（电力系统及其自动化专业论文）基于dsp控制的单相在线式软开关ups研究.pdf

青岛大学硕士学位论文 a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h en e wd 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 ，a ne x p e r i m e n t a lc o n t r o ls y s t e mb a s e d o nt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7f o rs i n g l e p h a s eo n l i n eu p si sp r o p o s e di nt h ed i s s e r t a t i o n t h ew h o l es o l u t i o n o fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei sp r e s e n t e db a s e do nt h el e s o u r c eo ft h ed s pc o n t r o l l e rc h i p t h eh a r d w a r e o ft h ec o n t r o ls y s t e mm a i n l yc o n s i s t so ft h es a m p l i n ga n d p r e - p r o c e s s i n gu n i t so fa n a l o gs i g n a l ss u c h a so u t p u tv o l t a g e ，o u t p u tc u r r e n t ，i n p u tv o l t a g e ，e t c ，a n dt h ei n s u l a t i o na n dd r i v i n gu n i t so fp w m s i g n a l s u c 3 8 4 2i sc r e a t i v e l yu s e d t oc o m p o s et h ed r i v i n gc i r c u i t s oi tc a nn o t o n l ya c h i e v et h eb a s i c i n s u l a t i o na n dt h ed r i v i n gf u n c t i o n ，b u ta l s oc a ua c h i e v et h es e l f - d e c t i o no ft h ed r i v i n gc i r c u i t ，t h e o v e r c u r r e n tp r o t e c t i o na n dt h ez e r ov o l t a g ed e c t i o no fi g b t t h es o f t w a r ei n c l u d e sp r o c e d u r e st o c o n t r o la n dm o n i t o rt h eu p ss u c ha ss o f t w a r ep u p h a s e - l o c k e dl o o p s ) ，t h ev a l u em o d u l a t i o no ft h e o u t p u tv o l t a g ea n dt h ep r o d u c i n go fp w ms i g n a l s i nt h i sp a p e r , t h et e c b n i q u eo fs o f ts w i t c h i n gi s u s e di nt h el n v e r e r s ot h ee f f i c i e n c yo fi n v e r t e ri s i m p r o v e d , t h ee l e c t r o m a g n e t i cd i s t u r b a n c ei s r e d u c e d ，a n dt h ed e v i c ew o r k si nm o r es e c u r er a n g e 。t h ew h o l ed i g i t a ld e s i g nm a k et h ec o n t r o la n d d e b u g g i n gm o r ec o n v e n i e n t ，t h em o d i i c a t i o no fc o n t m ls t r a t e g y , c o n t r o lp a r a m e t e rm o r ee a s i e ra n d t h ee m b e d d i n go fm a l f u n c t i o ni n s p e c t i o n ，s e l f - d i a g n o s i s ，c o r r e c t i o na n dc o m m u n i c a t i o nm o r ee a s i e r t h en u m b e ro fc o m p o n e n ti sd e c r e a s e d ，s ot h es y s t e mm a l f u n c t i o nw h i c hi sc a u s e db yt h ec o m p o n e n t i sd e c r e a s e di nt h es a m et i m ea n dt h er e l i a b i l i t yi se n h a n c e d f i n a l l yb a s e do nt h ea b o v et h e o r ya n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t si nt h i sp a p e rm a k e ss o m e c o r r e l a t i v ee x p e r i m e n t e x p e r i m e n tr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ev o l t a g eo fi n v e r t e rs w i t c hh a sb e c o m ez e r o v o l t a g e s i t u a t i o n sb e f o r et h es w i t c h t r i g g e rs i g n a lc o m i n g s o i tr e a l i z e st h a tt h ez e r o v o l t a g e s o f t - s w i t c h i n gi sa c h i e v e d t h ev o l t a g ep e a kv a l u e i sd e c r e a s e d o b v i o u s l ya tt h eo nt i m e s ot h es w i t c h l o s si sd e c r e a s e dt o o a tt h es a m et i m e ，t h et h di sr e d u c e do b v i o u s l y , s ot h eq u a l i t yo f o u t p u tw a v ei s i m p r o v e d w h e nt h el o a d i su n l o a d e ds u d d e n l y , t h ef l u c t u a t i o no fc l o s e l o o p o u t p u tw a v e f o r n li s s m a l l e rt h a nt h eo p e n l o o pa n dt h eh o m e o s t a t i cp e a kv a l u eo f v o l t a g ei ss t a b l e t h ew h o l es y s t e mh a s n i c ei n p u ta n d o u t p u tc h a r a c t e r i tc a no f f e rp e r f e c tp o w e rs u p p l y f o rm a n ys i t u a t i o n s k e yw o r d s ：d s p ；s o f t - s w i t c h i n g ；u p s ；d i g i t a lc o n t r o l 第一章绪论 1 1 课题的提出及意义 第一章绪论 当今时代，计算机技术迅速发展，计算机已广泛地被应用到电力、通信、银行、 化工、军事等各行各业。尤其是计算机网络和电信网络有机结合在一起的第三代互 联网的兴起，其必将承担起向国民经济各个重要领域提供3 6 5 x 2 4 d 、时的高可靠、高 安全度和高速的信息资源服务( 由于高速光纤传输骨干网的建立，当今网络的传输率 己从几年前的m b s 级提高到t g b s 级1 。这些网络数据交换中心必须提供尽可能大的 数据吞吐量，必须具有足够的带宽传输性，以便向终端用户提供高速、高效的互联 网信息增殖服务。要求网络数据交换中心在执行数据的处理、存储和运输的过程中， 其误码率应该尽可能低，以便向终端用户提供连续和准确无误的信息资源。而现代 工业的发展使供电网络的负载越来越复杂，特别是大型用电负载的启动和停止，大 型可控电力电子设备的应用以及网络内部噪声会使交流正弦波发生畸变。另外，自 然界的雷电，电网的接地不良等因素均影响到电网的供电质量。由于以上因素的影 响，可能会导致接在电网上的计算机设备，包括通信、医疗等精密的工业仪器设备 发生失控、丢失数据、停机、损坏等严重后果，直接影响到用户的正常工作，造成 经济损失或其他严重事故。如何解决这些市电问题，正是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 ) 不间断电源的责任所在。u p s 的产生至今已经历了4 0 多年的历程，在这个漫 长的过程中，u p s 设备的技术水平和功能在不断的变化着。近年来，随着半导体工 业、电子电路技术和网络技术的迅猛发展，u p s 设备技术本身也在不断的进步和改 善。在u p s 设备中，由于采用了以微处理器为核心的数字信号处理( d s v ) 技术、高速 网络通讯及高可靠的c a n 网络技术为代表的软件可编程技术，以及d e l t a 变换电路结 构、输入功率因数校i e ( p f c ) 技术、智能化故障自诊断技术、智能化电池充放电管理 和电池性能预测技术、远程网管型u p s 监控技术、图型化输出的人机对话型菜单 操作的液晶显示技术等为代表的u p s 设备新技术新工艺的开发和应用，使得当今 u p s 设备无论是在输出容量上，还是在基本性能、智能化管理和可靠性、可维护性 及可管理性上，都获得了长足的发展和进步。如今它已经不是一个简单的电网停电 后可以继续维持向负载供电的设备，它还肩负着全面改善供电质量，并通过智能管 理、智能监控和网络通讯实现对整体电力基础设施的保护，成为一个有强大管理功 能的信息技术设备，已经完全融入企业信息系统，并成为其中不可缺少的一部分】。 因此，适合现代科技发展的高质量、高可靠性u p s 不间断电源的研究就成为人们十 分关注的课题。 青岛大学硕士学位论文 1 2u p s 技术发展过程 u p s 最初是为了适应计算机技术的发展而产生的，它经历了由动态向静态、由 可控硅向i g b t 、由模拟控制向数字控制等很长的一段发展过程【3 - 5 1 。 最初的u p s 电源是在二十世纪六十年代出现的，靠电动机所带飞轮惯性提高输 出电源的质量和提供后备供电时间( 一般不超过5 秒) 6 1 ；然后出现了以蓄电池组供电 给直流电动机带交流发电机提供后备电源的供电系统，这种方式供电效率较低；再 后来是靠内燃机提供后备供电的u p s 电源，这种u p s 设备庞大笨重、操作不够灵活、 而且效率低、噪声大。这些都是动态方式的u p s 电源。随着电力电子学的发展，大 功率的电能转换成为可能，于是出现了静态u p s ，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。这种 u p s 具有没有振动、噪音低、体积小、控制灵活、效率高等优点，现代u p s 基本上 都是静止型的。 最初的静态不间断电源的控制电路采用了分立器件，主电路采用晶闸管 7 】。对 于复杂的控制功能，只有采取更多的控制线路板才能完成。由于晶闸管的关断需要 外在的条件，如电流为零，阴极电压高于阳极电压等。要完成关断功能，需要有 个反向的电压加在晶闸管的阴极与阳极之间，一般在晶闸管的回路中串联电感来实 现此功能，这些都使得整个系统变的十分复杂且稳定性差。 随着大功率晶体管和集成电路的出现，新一代u p s 也随之诞生。晶体管和集成 电路可以使主电路和控制电路更加简单、系统更加可靠、效率明显提高。u p s 技术 从此走向成熟，并开始广泛应用于各个领域。 目前先进的u p s 多采用i g b t 作为功率器件【引。控制电路采用8 位和1 6 位的微处理 器。i g b t 是电压驱动型器件，其驱动电流只有1 0 - 9 a 。比晶体三极管更加易于驱动。 而i g b t 的频率特性也要远远好于晶体三极管，使用i g b t 的u p s 电源开关频率可达到 2 0 k h z 以上。同时，微处理器的使用使u p s 更加易于控制，智能化更高，操作更简 单。 从控制角度上来讲，最初的静态u p s 逆变装置的控制方式是阶梯波叠加，利用 相位不同的阶梯方波叠加出含有较低谐波的正弦波，再经滤波器滤除谐波后供给负 载。现在广泛应用的技术是各种正弦波脉宽调制技术阻1 1 l ，逆变器功率单元的输出 是谐波含量非常低的宽度按正弦规律变化的方波阵列。使用体积较小的滤波器就可 滤除谐波，获得非常低的波形失真度，同时可以保证更好的动态特性。 近年来，由于功率因数校正技术、i g b t 逆变驱动技术、远程监控和调制解调技 术及由智能化u p s 供电系统等为代表的一批u p s 新技术的应用，使得如今的u p s 供电 第一章绪论 系统变的越来越完善，对各种负载的适应能力大大加强，产品种类越来越齐全。现 在的u p s i 业已具备了向用户提供从几百伏安的小型单相u p s 直至数千伏安的大型 三相u p s 供电系统的能力。随着经济的飞速发展，u p s 的应用范围将更加广泛，而 科学技术的日新月异也将使酐3 u p s 的性能更加完善。 1 2 1u p s 的组成 所有的u p s 都具备蓄电池和逆变器两个主要组成部分；此外，所有u p s 还应具 有静态转换开关，以便迅速断掉故障供电通道，接入正常供电通道。除d e l t a 变换 型和在线互动式u p s # b ，其它类型u p s 还带有整流器和充电器，用来得到逆变所需 的直流电压和完成对蓄电池的充电。 n ) 整流充电器 整流器是指将交流市电转换为直流电的装置，一般采用二极管全桥整流或可控 硅相控整流。近年来，随着对电源输入性能要求的提高，要求u p s 的输入功率因数 不能太低，并尽量减小输入电流的谐波和从电网吸取的无功能量。这样原先的不可 控整流电路及相控整流电路就不能满足新的要求，随着新型功率器件和新的控制方 式的出现，使得电源的输入功率因数提高到接近单位功率因数成为可能l 挖4 斟。比较 普遍的方法是采用功率因数校正电路，直接提高整流器的输入功率因数，和减小输 入谐波电路。如采用单相p f c 电路或p w m 整流电路等。 充电器是指给蓄电池充电的装置。充电器必须具有稳压和限压功能。此外，电 池的充电电流不能过大，所以充电器需要具有稳流和限流功能。 ( 1 ) 蓄电池 蓄电池是u p s 的心脏。目前的u p s 中蓄电池大都采用密封铅酸蓄电池，因为它 使用维护方便。蓄屯池是u p s 中最容易损坏的部件。造成其损坏的原因主要有：充 电电压过高、充电电流过大、电池深度放电等。因此，要求给蓄电池充电的充电器 必须具有很高的稳压精度并具有限流功能。此外，要求u p s 系统具有完善的蓄电池 充放电监控装置。 ( 2 ) 逆变器 逆变器是u p s 的核心，它负责把整流滤波后得到的直流电或蓄电池存储的直流 电转化为用户所需的稳压稳频的交流电。对于大多数u p s 来说，逆变器输出电压质 量的高低，很大程度上决定了整个u p s 电源的性能。 逆变器分为方波输出、梯形波输出和正弦波输出几种形式。方波输出u p s 多采 用直流脉宽调制( p w m ) 技术，而正弦波输出u p s 则采用正弦波脉宽调伟i ( s p w m ) 技 术， 逆变器的主电路结构形式多种多样，有全桥型、半桥型及推挽型等。小功率后 青岛大学硕士学位论文 备式方波输出不问断电源多采用推挽式【1 6 1 ，结构简单，控制方便。中大功率u p s 一 般采用全桥式或半桥式结构。为了滤除高次谐波，逆变桥后按有l c 滤波器。 与普通正弦波逆变器不同的是，u p s 逆变器输出电压在相位上必须与市电电网 保持同步。这样，一方面可以避免在逆变器输出和市电输出之间进行切换的瞬间u p s 输出电压出现大的波动；另一方而，如果在切换过程中出现瞬间市电和逆变器同时 向负载供电的情况，它们之间的同步会减小逆变器与市电电网的瞬时电压差，避免 引起大的环流造成系统损坏。同步是通过控制电路中的锁相电路来实现的，它保证 了正弦波信号的频率和相位在市电正常时与电网相同，从而逆变器输出电压与市电 同步。锁相功能可以通过模拟锁相环来实现，也可通过软件方法实王见【1 7 4 9 1 。 d ) 转换电路 转换电路是保证u p s 供电不问断的关键部分，同时起到保护u p s 和负载的作用。 当u p s 输出过载时，为了保护逆变器，转换电路将输出由逆变器切换到市电；当市 电故障时，为了保证负载供电的连续性，转换电路又可将电源输出由市电切换到逆 变器。切换元件分为机械继电器和静态开关两种。与采用有触点的机械开关相比， 静态开关具有以下优越性： 1 1 系统的可靠性高。机械开关动作时不可避免的存在机械磨损。此外，机械开 关在断开大电流时会产生电弧，不仅会造成开关磨损，而且强烈的电弧干扰有可能 影响电子线路的正常工作。静态开关无运动部件，从而保证了系统切换的稳定性和 可靠性。 2 ) 转换速度高。为了保证供电的不间断性，要求切换装置的转换动作在几个毫 秒内完成。而机械开关的动作时间一般在l o m s 以上，不可能满足上述要求。静态开 关的导通时间一般在微秒数量级，完全可以满足快速切换要求。 静态开关在正常时存在一定的导通损耗，为了减小损耗，提高效率，转换电路 可以采用静态开关与机械继电器并联使用【2 0 】。 保护和显示电路 为了使电源能够稳定可靠的工作和使用户能方便操作，u p s 应设置相应的保护 和显示电路。电源通过显示屏或其他方式告知用户u p s 的输入电压、输出电压、输 出电流以及电源各部分的状态和故障信息。电源应具有输入过压，欠压保护、输出过 压保护、过流保护、过温保护及其它必要的保护电路，以便在u p s 故障时及时采取 相应措施，保证电源不受到损坏。更高级一点的u p s 还具有智能通讯功能，能及时 将电源的各种信息传送给上位机，并能接受上位机的指令对电源进行远程遥控。 1 2 2u p s 最新发展动向 当今u p s 的技术发展趋势可体现在以下几个方面： 4 第一章绪论 a 1 采用微机控制实现u p s 的智能化和网络化。 u p s 系统应做到对运行中的u p s 状态进行检测并能对u p s 出现的故障及时的发 现和进行处理，减d u p s 因故障或检修而造成的间断时间，使其成为真正的不间断 电源1 2 ”。为了实现这些功能，必须借助于计算机技术，充分发挥硬件和软件的各自 特点，实现u p s 的智能化。 b 1 在主功率部分采用软开关技术。 为了减小装置的体积和重量，并消除变压器和电感的音频噪声，改善输出电压 的动态响应能力，u p s 需要尽量提高开关频率。但是高频化又带来了新的问题：在开 通和关断瞬间产生的电压和电流尖峰将可能使开关器件的状态运行轨迹超出安全工 作区( s o a ) ，影响开关的可靠运行：开关损耗将随开关频率成正比上升；过高的d v d t 、 d i d t 将产生严重的电磁干扰( e m i ) 。由此新的软开关技术应运而生。软开关指的是在 开关管两端电压为零时或者在开关管流过的电流为零时导通或关断开关管。这样可 以使导通和关断损耗大大降低【翻。软开关技术的应用使变换器具有更高的效率、更 高的功率密度以及更高的可靠性，并可有效地减小电能装置引起的电磁污染( e m i ) 和环境污染( 噪声等) 。 c ) 用全数字控制手段控制u p s ，使u p s 能有效地满足各种负载的要求( 如非线性负载、 - - t h 不平衡负载1 ，即向数字化发展。 传统的u p s 控制系统多为模拟控制或模拟与数字相结合，其缺点有： 控制电路的元件比较多，体积庞大，结构复杂； 灵活性不够，硬件电路一旦设计完成，控制策略就不能改变； 调试比较麻烦，由于器件特性的差异，致使电源一致性差，且模拟器件的 工作点漂移，会导致系统参数的漂移，从而给调试带来不便。 因此，传统的u p s 电源在许多场合己不适应新的要求。 为了解决上述传统的逆变技术的诸多问题，人们开始研究数字方式控制的u p s 。 随着高速、廉价的数字信号处理器d s p 的出现，功率电子变换器的控制正在由传统 的模拟控制逐步向数字控制发展，于是便出现了d p s ( d i g i t a l p o w e r s u p p l y ) 数字电源 t 2 3 - z s i 。其优点有： 数字化控制可以实现复杂的非线性控制策略，提高控制系统的性能。由于 开关器件的存在，电力电子中的各种变换器一般是强非线性系统。传统的模拟控制 只是在变换器的近似线性模型的基础上利用频域分析法设计补偿网络。这种设计方 法虽然具有设计简单、实现容易等优点，但一般很难提高系统的控制性能。数字控 制可以根据非线性模型来实现各种非线性控制策略，如自适应控制、模糊控制等， 这样就可以大大提高控制系统的性能； 数字控制具有很强的抗干扰能力。模拟控制器的稳定性依赖于所选用元件 青岛大学硕士学位论文 的稳定性。但是模拟元件的参数容易随环境和温度的变化而变化，如电阻、电容等 都有一定的温度系数，所以模拟控制的稳定性很差。数字控制用数字来表示控制量， 这样就可以很大程度上提高系统的稳定性和可靠性； 数字控制系统具有更好的灵活性。数字控制是用软件来实现各种控制策略， 因此在设计过程中如果要改变控制策略或控制参数，只需改变控制程序就可以了， 而不象模拟控制器那样需要改变整个控制系统的硬件。同时，数字控制器也可更容 易的实现输出电压调节、电压保护、电流保护、功率保护、故障监测等功能，使得 电源具有“智能化”； 如果将网络通讯和电源软件调试技术相结合，可实现远程遥感、遥测、遥 调； 最终实现电源模块化、集成化、绿色化。 数字控制的这些优点大大提高了变换器的整体性能，使得功率变换器成为具有 高精度、高可靠性、高效率和高功率密度的设备，使得u p s 电源由模拟控制向数字 化控制必将成为今后的发展趋势。 d ) 采用冗余并机技术提高u p s 的容量和可靠性，即实现大容量u p s 的单相冗余化。 当今u p s 电源的发展趋势是大功率化和高可靠性。虽然现在已经能生产几千 k v a 的大型u p s ，完全可以满足大功率要求的场合。但是，这样整个系统的可靠性 完全由单台电源决定。为了提高系统的可靠性，就必须采用冗余式并机方式 2 6 2 8 】。 u p s 的并联运行可以带来以下几方面的好处：1 ) 可以用来灵活地扩大电源系统 的容量。2 ) 可以组成并联冗余系统以提高运行的可靠性。3 ) 具有极高的系统可维修 性。当单台u p s 出现故障时，可以很方便地通过热拔插方式进行更换和维修。 1 2 3 国内外研究现状 u p s 技术是一项实用技术，国内外各大电源公司、生产厂家以及科研院所都在 进行u p s 数字化的研究。国外及台湾已经将许多先进技术应用到实际系统中，生产 出了许多知名品牌的u p s ，如东芝公司、台达公司以及山特公司等。他们能生产从 几百伏安的小型u p s 到几千伏安的大型u p s ，其电源的性能和可靠性都已经达到 了较高的水平。国内对u p s 数字控制方面的研究比较少，主要集中在少数知名院校， 且大多数处在实验阶段，没能将它们应用到实际系统中去。从目前国内市场上看， 国内生产厂商基本不能生产大型u p s ，国内的大型u p s 市场几乎全部被国外公司 占领。对于中小型u p s 来说，虽然国内许多生产厂家可以生产，但其产品的可靠性 和性能远远不如国外的同类产品，整个中小型u p s 市场9 0 以上都被国外公司占 领。所以加强u p s 数字化控制方面的研究以及进行相应的产品研制就具有十分重要 的意义。 6 第一章绪论 1 3 本文研究的主要内容 本文研究工作的目的是实现基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 的u p s ( 或逆变器) 的数字化控 制，开发出相应的数字化控制硬件和软件平台，为下一步的产品化应用建立基础。 本文的研究工作主要包括以下几个方面：各类信号的采集和处理；研究现有的 控制技术，确定采用输出电压瞬时值及有效值双环反馈的数字p i d 调节器；实现输 出波形控制；生成数字正弦基准、并实现市电跟踪：逆变器的软开关实现及开关管 的隔离和驱动等。 本文一共分为六章。 第一章介绍了课题的背景和意义，并介绍了u p s 的组成，及国内外的发展动态。 第二章主要是对单相在线式u p s 的工作原理进行详细的分析，首先介绍了u p s 的分类，然后对单相在线式u p s 的工作原理及控制方式进行了详细的阐述，最后分 析了本u p s 电源系统主电路各个组成部分及其工作原理。 第三章给出了系统的测量与控制部分的硬件电路设计及为了增强控制电路的 抗干扰能力，增加系统的稳定性所采取的硬件抗干扰措旌。 第四章给出了软开关逆变器的设计方法。分析了半桥零电压谐振式软开关的工 作过程，并依据谐振回路的设计要求选取了谐振电感及电容。给出了功率开关管的 选取方法并用u c 3 8 4 2 自己搭建了驱动电路。最后结合m a t l a b 的仿真结果及工 程实际确定了输出滤波电感的取值。 第五章给出了数字控制的软件实现方法。详细列举了s p w m 基准信号生成、 市电跟踪、电压有效值采样、软启动、数字p i d 调节器等具体的实现方法及程序中 所采用的软件抗干扰措施，并绘出了相关的程序漉程图。 第六章对整个系统进行了开环及闭环条件下的试验对比分析，验证了本数字控 制系统的可行性。 青岛大学硕士学位论文 第二章单相在线式u p s 工作原理分析 2 1 u p s 的分类 不间断电源的种类多种多样，按输出波形可分为方波输出、梯形波输出及正弦 波输出三类；按输入输出相数可分为单入单出、三入单出和三入三出三种类型；按 输出容量来分可分为小型u p s ( 5 k v a 以下) 、中型u p s ( 5 k 、，a 1 0 0 k 、，a ) 及大型 u p s ( 1 0 0 k v a 以上) ；按工作原理分类可分为动态u p s ；f f l 静态u p s 两大类。其中静态 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 1 2 9 , 3 0 1 ，下面分别加以介绍。 1 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 1 为在线式u p s 的原理框图。在线式u p s 无论市电是否正常，其功率流程都是“市电一e m i ( e l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c e ) 滤波一整流滤波( 掉电时为电池) 一逆变器一静态开关一输出”。 只有当逆变器发生故障或过负荷时，才通过静态转换开关切换到市电旁路，此时其 功率流程是“市电一e m i 滤波一静态开关一输出”。有的用户还各有柒油发电机，可 以在市电停电5 1 0 秒之内投入n u p s 电源的输入端，可以在长时间停电的情况下向 用户提供高质量的正弦波电源。图2 1 只是在线式u p s 的大体框架，有几种不同设计： 有的u p s 将充电器部分和整流滤波部分设计成一个单元，既给逆变器提供负载电流 又为电池充电；有的u p s 将进入逆变器的直流电进行d c d c 变换，升压后再经逆变 器变换成要得到的2 2 0 v 交流电：有的u p s n 在逆变器后加工频变压器将输出交流电 压升至i j 2 2 0 v 。 在线式u p s 的特点是：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。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。全部负载功率都由逆变器提供， 输出能力受限制。整流器和逆变器都承受全部负载功率，整机效率比较低。 2 后备式u p s 后备式u p s 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 的原理结构和在线式基本一样，但工作方式不一样。市电电压 在1 7 0 一2 6 4 v 的范围内时，它向用户提供经变压器抽头调压处理的一般市电电源， 仅当市电电源电压低于1 7 0 v 或高于2 6 4 v 时，才向用户提供真正的逆变器输出的高质 量的正弦波电源。后备式u p s 的工作原理如图2 2 所示。 第二章单相在线式u p s 工作原理分析 图2 1 在线式u p s 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问的限制， 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1 k v a 以下。 惹 图2 2 后备式u p s 3 在线互动式u p s 在线互动式u p s 与在线式u p s 相比，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【3 1 , 3 2 l 。当市电正常时，向外提供的是仅对 市电电网电压稍加稳压处理的质量偏低的正弦波市电电压；仅当市电供电不正常时， 在线互动式u p s 由它的逆变器向外提供质量较高的正弦波电源。其原理框图如图2 3 所示。 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。 青岛大学硕士学位论文 蓄电 池组 图2 3 在线互动式u f s 4 d e l l a 变抉型u p s d e l l 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 l a 变换嚣和主变换 器构成0 3 , 3 4 1 ，其原理框图如图2 4 所示。 d e l l a 变换型u p s 的优点是：负载电压由主变换器的输出电压决定，输出电能 质量好。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围) ，所以整机效率 高，功率余量大，系统抗过载能力强。输入功率因数高，可达9 9 ，输入谐波电 流小。但是d e l l a 变换型u p s 主电路和控制电路相对复杂，可靠性差。 变换器i 主变换器 蓄电池组 图2 , 4 d e l i a 变换型u p s 一 一p 第二章单相在线式u p s 工作原理分析 2 2 在线式u p s 工作原理 u p s 不问断电源的基本原理是将输入的交流电整流转换成直流电，一方面为备 用蓄电池充电，另一方面再将其逆变转换为稳压稳频的交流电。设计的基本点有两 个：一个是u p s 输出的稳定性，即输出电压和频率都必须保持稳定( 在一定精度范 围内1 ；另一个是u p s 输出的不问断性，即要实现不问断供电。整个系统是紧紧围 绕这两个要点进行的。 图2 5 系统整体结构框图 普通市电电源经常会遇到以下问题：市电电压不稳，有时甚至还会发生供电 中断市电频率波动过大由于用户在电网上投入计算机、通讯设备和家用电器之 类的非线性负载以及大功率电机的投切都会对电网污染而造成正弦波形的严重畸 变从电网串入的各种干扰和高能浪涌，显然不能满足对高质量电源的需求。 如图2 5 所示，u p s 电源要完成的控制功能是将供电质量较差的普通市电转换 为高质量的电源供给用户使用。普通市电首先经e m i r f i 但l e c t r om a g n e t i c 1 1 青岛大学硕士学位论文 i n t e r f e r e n c e r a d i o f r e q u e n c yi n t e r f e r e n c e ) 滤波器对来自电网的传导型电磁干扰和射 频于扰进行衰减抑制处理后，然后经升压整流滤波为4 - 3 8 0 v 直流稳压电源供逆变 器直接使用，逆变器由d s p 进行s p w m 脉宽调制，并采用p i d 控制技术进行波形 矫正。这样，市电中的所有干扰几乎都被屏蔽掉，避免了由市电带来的任何电压或 频率波动及干扰等对用户的影响，而且提高了系统的动、静态性能。 u p s 开始正式工作之前首先有一个5 s 左右的开机延时过程，以使控制板等有 关电路供电稳定，然后是一个大约4 秒左右的缓启动过程，目的也是使输出平滑、 稳定，并避免由于输出变化太快而引起的器件损坏或输出不稳定。缓启动过程结束 后u p s 开始正常工作。平时市电经整流器变换成直流电，再由逆变器将直流电转换 为纯净的正弦交流电压。同时，另一路市电经整流后对蓄电池进行充电，一旦市电 中断，立即切换为蓄电池供电，经逆变转换为正弦交流电供给负载。如果在市电正 常供电状态下，逆变器出现故障，则静态转换开关动作转向由市电直接供电。如果 静态开关的转换是由于逆变器故障引起，则u p s 发出报警信号；如果是由于过载引 起，当过载消失后，静态开关重新切换到逆变器输出端。 要完成上述u p s 功能主要取决于所采用的控制方式。一般在线式u p s 都采用 电压双环的控制方式。内环为瞬时值电压环，该环反馈速度较快且和开关频率一致， 用来调节输出的波形。外环为有效值反馈环，该环反馈速度较慢且反馈量是直流量， 用来调节静差，所以调节速度不能太快。 如图2 6 所示，有效值给定v ，为一直流量，用以决定基准的幅值大小，从而调 节输出为精确的2 2 0 v 。在u p s 系统中还要求基准能实时跟踪市电的频率和相位， 当锁相单元采集到市电电压的频率和相位信息时，再结合幅值的直流给定量，生成 一个与市电电压的频率和相位均一致的且使输出为2 2 0 v 的交流基准v r 。f 通过输 出电压采样电路，可以得到u p s 的输出电压反馈量v f ，该量反映了u p s 输出的波 形畸变程度，需要和基准一起通过电压调节器( 采用p i 控制方式) 生成新的v ， 用其与三角载波迸行调制，生成s p w m 信号来驱动逆变器。由于该环直接决定输 出波形质量，所以反馈速度要快，通常为2 0 k h z 左右。内环的p i 电压调节器为典 型的有差调节系统，不能消除静差，这也就决定了需要增加一个外环用以消除静差。 显然外环必须体现输出幅值量的大小，且为一直流量。由于是调节静羞故反馈不能 过快，该反馈量v f l 可通过隔离变压器采样，再进行滤波得到。v f l 再和直流给定量 v ，一起进行外环电压调节，通常外环的电压调节器也是p i 电压调节器。上述的电 压双环调节系统构成了u p s 逆变的主要控制部分。 2 3 主电路结构 本u p s 系统的主电路分为功率因数校正及升压、d c - d c 变换和输出逆变三大 1 2 第二章单相在线式u p s 工作原理分析 部分。如图2 7 所示 有效 图2 6 电压双环调节系统 1 ) 输入功率因数校正及升压部分 本系统将传统u p s 中的p f c ，整流及升压部分用单独的一级电路来取代，整个 电路只用到一个电感t 1 ，两个i g b t 开关管q 1 和q 2 ，两个整流二极管d 3 和d 4 及四个电容c 1 、c 2 、c 3 和c 4 ，经过电感与电容的谐振可以使i g b t 零电压开通， 从而减少开关损耗。输入电流，输入电压及直流母线电压隔离采样后先经过a d 转 换，这些转换值再经过数字p i 调节后，给比较单元产生一个新的比较值，该比较 值将在下一个开关周期改变p w m 波形的占空比，从而达到控制p f c 输出电压为 3 8 0 v ，及输入电流为正弦波的目的。在输入母线上加一个电流互感器，将输入母线 电流取样至d s p 的a d 转换接口，经过p w m 输出控制主电路开关管的通断，从而 实现输入电流与输入电压的相位跟随。p f c 部分为在线u p s 系统提供了功率因数近 似为1 的谐波电流很小的输入电流，而且为逆变器提供了稳定的直流电源，与无功 率因数校正的u p s 系统相比减少了对电网的污染。 2 1 d c d c 部分 d c d c 变换部分如图2 7 中右半部分所示，由q 6 、q 7 及t 3 和q 8 、q 9 及t 4 组成。直流母线电压进行采样后再进行a d 转换，经过p i 调节器来改变p w m 波形 的占空比，从而实现d c d c 部分的闭环控制。我们将d c d c 的输出电压设计 成略低于直流母线的电压，这样无论市电正常与否，都能为逆变器提供稳定的直流 电压。本系统中d c d c 部分采用的是桥式可逆斩波电路，从而可以实现能量的双 向流动，进而可以省略蓄电池的输入充电器部分，节省了体积及成本。 3 ) 输出逆变部分 青岛大学硕士学位论文 输出逆变部分采用的是半桥逆变，逆变桥由q 3 和q 4 组成，反馈信号经过输 出电压采样电路隔离采样后分别送到各自的a d 转换通道，经过电压双环p i 调节， 产生所需的s p w m 信号，再经过驱动电路控制逆变开关管的通断，最后通过l c 滤 波电路产生所需的正弦波形。主开关管通过谐振实现软开关，可以减少开关损耗， 提高工作频率。 d ， ：。j ( ：岱。啊“ i 旦一l 0 1 l r 。v 、 一 啦j 【奉d 1 c l q l 垠章d 2 a 啦i 霸j ( 斜 岱甫鼯 _ 喁 一 2 。4 本章小结 一 图2 7 主电路结构图 本章介绍了u p s 的分类，并对在线式u p s 的工作过程做了详细的分析，逆变 器的控制采用的是内环为电压有效值反馈，外环为电压瞬时值反馈的双环p i 调节 方式，可使系统的动态、静态性能得到改善。最后给出了系统的主电路结构图，并 对主电路的各个组成部分进行了介绍。 第三章控制部分及测量部分硬件电路设计 第三章控制部分及测量部分硬件电路设计 本章所介绍的测量和控制部分包括主控板的设计，测量板的设计。本设计的测 量部分和控制部分是分开来分别在两块板子上的，分开来有几个好处：控制部分的 数字信号和测量部分模拟信号分开，便于分开调试及修改设计方案。 3 1 主控板设计 主控板使用两片微处理器，一片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ( 下简称2 4 0 7 ) ，一片w 7 7 e 5 8 。 2 4 0 7 完成测量板送过来的模拟信号的测量和计算、发出控制逆变器的信号、完成和 上位机的通讯、键盘操作、故障报警、以及控制静态开关切换的作用；w 7 7 e 5 8 完 或液晶显示功能。2 4 0 7 通过s p i 及s c t 接口和w 7 7 e 5 8 及上位税通讯。 图3 1 主控板结构框图 主控板的结构框图如图3 1 所示。有开关量输入输出电路、s p w m 输出电路、 d s p 和上位机通信电路以及w 7 7 e 5 8 和液晶模块的接口电路。由于2 4 0 7 的强大的 片内外设功能，使整个主控板的设计十分简洁明了，从而整个系统的可靠性大大提 高。 3 2 数字控制器硬件平台 如图3 2 所示为数字控制器硬件平台的整体结构框图。j t a g 为d s p 的仿真接 口，外接仿真器；r e s e t 外接系统复位电路，给d s p 提供复位信号；p d p i n t a 为 功率驱动保护中断引脚，当电源逆变器出现故障时，该中断有效，将p w m 输出引 脚置为高阻态；p w m 输出单元将s p w m 脉冲序列送至驱动电路，来驱动开关管的 导通和关断。p l l 锁相环可以对外部振荡频率进行倍频，得到非常稳定的内部时钟： t 5 蕊矿淘 青岛大学硕士学位论文 电源管理单元提供d s p 工作所需的3 3 v 电压；外扩r a m 拓展了d s p 的数据存储 空间，可以满足系统进行复杂运算的需要；a d 转换接口将采集到的模拟信号转换 成d s p 可处理的数字信号。 模拟量 输入 可 信号 调理 电路 仿真嚣 3 2 1 电源管理单元 电源管理单元 ，1 1 a o r e s e rf i p d p ! n t 4 p w m 输出 幽 ! 竺! 竺! 兰 圈3 2 数字控制器硬件平台整体结构框图 p i 正顾相环 。_ _ 。 _ - 。 驱动电路