用到整流电路和交流 变换电路。 三、高频化趋势和软开关技术 功率爨佟牙关频率黪攥褰零懿带来多方嚣静磐处，螽爨离电力壤子装置豹功 率密度、降低噪声，加快响威速度等，因此商频化已经成为电力电子发展的一种 趋势。但是舞频毡璁有其不裂魏一甏，由予器l 孛懿开关损耧与开关频率盛委比， 频率越高，器件损耗就越大，电路的效率也就越低；另外开关频率趟高，电路所 产生黔电磁予扰( e m i ) 裁越强，对环境黪涎染也裁越严重。这些瓣题如果不趣 以解决，高频化就难以真正实现。研制频率特性更为优越的器件，缩短器件的开 关时间，可以减少每次开关所耗费的能量，从两抵销裹频化萼| 起蛉器传能耗黪增 加。但是器件的改良或革新受到多方面因素的制约，是不可能一蹴而就的。减少 高频化带来的负面影响的另一个途径是改善器l 牛的开关环境，例如在零电压域零 电流条件下开关，器件的开荧损耗可以降低刘很少，具有上述条件的开关环境称 为软开关环境，具有软开关环境的p w m 控制简称为软p w m 控制。软开关技术 是当今电力墩子领域豹发震前沿之一，萁主象技术搔施有： ( 1 ) 借助电路控制信号的合理发排实现软开关，此类电路泛称控制型软开 关亳掰； ( 2 ) 在电路中增设缓冲电路实现软开关，此类电路泛称缓冲型软开关电路； ( 3 ) 在整流翻鬣交流翻设置谮强电路实现软开荚，魏类电路泛称谐振黧软 开关电路。 西、电力电子控制的数字化 电力电子的模拟控制电路一般以专用模拟控制蕊片为核心，秀雅以一些外 围分立元件构成，经过长期的发展电力电子的模拟控制技术醴经非常成熟，至今 仍然怒主流控制手段。但是模拟控制技术存在一些自费难以篼服的缺陷，例如： 由于模拟控翻采用大激的分崴元件，等致系统的可靠继下降；采用模拟控制的电 力电子产品升级换代豳难；采用模拟控制的电力电子系统的般控功能实现困难。 近年来，随着大麓模集成毫路( a s i c ) 、现场可编程逻辑器件( f p g a ) 和数字信号 处理嚣( d s p ) 技术的进步，电力电子的数字化控制技术得到了很快的发展。从2 d 浙江大学硕士学位论文 畿纪9 0 年代后期开始，融有d s p 控翻静d c f l ) c 大功率瞧添模块、交频器、功 率因数校正电路( p f c ) 、不间断电源( u p s ) 和有源电力滤波器( a p f ) 等装 嚣磷究戒劝。珐搴交换器莱惹数字茳裂霹苏带来苏下蕊点： ( 1 ) 便于簧采用更先进、更复杂的羧制方法，提高输出电能的质量； ( 2 ) 使功率交换嚣黪整裁委县灵活瞧，只嚣掺改程摩裁可以轻易缝政变控 制参数或控制方法，无需改变硬件，大大缩短产品设计周期； ( 3 ) 整个控剃系统可以在一个单芯片上( s y s t e mo nc h i p ) 实现，系统的 可靠性大大提高，且易于标准化； ( 4 ) 电力电子产品的致性好，生产制造方便，综合残本低。 ( 5 ) 容易组成高可靠的电源模块并联系统。 实现电力电予由模拟控制囱数字控制的转变，关键是爱有一葶申速度快、运算 能力强、其有较抗干扰能力的数字处理芯片。t m s 3 2 0 f 2 4 0 是德州仪器公司( t i ) 予1 9 9 7 年撅推出的一款赢性能的传动控制d s p 芯片，已成为单片数字电机控制 器的标准芯片。t m s 3 2 0 f 2 4 0 的执行速度为2 0 m i p s ，绝大多数的指令可戬在5 0 n s 的单周期内完成。t m s 3 2 0 f 2 4 0 支持很高的采样率，这有助于减小控制延时，取 得优良的控制特陡。随着l c 设计和制造技术的逡 步，d s p 控涮芯片的速度和往 能日新月鼯，不断提高，同时价格也呈下降趋势，这必将推动电力电子控制进一 步向数字纯方商转交。 第二节不问断电源技术 一、u p s 的应鼹背景 u p s ( u n i n t e r r u p t i b l e p o w e r s u p p l y ) 不间断电源是应全球化的信息产业的高 速发震嚣产生懿一耱瑟型赢可靠戆逛源系绞，是奄力电孑技零豹一个重要寝月领 域。以计算机和通信设备等为代表的非线性负载在运行过程中所产生的“谐波污 染”，造成当今磐遴邀网黪供电痰爨普遍惩让。大壁豹运行实践说明：电髑电压 和频率的急剧波动、供电的瞬时和长期中断、电网上出现的各种人们无法预料和 接剃豹于摭歪瑾毫熊浪涌都有可能造成计算枧的硬彳牛损坏或导致计簿枧计算错误 和数据丢必，有的部门曾经为此而付出高昂的代价。为了满足航空管理系统、大 援模集成魄路生产线以及务种自动生产流水线、鼷用监控系统、公路和铁道调度 和售票系统等部门对高可靠和高质量电源的需求，u p s 电源正越来越广泛地被使 用。u p s 电源系统是一种禽有储能装置，可以连续不间断地向用电设备提供恒压 恒频电能的电源设器。它熊f 剞霸户提供稳聪精度商( 0 5 _ 4 - l ) ，2 1 2 作频 翠稳定( 0 0 l 0 1 ) ，电压失真度小的“纯正”正弦波电源，输出波 形不存在谨傅干藏，不管市电宅圈抟侠毫跫否正常，它都熊在毫秃辩闯中獗懿条 浙江大学硕士学位论文 件下，向用户提供高质量的交流电源。u p s 不仅能够保证电能供应的可靠性，还 有助于减少对电网的“谐波污染”，提高电网质量。 二、u p s 与电力电子技术 u p s 系统包含了a c d c 、a c a c 、d c d c 、d c a c 等所有基本的功率变换 单元，是电力电子技术的典型应用。u p s 随着电力电子技术的进步而不断发展， 越来越多的电力电子新技术被应用于u p s 领域。 1 _ 高频链技术：以高频开关为特征的高频链技术由于省略了笨重庞大的工频 变压器，可以使u p s 体积更小，重量更轻。高频开关电路采用的控制方法使电路 具有良好的动态和静态特性，因而使u p s 性能更高。高频链技术已经成为u p s 发展的一个重要方向。 2 功率因数校正技术：功率因数校正技术解决了以往不控和相控整流电路造 成的网侧电流谐波含量高、功率因数低的问题，使u p s 的输入功率因数接近于l ， 减少了对电网的谐波污染。 3 逆变器控制新技术：逆变器的控制技术对u p s 输出性能至关重要，过去 对逆变器的研究侧重于采用新型高频开关功率器件从而减小滤波器尺寸，优化输 出滤波器设计以实现低输出阻抗等，这些措施能在一定程度上抑制输出波形失真 并改善负载适应性，但是还不够理想。为了进一步提高u p s 逆变器的动态和静 态特性，必须采用新的控制方法。近年来，电力电子的数字控制技术蓬勃发展， 数字控制能够实现以往模拟控制所无法实现的先进控制算法，如数字p i d 控制、 无差拍控制和重复控制等，新的波形控制方法可以极大地提高u p s 逆变器的各 项性能指标。 除此之外，软开关技术、并联及模块化技术等也广泛运用于u p s 。 第三节本文的选题意义和研究内容 一、选题意义 电力电子技术是一门边缘交叉学科，它的发展进步是和半导体器件、电力变 换技术、现代电子技术以及自动控制技术等多门学科的发展密不可分的，它必须 不断地从其它相关学科吸取先进的思想、方法和手段，不间断电源( u p s ) 作为 电力电子的一个典型应用同样如此。u p s 电源系统的主功率拓扑固然重要，然而 控制部分对其整体性能的影响也是很关键的，如果说主功率拓扑是骨骼和肌肉， 那么控制电路和软件则好比是神经系统，它们之间是互相依存的。u p s 主功率拓 扑方面的研究已日趋成熟，为了进一步增强、提高u p s 的性能，加强其控制方 面的研究十分必要。 由于数字控制较之模拟控制具有很大的优越性，u p s 的控制正在逐渐从模拟 浙江大学硕士学位论文 控制向数字控制转变。然而u p s 的数字控制作为新生事物还不十分成熟，许多 问题还有待研究和解决，要在真正意义上实现对u p s 的全数字控制并全面取代 模拟控制，还需进行大量的研究工作。这些工作包括：( 1 ) 对开关功率变换器 的离散数学模型进行更深入的研究；( 2 ) 研究适合u p s 控制的先进控制算法； ( 3 ) 提高数字控制芯片的运算速度和采样精度；( 4 ) 解决高频功率开关带来的 干扰等等。 逆变器输出电压的质量在很大程度上决定了整个u p s 电源系统的性能，所 以逆变器的控制非常关键。u p s 逆变器控制的基本目标是：( 1 ) 减少输出电压的 谐波畸变率，特别是在非线性负载下的总谐波畸变率；( 2 ) 提高输出电压的稳定 度，包括幅值和频率；( 3 ) 提高系统的动态响应速度；( 4 ) 提高系统抗过载能力和 抗负载冲击能力；( 5 ) 可多机并联运行以实现冗余式u p s 供电系统。目前，国外 在u p s 逆变器的数字控制方面研究的比较多，并且已经将其应用到u p s 产品中 去，相对而言，国内在这方面的研究比较晚，能将逆变器的数字控制技术运用到 成熟的u p s 电源系统中去的几乎没有。加强u p s 逆变器数字化控制方面的研究， 采用先进的控制方法，提高u p s 电源的性能指标和可靠性，使其更具市场竞争 力，这对于促进国内u p s 电源产业的发展具有十分重要的现实意义。 本文致力于u p s 特别是其逆变器的数字化控制方面的研究，对实现数字化 过程中存在的一些实际问题提出自己的观点和解决方法，希望能有助于今后这方 丽研究工作的进一步展开。 二、研究内容 ( 1 ) 分析逆变器的s p w m 控制技术，研究控制死区对逆变器输出电压的影 响，提出其在数字控制中的补偿方法； ( 2 ) 比较多种逆变器输出电压波形控制方法的优缺点，提出一种对硬件设 备要求较低、鲁棒性强、动态反应特性好的u p s 逆变器控制策略； ( 3 ) 以数字信号处理芯片t m s 3 2 0 f 2 4 0 为核心实现对一台3 k v a 在线式u p s 的控制。 浙江大学硕士学位论文 第二章不间断电源( u p s ) 概述 不间断电源( u p s ) 应用场合各异，种类、规格繁多。本章介绍不同类型 u p s 的基本原理，分析在线式u p s 的结构组成，最后阐述了u p s 的发展趋势。 第一节u p s 的分类 u p s 的种类多种多样，它的输出波形可以是方波、梯形波或者正弦波，它可 以是单相入单相出、三相入单相出或三相入三相出，它的容量有大有小，另外它 还可以分为动态u p s 和静态u p s 两大类。动态不问断电源是依靠惯性飞轮存储的 动能来维持负载电能供应的连续性的，这种不问断电源具有笨重、噪声大、效率 低、切换时间长等缺点，已被静态不问断电源所取代。静态u p s 以蓄电池组为 储能工具，市电正常时交流市电经整流后变为直流电并将电能存储在蓄电池组 中，当市电中断时再由逆变器将蓄电池组中储存的直流电转变为交流电来维持向 负载供电。根据工作方式的不同，静态u p s 又可分为后备式u p s 、在线式u p s 、 在线互动式u p s 和d e l t a 变换型u p s 四种类型，下面分别加以介绍。 一、后备式u p s 后备式u p s 如图2 一l 所示，它主要由充电器、蓄电池、逆变器和变压器抽 头调压式稳压电源四部分组成。后备式u p s 的工作原理如下： t 蓄电池组 。j 一 图2 - 1 后备式u p s 原理框图 1 ) 当市电供电正常( 市电电压有效值在1 7 5 v 2 6 4 v 之间) 时，交流市电 浙江大学硕士学位论文 通过低通滤波器对来自电网的高频干扰进行适当的衰减抑制后，一方面经充电器 对蓄电池组进行充电，另一方面经位于交流旁路通道上的“变压器抽头调压式稳 压电源”对市电电压进行处理，使电压稳定在2 2 0 v ( 4 1 0 ) 左右，然后经 转换开关( 一般为小型快速继电器，转换时间为2 4 毫秒) 向负载供电。此时 逆变器处于空载运行状态，不向负载提供能量。 2 ) 当市电供电不正常( 市电中断、市电电压低于1 7 5 v 、或高于2 6 4 v ) 时， 充电器停止工作，转换开关切断旁路供电通道，将负载连接至逆变器输出端，从 而实现了市电供电向逆变器供电的转换。 后备式u p s 具有电路简单、成本低、可靠性高的优点，但是其输出电压稳 定精度差，市电掉电时负载供电有一段时间的中断，另外受切换电流和动作时间 的限制，输出功率一般较小，一般后备式正弦波输出u p s 容量在2 k v a 以下， 后备式方波输出u p s 容量在l k v a 以下。 二、在线式u p s 在线式u p s 又称串联调整式u p s ，目前绝大多数大中型u p s 都是在线式的。 在线式u p s 一般由整流器、充电器、蓄电池组和逆变器等部分组成，图2 2 是 其原理框图。 图2 - 2 在线式u p s 原理框图 当市电供电正常时，市电首先经e m i p r f i 滤波器对来自电网的传导型电磁 干扰和射频干扰进行适当的衰减抑制，然后一方面经充电器对蓄电池组进行充 电，另一方面经过整流器和大电容滤波变为较平滑的直流电，再由逆变器将直流 电变换为稳压稳频的交流电，通过转换开关输送给负载。 当市电出现故障时，充电器停止对蓄电池充电。同时，逆变器改由蓄电池供 电，将蓄电池中的直流电转化为负载所需的交流电能，维持负载供电的连续性。 浙江大学硕士学位论文 市电供电正常时，如果系统出现过载或短路故障、系统温度过高或逆变器故 障，则u p s 将在逻辑控制电路的调控下通过交流旁路供电通道由市电接给负载 供电。 在线式u p s 的特点是：1 ) 不论市电正常与否，负载都由逆变器供电，所以 当市电发生故障的瞬间，u p s 的输出电压不会产生任何间断。2 ) 输出电能质量 高。由于u p s 逆变器采用高频s p w m 调制和输出波形的反馈控制，可以向负载 提供电压稳定度高、波形畸变小、频率稳定以及动态响应速度快的高质量的电能。 3 ) 全部负载功率都由逆变器提供，输出能力受限制。4 ) 整流器和逆变器都承担 全部负载功率，整机效率比较低。 三、在线互动式u p s 在线互动式u p s 又被称为“准在线式”u p s 或“三端口型”u p s 电源，与 在线式u p s 相比，它省去了整流器和充电器，而由一个身兼二职的逆变器充电 器模块配以蓄电池组构成，其原理框图如图2 3 所示 丁蓄电池组 l 图2 - 3 在线互动式u p s 原理框图 市电正常时( 市电电压在1 5 0 v 2 7 6 v 之间) ，首先经e m i r f i 滤波器对来 自电网的传导型电磁干扰和射频干扰进行适当的衰减抑制，然后分以下几种情况 向负载供电：1 ) 当市电电压处于1 7 5 v 2 6 4 v 之间时，开关k 0 闭合，市电电源 经转换开关直接送至负载。2 ) 当市电电压处于1 5 0 v 1 7 5 v 之间时，市电电压偏 低，开关k 0 断开，k 1 闭合，市电经升压绕组变为幅值较高的交流电后给负载供 电。3 ) 当市电电压在2 6 4 v 2 7 6 v 之间时，k 0 断开，k 2 闭合，市电经降压绕组 后给负载供电。这三种情况下转换开关闭合，逆变器充电器模块工作在整流状 态，从电网吸收能量存储在蓄电池组中。 浙江大学硕士学位论文 当市电电压低于1 5 0 v 或高于2 7 6 v 时，转换开关断开，逆变器充电器模块 由整流工作模式转向逆变工作模式，将蓄电池存储的直流电转变为交流电向负载 供电。 在线互动式u p s 具有效率高( 可达9 8 以上) 、结构简单、成本低、可靠 性高的优点，但是它大部分时间由市电直接给负载供电，输出电压质量差，市电 掉电时交流旁路开关存在断开时间，导致u p s 输出存在一定时间的电能中断。 四、d e l t a 变换型u p s d e l t a 变换型u p s 又称串并联u p s ，它主要由低通滤波器、d e l t a 变换器和 主变换器构成，其原理框图如图2 4 所示 电池组 ! 图2 4d e l t a 变换型u p s 原理框图 其中主变换器是一个四象限p w m 变换器，通过正弦波脉宽调制，向外输出 恒压恒频、波形畸变率小、与电网电压同步的高质量的正弦电压，相当于一个恒 定的电压源。主变换器在市电正常时提供负载所需的全部无功功率和维持功率平 衡所需的有功功率，吸收负载的谐波电流；市电故障时，提供负载所需的全部功 率，保证输出电压连续不间断。d e l t a 变换器与补偿变压器同样是一个四象限 p w m 变换器，市电正常时通过正弦脉宽调制，向外提供恒压恒频、波形畸变率 小、与电网电压同步的高质量的正弦电流，相当于一个可变电流源。其主要功能 是：1 ) 控制输入电流的幅度和正弦度，提高输入功率因数；2 ) 补偿市电输入电 压与主变换器输出电压的差值；3 ) 控制蓄电池的充放电，维持蓄电池输出电压 恒定。 d e l t a 变换型u p s 的优点是：1 ) 负载电压由主变换器的输出电压决定，输 出电能质量好；2 ) 主变换器和d e l t a 变换器只对输出电压的差值进行调整和补 偿，它们承担的最大功率仅为输出功率的2 0 ( 相当于输入市电电压的变化范 浙江大学硕士学位论文 围) ，所以整机效率高，功率余量大，系统抗过载能力强；3 ) 输入功率因数高 可达9 9 ，输入谐波电流小。但是d e l t a 变换型u p s 主电路和控制电路相对复杂 可靠性差。 第二节u p s 的组成 u p s 电源要可靠地运行，向用户提供高质量的无时间中断的交流电源，离 不开其内部各功能模块的协同工作以及控制、监测、显示、保护等软硬件措施。 以在线式u p s 为例，一般有以下几个功能环节： 一、整流和功率因数校正电路 人们对电源输入性能的要求越来越高，u p s 电源必须具有较高的输入功率因 素，并尽量减少输入电流的谐波分量。这样，原先简单的不控整流电路和相控整 流电路已不能满足要求，必须采取其它措施减小输入电流的谐波含量，获得高的 功率因数，一般来说可以采用无源滤波器和有源功率因数校正两种方法。无源滤 波器是在不控整流电路的整流桥和电容之间串联一个滤波电感或在交流侧接入 滤波器，其主要优点是方法简单、低成本、低e m i 和高可靠性。然而它的缺点也 很明显，主要有体积大、重量大、负载适应性差等，并且采用无源滤波器无法取 得很高的功率因数，通常最高仅可达到0 9 左右。有源功率因数校正( p f c ) 则是 在整流桥和负载之间接入一个d c d c 变换器，应用电流反馈技术使输入端电流波 形跟踪输入的正弦电压波形，其输入电流t h d 可以达到5 以下，而功率因数可 提高到0 9 9 以上。由于采用了有源器件，因而这种方法被称为有源功率因数校 正。这种方法的优点主要在于体积小、重量轻、可以得到很高的功率因数和很小 的t h d 、负载适应性好、输入电压适应性高等。而它也存在一些缺点，如电路复 杂、成本高、效率低和e m z 高等。随着电力电子器件成本、体积的降低，制造工 艺水平的不断提高，有源功率因数校正技术正被越来越广泛的采用。 理论上说任何一种d c d c 变换器的拓扑结构都可以用来实现p f c 的功能，但 升压式( b o o s t ) d c d c 变换器是p f c 的理想选择，其输入端是电感，因此可以获 得连续的输入电流，从而减小了输入电流的高频成分，减小了传导噪声，获得最 佳的输入电流波形。 二、蓄电池组和充放电电路 蓄电池组是u p s 的储能单元，市电正常时它吸收来自市电的能量并以化学 能的形式储存起来，一旦市电发生中断，它把储存的化学能转换为电能向逆变器 供电，维持负载供电的连续性。蓄电池是u p s 的心脏，如果没有蓄电池，一旦 市电中断u p s 就不能工作，那样就只能算是交流稳压稳频电源。蓄电池是u p s 浙江走学硪士学位论文 凝熏要豹鼗佟之一，也熄簸容荔旗环熬韶律，在邋惨懿u p s 中，囊于鬻电漶壤 数辕委零l 怒鳍筑翻丈翁占1 3 左骞。密嚣锈簸簧魄涟壹予缭护穷褒，鹭戆液多数 u p s 掰袋穗，它兹徐戆怼较蠹，溪戳滏矮麓璐歪勰壤茨磷耧维势，辍尽霹魏鼷长 其馒用毒巍。蓄电漶终邋避宠放瞧龟鼹遴行憝鬟瓣德存秘释放，瓷数电魄爨必硬 合璞竣诗，态毫毫攥避麓、宠电电流过丈箴溧赛放惫整会逮盛嚣瞧灏按餐。裁浆 罄魂涟在撩装完毕嚣，毅要遴嚣次较长霹两瓣宠毫，这滔裙兖寇，麓兖嗽奄 漉大小敷皴说鹱书的勰滗毽戒豢魄漶鞭愆窑譬1 1 0 豹奄滚避行。蘩毫漶崧黢魄 终了履应邀行辱炎魄，遮叫难零究魄，正鬻炎电爨好采鼷分级怒滤究电方式，群 巍蹇惫窃瓣掰较大熬惫浚，焘毫一袋瓣辩鬣，致弱较小塞流，至究惫惹蘩魏瘸雯 小的电流，遮释究电方法效攀较商，所需宠魄对间拔短，劳展露利予延长奄波毒 命。u p s 魄灏正鬻工作时，强连续浮焱制静态电方式对蓄睡造避行骥压充墩，宠 漱氡滚辍枣，主瑟霹寒卒 兖誉电渡缀嶷身爝豁敷魄翡瀵耗。饕魄漶懿放毫终了惫 匿蔻箕敦滗静亳爨下鬻徽，瓣予1 2 v 翡夺黧密封式镑酸蓄鼹漶，冀终了惑酝为 0 5 v 。如攥遘爨放电饺鬻激沲愈压低予终了电艨焱损坏蓠电、摭，成该避免遮静 情援豹发生。 三、遂变泡鼹 逆交器熄u p s 辩竣心，它怒遂波电糍转换戏翅户臻黎浆穗愿穗凝鹣交滤瞧 能。对于在线式u p s 瞧源慕说，遂变器瓣爨电压瓣旗量决定了英整体瞧熊。中 大功攀u p s 一簸莱逶垒橙邋突疆络搀，遂交辑瓣穗接l c 滤波嚣，臻澹豫薅次 谐波。有臻旋用场合要求u p s 电源的输入输出程嗽气土窳褥蹒蒜，这可以遴避 两耱方法蜜蠛。一秘方法怒褒翦级熟d c d c 环节炎蕊意频灏壤，这静方法爨丈 功率璐台较蕊实现，霹黎憔袋低。另一耱方法是辩遴变器簸凄采鼹王鞭交压器滋 行鞴勰，这秽方法豫了珂戳囊鬻窀气黼离终，还可以魏变逶变器瓣爨魄压麓籁馕， 可靠缆好。中大功率l i p s 在实彳亍电气隔离时雾采嗣麟面一种方法。u p s 逆变器 的输滋邀蔗必须鹫市电绦掩铰糟丽步，这襻可以避免程逆变器输逃辩蠢遣之闽切 换霹，u p s 瓣凌皂援窭蕊太懿滚凌。糕镄羧遘程孛逐麓裹瑗露魄粒暹变器游鼹 淘舞载供泡灏情况，程锁麟溺步药条粹下它稻之淘瓣环流较小，谦诞了切换熟安 全避行。 藏努，u p s 还热赞转揆嚣荚宅鼹、霞暴投警龟鼹、辘翡奄滚淡歉懑适接牲簿 缝蔽韶势，姣控款静褒愚熊鏊嫠缀袋帮努。 第三慧u p s 麓发震越势 照蕾魄力壤子搜零瓣教震，楚予不躲宠善瓣u p s 毫覆累绫亵穗瓷高遮发鼹 的僖息王蝮殿其它整要粥瞧部 1 提供坚察霹爨驰技术攥障葶爨支持。糕频纯、绿瞧 浙江大学硕士学位论文 化、数字化、智能化是u p s 的发展趋势1 1 1 1 。 u p s 的功率开关经历了从可控硅、功率晶体管、到场控型器件( m o s f e t 和i g b t ) 的过程，其开关频率不断提高。变换电路频率的提高，使得滤波电感 和电容大大减小，可以有效减小u p s 的体积和重量，其效率、噪声、动态响应 特性和精度都能得到改善。 各种用电设备及电源装置产生的谐波电流及滞后电流严重污染电网，针对这 一问题不少国家己专门出台了政策法规，人们对无污染的绿色电源装置的呼声愈 来愈高。u p s 电源除加装输入滤波器外，还应在电网输入端加功率因数校正技术， 这样既可以抑制本身整流滤波电路产生的谐波电流，又可以提高功率因数，使 u p s 的输入功率因素达到0 9 9 以上。 数字化并不是指简单地在系统中应用了数字器件如单片机、f p g a 、d s p 等， 而是指整个系统的控制( 包括主功率开关的控制) 应用数字器件的计算能力和离 散控制方法来完成。 智能化的u p s 通过与上位机之间的通讯，用上位机程序实现对运行中的u p s 状态的检测、及时发现和处理出现的故障、实时记录故障信息、控制u p s 的启 动或停止、实现无人值守的自动操作等功能。 浙江大学硕士学位论文 第三章u p s 逆变器的数字实时控制 逆变器作为不问断电源的输出环节，负责将直流电能转换为用户所需的高质 量的交流电。本章介绍u p s 逆变器的结构及其等效数学模型、s p w m 调压方法， 分析死区对逆变器输出电压的影响，最后介绍了如何用t m s 3 2 0 f 2 4 0 d s p 芯片实 现倍频单极性s p w m 调压方法。 第一节单相全桥逆变器结构及其等效模型 u p s 逆变器的主电路结构一般有全桥式和半桥式两种。与全桥逆变器相比， 逆变器采用半桥结构可节省两只功率开关管，但是功率器件的耐压等级增加一 倍，而且在相同的输出电压条件下，半桥逆变器的输入直流电压必须是全桥逆变 器的两倍。因而半桥电路多用在输出功率较小、直流母线电压较高的场合，全桥 逆变器则一般用在中大功率场合。半桥逆变器和全桥逆变器虽然在主电路拓扑上 有所不同，但是它们的工作原理和控制方法大致相同，下面以全桥逆变器为例来 对u p s 逆变器进行分析。 1 电压型单相全桥逆变器的结构和工作原理” 电压型单相全桥逆变器的主电路结构如图3 1 所示。图中u 。是直流母线电 压，i 。为逆变器的输入电流，开关管t 1 、t 2 、t 3 、t 4 以及它们各自的反并二极 管构成单相全桥逆变器，电感l ，与电容c ，构成输出滤波电路，u 。为输出电压， z 为负载。根据图中结构我们知道：在任何时候最多只能有两只不同桥臂的开关 胖一生 + zl i j 蛐 c f 二 二l “o ： h 。审陇与审阱 图3 1 全桥逆变器主电路 1 3 z 浙江大学硕士学位论文 管导通，否则会使皮流母线短路。假设输出滤波电感l f 足够大，电流i 。谶续， 那么任何时候总有一对开关( 开关管t 或冀反并二极管d ) 浮通，共有四种缀合： 当开关管t l 、t 4 ( 或d 1 、d 4 ) 导通融，有：材女= u d ，i d = i 当开关管t 2 、t 3 ( 或d 2 、d 3 ) 导通时，有：“= 一u “，f d i l 当开旅管t 1 、t 3 ( 或d t 、d 3 ) 导通时，有：“= o ，i a = o 当秀关管霉2 、t 4 ( 戴d 2 、d 4 ) 导逶辩，有：甜= o ，i “= 0 我们不妨设一个开关函数t ( t ) 如下： rl，对应上面的组合 | 一( t ) =一1，对应上面的组合 l 。 ，瓣应上瑟耱缝合、 那么图3 - 1 中逆变桥两端输入输出电压和电流的关系可表示如下： 嚣( t ) = 馥) u d i g ( t ) = 五( t ) i 对于电流型逆燮器来说，根据对偶关系可得： , # ( t ) = 五( t ) u ( t ) f 。( t ) = 正) i d ( t ) 根据上述分析我们可以进一步把单相垒桥逆变器等效为一个二端口开关变 换网络，如图3 2 疑示。其中x ( t ) 为竣入斌霸变量，y ( t ) 秀壤感蠛翔变量。 x ( 对于电压裂逆变器设： 1 1 3 2 二端日开关变换网络 浙江大学硕士学位论文 。( t ) x ( t 卜l j 对于电流型逆变器设 x ( t ) m ，e y ( t ) = n ct，=“二。) 1习 2 电压型单相全桥逆变器的输入端和输出端等效电路 逆变器的负载可能是线性的( 包括感性、阻性或容性) ，也可能是非线性的， 在分析全桥逆变器的输入端等效电路时，不妨将负载等效为一个电流源i 。， 当该电流源中只含基波分量时，代表线性负载( 根据电流与电压的相位关系分别 可代表感性、阻性或容性负载) ；当电流源中含有谐波成分时，代表非线性负载。 考虑到直流母线并非理想直流电源，在分析全桥逆变器的输出端等效电路时，串 入一个等效直流电源内阻r d 。用开关变换网络等效替代逆变桥，可得如图3 3 所示的简化电路。 图3 - 3 全桥逆变器简化电路 、ifij 、lifj )“ ， - 8 “ ” 0 ，。l 浙江大学硕士学位论文 ( 1 ) 输入端等效电路 摄摆鹫3 3 ，令f 。= 0 ，在越。萃独终矮下有 摊曲2 正( t ) “d ( t ) 经傅里叶变换有：u a b ( s ) = f s ( s ) u d ( s ) 得滤波电感电流： i l l ( s ) = u a b ( s ) x l ( s ) + x e ( s ) 】 其中x l ( s ) 和x c ( s ) 分别表示滤波电感和滤波电容的阻抗 电感电流经过级开关网络变换得逆变器输入端电流： i d i ( s ) = f s ( s ) i l l ( s ) = f 2 s ( s ) u d ( s ) x l ( s ) + x c ( s ) 】 它相当于一个压控电流源。 褥令“。= 0 ，在受载电流攀独佟麓有： i l 2 ( s ) = x c ( s ) i l o a d ( s ) x l ( s ) + x c ( s ) 从褥i d z ( s ) = f s ( s ) i l 2 ( s ) = f s ( s ) x c ( s ) i l o a d ( s ) x l ( s ) + x c ( s ) 这稳当于一个独立电流源。 因此逆变器输入端等效电路可以用一个压控电流源支路和一个电流源支路 并联寒表示，鲡蚕3 - 4 所示： r d 图3 一逆变器输入端等效毫籍 奠( 。) x l ( s ) + x c ( s ) u d ( s ) ( 2 ) 埝蹬壤等效电路 对负载来说，逆变桥相当于个电压源。逆变桥输入由两部分组成：直流电 源电动势和电源内疆，与此楼对应，逆交撬竣毽蠛等效逛路分别圭这嚣簿分农羧 出端的等效电路组成。 根据图3 - 3 ，令r d = 0 ，则由直流电动势攀独在逆变器竣撼溃产黛熬电聪： u 曲1 ( s ) = f s ( s ) e d 它等效于一个电压源。 1 6 浙江大学硕士学位论文 令e d = o ，则输出滤波电感电流i l ( s ) 对应到逆变桥输入端电流： i d 2 ( s ) = f s ( s ) i g ( s ) 此电流在电源内阻上产生的压降 u a 2 ( s ) = i d 2 ( s ) r d = f s ( s ) l l ( s ) r d 该电压反映到逆变桥输出端为： u a b 2 ( s 户f s ( s ) u d 2 ( s ) = f 2 s ( s ) m s ) 。r d 它题一个龟滚控裁魄压源。 因此逆变器输出端等效电路可以用一个电压涎源和一个电流撩制电压源串 联泉表示，如匿3 - 5 鼹示： 图3 - 5 逆变器输出端等效电路 第二节单相电压型全桥逆变器的s p w m 调压方法 逆变器输出电压的调节一般来说有三种方式，即直流端调压、逆变器内部调 压稻输出端调压。逆变器内部调压方浅兼具变频窝调捱功能，结构镄壤，调节速 度快，转换效率和入端功率因数高，是一种 匕较理想的方式。 p w m ( 脉宽调制) 技术是通过控制输出电压的脉冲宽度，将壹漉电压调制 成等幅宽度可变的系列交流输出电压脉冲，采控制输出电压的有效值，并控制电 压谐波的分布和抑制谐波。p w m 技术可以迅速的控制输出毫压，动态响应好， 并可有效遗榔稍谐波，较之其它调压方式在输出电压膜量和效率方面商着明摄的 优势，因而得到了广泛的应用，应用技术也臼臻完善。p w m 波根据产生方法盼 不同，大致可隰分为：矩形波p w m ，正弦波p w m ( s p w m ) ，按谐波筛制原琏的 p w m ，自适成电流控制p w m 四类，这四种方式各肖优缺点，适用于各种不同 懿场合。本文豹工作主要是针对在线式正弦波u p s 邋交器，这一节主要讨论逆 变器的s p w m 调压方法。 浙江大学硕士学位论文 一、p w m ( 脉宽调制) 技术简介 p w m 是用一个控制信号与重复的三角波进行比较来产生功率开关管所需的 开关脉冲的。在d c d c 变换场合，控制信号是直流信号( 或者变化很缓慢) ， 这个控制信号决定了开关管的占空比，从而也就决定了输出电压的平均值。对于 正弦波逆变器来说，要求的输出电压为一定频率的正弦电压，这就需要相同频率 的正弦控制信号去同三角波进行比较，这就是所谓的s p w m 技术。图3 - 6 表明 了s p w m 原理。图3 6 a 中的v c o n t r o l 为控制信号，它的频率，l 决定了输出电压 的基波频率，1 又称调制频率。v t r i 为频率为店的三角波，届又称载波频率，它 o “a b 0，日同r 鳓1 01 厂 一l u d _ j uu 、斟划出7 l 1 f u d 图3 - 6s p w m 发生原理 决定了逆变器的开关周期。为了更为方便地讨论，首先介绍两个重要定义：幅度 调制比m a 和频率调制比m f 。 m a = p k ( v c o n t r 0 1 ) p k ( v t r i ) 卅f 咖) q 其中p k ( v c o n t r 0 1 ) 和p k ( v t r i ) 分别表示控制信号和三角波信号的峰值。图3 6 b 中 的u a b 为逆变桥输出电压，从图中可以看出，当v c o n t r o l v t r i 时u a b 为高电平， 否则u a b 为低电平，( u a b ) 1 为输出电压的基波分量。s p w m 具有以下两个特点： ( 1 ) 输出电压基波幅值随调制比m a 的变化连续可调输出，在m f 值较高条 件下，( u a b ) 1 和m a 间有线性关系，且与m f 值无关。 ( 2 ) 当m f 值较低时，调压的线性度变差，( u a b ) i 的实际值高于线性值，且 m a 值越大，偏差量亦越大。 塑垩查兰堡主兰焦堡苎 在满足啪。1