【正文】 其中市電方波信號(hào)產(chǎn)生電路如圖 53 所示 ，相位信號(hào)經(jīng)過 74HC14 變成方波信號(hào)，送到 DSP 的外部中斷引腳，觸發(fā)中斷從而實(shí)現(xiàn)鎖相。 B U S +B U S S A 4 8 2 8ABCUVW逆 變模 塊I G B T△ Y△ △ △L C濾 波 器負(fù)載相 電 位檢 測(cè)隔 離 驅(qū) 動(dòng) 電 路B U S 電 壓檢 測(cè)市 電 相 位 信 號(hào)D S P 控 制 器相 電 壓 、 B U S 電 壓 檢 測(cè)鎖 相 環(huán)重 復(fù) 控 制 圖 51 三相 UPS 逆變系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 Figure 5 1 Threephase UPS inverter system topology map 姜璐：三相不間斷電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 30 由于 DSP 芯片 TMS320F240 采用的是哈佛結(jié)構(gòu)，地址總線和數(shù)據(jù)總線分開，沒有地址鎖存信號(hào) ALE，而 SA4828 則采用單總線結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)和地址總線復(fù)用，所以要根據(jù) SA4828的時(shí)序，采用特定的接口設(shè)計(jì)才能到達(dá)對(duì) SA4828 的控制。 本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn) DSP 控制的三相大功率 UPS 逆變環(huán)節(jié)的控制，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的最終目的是：實(shí)現(xiàn)逆變系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)壓控制，逆變輸出標(biāo)準(zhǔn)的 50Hz、 220V 的正弦交流電，且能承受各種不平衡負(fù)載直至滿載負(fù)荷 [4]。 作為系統(tǒng)管理器， DSP 必須具備強(qiáng)大的片內(nèi) I/O 和其它外設(shè)功能。只有當(dāng)電網(wǎng)供電中斷，旁路隨之消失的情況下， UPS逆變器才按照自己的自振頻率產(chǎn)生輸出電壓。 （ 4）旁路相位跟蹤 如果逆變輸出和旁路輸出之間相位差別很大，就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)問題 :在轉(zhuǎn)接過程中可能有這么一瞬間 UPS逆變電壓和市電電壓同時(shí)向負(fù)載供電，如果這一瞬間電網(wǎng)電壓是正弦的正半波，而逆變器輸出電壓是正弦的負(fù)半波，這二者疊加的結(jié)果，一是使用電設(shè)備瞬間斷電遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 (因?yàn)檎?fù)半波抵消 )，使機(jī)器停機(jī) :二是使電網(wǎng)與 UPS形成短時(shí)間的短路環(huán)路，尤其是當(dāng)市電電壓不是斷電而是變化超過限值，這樣正半波與負(fù)半波形成環(huán)路的結(jié)果就是不能使靜態(tài)開關(guān)關(guān)閉，一直到熔斷絲燒斷 (如果裝有熔斷絲的話 )，或?qū)㈧o態(tài)開關(guān)燒開路，或?qū)⒃O(shè)備燒壞。 （ 1）蓄電池組 蓄電池組是 UPS的心臟，沒有蓄電池組的 UPS只能稱作為交流穩(wěn)壓穩(wěn)頻電源。這樣，在這一個(gè)周期中，雖然輸出波形質(zhì)量得不到很好保證，但輸出電壓卻不至于產(chǎn)生突變。本系統(tǒng)采用比例控制和嵌入式重復(fù)控制相結(jié)合的控制方案，保證了系統(tǒng)具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和較高的輸出波形質(zhì)量。這樣，如果系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)干擾，則消除干擾對(duì)輸出的影響至少需要一個(gè)基波參考周期，而 在干擾出現(xiàn)后的這一個(gè)參考周期內(nèi)，系統(tǒng)對(duì)干擾不會(huì)產(chǎn)生任何調(diào)節(jié)作用，即此時(shí)系統(tǒng)近乎處于開環(huán)狀態(tài)。其傳函為： 1() 1 NGz z?? ? （ 315） ++e ( z )c ( z )z N 圖 39 重復(fù)控制內(nèi)模 Figure 3 9 Repeat internal model control 圖中 N 是每基波周期對(duì)輸出電壓的采樣次數(shù)，當(dāng)環(huán)節(jié)輸入信號(hào)（對(duì)應(yīng)實(shí)際系統(tǒng)的輸出電壓誤差） e 每周期重 復(fù)出現(xiàn)時(shí)，輸出 c 是對(duì) e 的逐周期累加，只要輸入不為零，輸出的幅值將逐周期增長(zhǎng)。 姜璐：三相不間斷電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 22 000110 0 0 033110 0 0 033110 0 0 033110 0 033110 0 033110 0 0330ab abbc bcc a c aaabbccCCuuCCuuuuCCRiiL L Lii RL L LiiRL L L???????????? ? ? ?? ? ? ????? ? ? ?? ? ? ???? ? ? ??? ? ? ????? ? ? ?? ? ? ?????? ? ? ?? ? ? ?????? ? ? ?? ? ? ???? ? ? ????????110 0 033110 0 0 033110 0 0 03320003 3 320003 3 320003 3 3ABCd d d oaobdddocdddCCdCCddCCU U U IL L L IUUUIL L LUUUL L L????????????????????????????????????????????????? （ 314） 逆變系統(tǒng)控制方案的設(shè)計(jì) 對(duì) UPS 的逆變器波形控制系統(tǒng)而言，其指令是按正弦波變化的，其擾動(dòng)（即負(fù)載電流）也不是 一個(gè)恒值。 三相橋式逆變器數(shù)學(xué)模型的分析 分析數(shù)學(xué)模型是理論研究和設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)和基礎(chǔ)，建立三相電壓型橋式逆變器的數(shù)學(xué)模型，是分析和研究三相 PWM 逆變系統(tǒng)的基礎(chǔ)。 （ 1）電流反饋型 這種方法通過檢測(cè)逆變器的三相輸出電流的極性來確定補(bǔ)償電壓。 死區(qū)效應(yīng)及其補(bǔ)償 隨著雙極型晶體管、 GTO、 IGBT 等快速半導(dǎo)體器件的實(shí)際應(yīng)用， PWM 技術(shù)得到了迅速普及。 圖 37 是三相 SPWM 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生電路。 RRRUWVVDPQNi2 圖 35 逆變器工作模式 2 Figure 3 5 Inverter mode 2 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 等效電阻： 222322232323EDDEDunDvn w nRRRRVViRRVv i Ri R Vvv? ? ??????? ? ? ? （ 32） (3) 模式 3（ 2π 3 ≤ wt ≤ π） ， T T T3 有驅(qū)動(dòng)信號(hào)。換流一次，在任何瞬間都有三個(gè)開關(guān)元件同時(shí)導(dǎo)通，并按 3， 4， 5， 6， 1， 2順序?qū)?。三相輸出電壓大小相等，也互?12039。同時(shí)，在恒壓環(huán)運(yùn)行的過程中，始終監(jiān)測(cè)充電電流的信息，發(fā)現(xiàn)充電電流大于設(shè)定值一定時(shí)間后再自動(dòng)切換回恒流環(huán)運(yùn)行。其中， GI (S)為電流調(diào)節(jié)器，這里也是采用的 PI調(diào)節(jié)器。其中 el, e2分別為正誤差。因此，直流電壓的穩(wěn)壓控制環(huán)給定為浮充電壓。在這樣的控制目標(biāo)指導(dǎo)下，整流器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的主要功能就包括以下幾個(gè)方面 : (1)恒壓 /恒流充電以及充電模式的自動(dòng)轉(zhuǎn)換 。對(duì)于三相全橋六脈沖的整流器而言，輸入電流的諧波成分主要是 5 2 2 0 V / 3 8 0 VA CR 1S C RL 5C 5R 5R 0L 0 U d = 3 9 5 VI d = 1 1 0 AC 0 = 6 3 3 0 u F / 4 5 0 VL 1 圖 22 三相整流器仿真示意圖 Figure 2 2 Schematic simulation of threephase rectifier 次和 7 次諧波。無源校正可以在 UPS 輸入端或直流側(cè)加入濾波電感， 或者在交流側(cè)接入 LC諧振陷波濾波器。 Φ 為輸入電壓與輸入電流基波分量之間的相位角，稱為位移角 [11]。由于電容在體積、重量方面相對(duì)于電感有明顯的優(yōu)勢(shì)，因此在 UPS 中，一般是采用大電容濾波構(gòu)成電壓型中間直流環(huán)節(jié) [20]。 U b U aU cI cI aI bI dI c 圖 2—1 UPS 系統(tǒng)的整流部分結(jié)構(gòu)圖 Figure 21 UPS system rectifier chart 三相整流器的 濾波 整流電路把交流電壓轉(zhuǎn)變成直流電壓，并不是一個(gè)純粹的直流電壓，而是一個(gè)脈動(dòng)的直流電壓，它除了直流成分外，還包含著不同頻率、不同振幅的交流成分 （通常稱為諧波）。但是，網(wǎng)側(cè)的諧波卻沒有降低，仍必須增設(shè)網(wǎng)側(cè)濾波器。為了使后面的電路更好的工作，整流器應(yīng)能保證輸出的電壓或者電流按照要求可控，并維持良好的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)綜合性能 ，實(shí)現(xiàn)在市電缺相、錯(cuò)相、電壓、頻率嚴(yán)重超差，直流母線過載及短路等多種異常情況下的保護(hù)。 在對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，分為整流器部分、逆變器部分和其他輔助功能部分三大主題，主要完成了交流輸入濾波回路和整流回路的設(shè)計(jì)、蓄電池及充電回路的設(shè)計(jì)、 PWM 脈沖寬度調(diào)制型的逆變器的設(shè)計(jì)、各種保護(hù)電路的設(shè)計(jì)、控制回路的設(shè)計(jì)等。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，供電網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載越來越復(fù)雜，特別是大型用電設(shè)備的啟動(dòng)和停止，大型可控電力電子設(shè)備的應(yīng)用以及網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部噪聲會(huì)使交流正弦波發(fā)生畸變。 UPS 組成及基本工作原理 UPS 不間斷電源的主要任務(wù)是向用戶的關(guān)鍵設(shè)備提供高質(zhì)量的無時(shí)間中斷的交流電源。 (4)模塊化。數(shù)字控制可以用軟件的手段實(shí)現(xiàn)控制算法，能很好的解決控制系統(tǒng)元器件老化和 溫漂帶來 的問題、抗干擾能力也大大增強(qiáng)。開關(guān)頻率提高可以有效減少裝置的體積和重量，消除變壓器和電感的音頻噪聲，使得用 于濾波電路的電感、電容大大減少， UPS的效率、噪聲、體積、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和精度大大提高。但在市電不正常時(shí)，繼電器將逆變器切換至負(fù)載，切換時(shí)間較長(zhǎng)，一般需幾個(gè) ms 的間斷，所以稍微重要的計(jì)算機(jī)設(shè)備 不應(yīng)該 選用被動(dòng)后備式 UPS 電源。 UPS 電源 在線互動(dòng)式 UPS 電源的逆變器并聯(lián)連接在市電與負(fù)載之間，起后備電源作用，同時(shí)逆變器 作為 充電器給蓄電池充電。這種 UPS 電源的供電方式如下：市電正常時(shí)，市電經(jīng)過整流器之后由逆變器向負(fù)載供電；市電不正常時(shí)，由蓄電 池 經(jīng)逆變器向負(fù)載供電，無轉(zhuǎn)換時(shí)間。當(dāng)市電輸入正常時(shí)， UPS 將市電整流通過逆變器或直接穩(wěn)壓后供給負(fù)載使用，此時(shí)的 UPS 就是一臺(tái)交流穩(wěn)壓器，同時(shí)還可向機(jī)內(nèi)蓄電池充電。以上這些干擾以傳導(dǎo)和輻射的形式進(jìn)入電源進(jìn)而竄入電子設(shè)備，造成系統(tǒng)工作效率降低、計(jì)算數(shù)據(jù)丟失、邏輯功能混亂，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成系統(tǒng)硬件損壞，使系統(tǒng)工作陷于癱瘓 [16]。其不足之處是當(dāng)容量少于 10KVA時(shí)，其整機(jī)效率不高，一般在 85％左右。 UPS 電源 被動(dòng)后備式 UPS 電源的逆變器并聯(lián)連接在市電與負(fù)載之間，僅簡(jiǎn)單地作為備用電源使用。同時(shí)，經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)使得 UPS 的應(yīng)用范圍更加廣泛，而科學(xué)技術(shù)的日新月異，也將使 UPS 的性能更加完善，因而 UPS 必將得到持續(xù)發(fā)展 。但是其缺點(diǎn)也是顯而易見的，大量的分立元件和電路板使得制造成本高、電路復(fù)雜、參數(shù)易漂移、元件老化、系統(tǒng)的調(diào)試、故 障檢測(cè)和維修困難、益受環(huán)境干擾等。隨著技術(shù)的發(fā)展和相應(yīng)政策法規(guī)的出臺(tái)， UPS 的 綠色化勢(shì)在必行。 (5)智能化。在未開機(jī)時(shí)旁路通道是閉合的。 UPS 不僅使供電無中斷，而且還具有穩(wěn)定輸出電壓和抗干擾等功能。 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 2 三相在線式 UPS 系統(tǒng)整流部分的設(shè)計(jì) 本章從三相在線式 UPS 的整流部分入手，分別從原理和結(jié)構(gòu)上討論 了其構(gòu)成、控制思想和實(shí)現(xiàn)等問題，對(duì)整流部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)。但是，系統(tǒng)的成本 比較高、體積比較大，控制也比較復(fù)雜。 本文所研究的 UPS 單機(jī)容量有 60KVA，屬于中大容量的 UPS 系統(tǒng)。電壓型是采用大電容濾波，利用電容器對(duì)直流不能通過，而對(duì)交流成分呈現(xiàn)較大的阻抗，以達(dá)到短路交流，減小 整流器輸出電壓脈動(dòng)成分的目的。 輸入功率因數(shù)（ PF）是整流器的重要指標(biāo)之一，它的定義為：交流電源輸入有功功率平均值 PAC 與其視在功率 S 之比。經(jīng)過有源校正的整流器輸入電流的 THD 一般小于 10%，而經(jīng)過簡(jiǎn)單無源校正的在 30%左右。但是實(shí)際上，如果每一種諧波都考慮的話，濾波器的復(fù)雜程度和成本都是不能容忍的。 當(dāng)整流器啟動(dòng)時(shí)，或者當(dāng)電池放電后的充電，要求整流器在提供逆變器所需的電流的同時(shí)，以設(shè)定的恒流值對(duì)電池恒流充電。下面分別說明控制器的構(gòu)成和參數(shù)。 K1為電壓采樣的比例系數(shù)。 充電電流的閉環(huán)控制 在整流器控制板上設(shè)置撥碼開關(guān)，形成三個(gè)恒流給定值，按照不同的充電需要手動(dòng)選取。恒流充電期間，整流器工作在電流環(huán)。 逆變器主電路結(jié)構(gòu) 三相 UPS逆變器的主電路可以采用兩種結(jié)構(gòu)。導(dǎo)電方式，即橋臂上各元件的導(dǎo)電角度均為 180186。三相橋的 U、 W 兩點(diǎn)接正電位P， V 點(diǎn)接負(fù)電位 Q。方波），相電壓則為階梯波，逆變器輸出電壓中的基波僅取決于直流電壓 VD 的大小而不能調(diào)節(jié)控制，最低諧波階次為5，且諧波含量大。 Vur(t)、 Vvr(t)、 Vwr(t)與雙極性三角載波電壓 V 相比較產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào) VG VG VGVG VG VG2，控