【正文】 若電流 Li 為正，電流流向?yàn)椋弘娫?負(fù)極 ????? 42 VDRCLVD 電源正極，此時(shí)電壓 mcVV?? 。大小、波形不同的窄脈沖變量，例如電壓 v(t)，作用于慣性系統(tǒng) (例如 LR 電路 )時(shí)，只要他們的沖量，即變量對(duì)時(shí)間的積分相等，其作用效果相同，形成的電流響應(yīng)也相同。 其等效正弦波為 tUm 1sin? ,而 SPWM 脈沖系列波的副值為 2dU ，各脈沖寬度不等，但中心間距相同，都等于 N? ， N 為正弦波半個(gè)周期內(nèi)的脈沖數(shù)。電壓只在“正”和“零”之間變換，主電路 每次只有 T1， T2管反復(fù)導(dǎo)通與關(guān)斷。 4）傳統(tǒng)的產(chǎn)生 SPWM 波形的方法能夠用于逆 變器中實(shí)現(xiàn)幅度和頻率可調(diào)的正弦波電壓。計(jì)數(shù)器啟動(dòng)后，從 0 開始往上計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器達(dá)到設(shè)定值后，計(jì)數(shù)器往下計(jì)數(shù)到 0，然后接著開始下一周期的計(jì)數(shù)。 此外， DSP 還有電源驅(qū)動(dòng)保護(hù)功能，利用 引腳 PDPINT （電源驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷）可為系統(tǒng)的安全提供保障。采樣保持時(shí)間發(fā)生在計(jì)數(shù)器的值為最大（或?yàn)榱悖┑臅r(shí)刻，此時(shí)的電感電流的高頻紋波已經(jīng)損耗了，采到的波非常純凈。但是在非線形負(fù)載，或當(dāng)負(fù)載 突變時(shí)，輸出的正弦波電壓將發(fā)生畸變。為了減少輸出電壓的諧波分量，人們普遍采用正弦波脈寬調(diào)制（ SPWM）技術(shù)。在此我們采用一種新的采樣時(shí)序，其采樣時(shí)序圖見（圖 4~6）。 DSP 的全比較單元具有可編程的死區(qū)單元（通過設(shè)置死區(qū)控制寄存器 DBTCONX 的值來實(shí)現(xiàn)）。它們產(chǎn)生 PWM 波形的工作原理如下： 2 設(shè)置計(jì)數(shù)器 1 的工作模式。 2）微控制器實(shí)現(xiàn)由于受到系統(tǒng)時(shí)鐘頻率和計(jì)算能力的限制， SPWM 的脈沖頻率不會(huì)很高。 當(dāng) K=1，且令 22sin ii ??? ，則可以得到基波分量的幅值 2)]2 12[ s in (2 11 iNidm NiUU ??? ???? ?? 將 i? 的表達(dá)式代入有 iNimm iNUU ?? s in]2 )12([ s in211 ??? ?? 再將 i? 的表達(dá)式代入有 ]2 )12([ s in]2 )12([ s in2 11 ?? ???? ?? iiNUUNimm 21 ]2)12([ s in2 ??? ??iNU Nim ]2 )12(c o s1[1 ???? ?? iNU Nim mm UNNU ???? 0 由此可見，輸出電壓的基波電壓正是調(diào)制時(shí)所要求的正弦波。 SPWM 波有兩種：?jiǎn)螛O性 SPWM 和雙極性 SPWM。 這種調(diào)控方法屬于逆變器通過改變開關(guān)信號(hào)自 身調(diào)節(jié)其輸出波形的方法，是一種高效的控制手段。 圖 41 單相全橋逆變電路 singlephase fullbridge inverter circuit 工作過程分析： 1）當(dāng) 1GU ， 2GU 為高電平時(shí)，不妨設(shè)電流Li為正， 1T ， 3T 導(dǎo)通，電流流向?yàn)椋弘娫凑龢O ????? 31 TRCLT 電源負(fù)極 ,此時(shí)電壓 cm VV? 。 主電路及 PI 調(diào)節(jié)器的參 數(shù)選擇 本 PFC 電容的最大功率為 1KW，此時(shí)輸入電流的有效值為 5A 左右，若要滿足電感電流連續(xù)則有： HfsIUL m m 33 1011020252 3102 ???????? 在此部分設(shè)計(jì)輸出電壓為 400V，滿功率運(yùn)行時(shí)，負(fù)載電阻 RS=160,根據(jù)前面的分析有 若要使紋波 小于 1%，將各量的值代人可得 C≥ 1000106。） 電感越大則交越失真的時(shí)間越長(zhǎng)，如果要求交越失真的時(shí) 間減少，電感值不能選得過大。 5）不計(jì)功率損耗。 15V；測(cè)量帶寬直流： 10KHz；跟蹤測(cè)試電流速度： di/dt≥ 50A/μ s。 ，動(dòng)態(tài)性能好，其相應(yīng)時(shí)間小于 1μ s 靈敏度。而且與逆變的控制部分等綜合在一起，容易實(shí)現(xiàn) UPS 單芯片控制。 THD 低，可在較寬的輸入電壓范圍內(nèi)工作，體積小，重量輕。 其中 21I ， 22I ， 2nI 為基波分量，二次諧波， n 次諧波 分量的有效值。 分析：交流電源經(jīng)全波整流后接一個(gè)大電容器，可以得到較為平滑的直流電壓。 1 3 功率因數(shù)校正 概述 功率因數(shù)是衡量電器設(shè)備性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。 總的來說，對(duì)于在線式 UPS，除了逆變器發(fā)生故障之外，輸出端的信號(hào)總是由逆變器提供。 UPS 正常工作時(shí)有以下幾種情況 : (1)當(dāng)市電正常時(shí)，逆變器的工作電壓由市電經(jīng)過整流濾波后提供， DSP 控制電路產(chǎn)生SP WM 信號(hào)驅(qū)動(dòng)逆變器，將直流信號(hào)轉(zhuǎn)換成純凈的正弦波信號(hào)輸出給負(fù)載。小功率 UPS 采用繼電器作為靜態(tài)開關(guān)，本文采用的是可控硅作為靜態(tài)開關(guān)，一對(duì)反向并聯(lián)的可控硅就可以作為轉(zhuǎn)換器件使用，轉(zhuǎn)換時(shí)間為微妙級(jí)。控制芯片在充電過程中檢測(cè)兩個(gè)物理量 :電池電壓和電池電流。在市電中斷時(shí)，蓄電池為 UPS 提供應(yīng)急能 源，將存儲(chǔ)的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能。前者常用于大功率 UPS，后者用于小功率 UPSo 整流之后的電信號(hào)只是一個(gè)帶有波紋的直流信號(hào)，除了直流成分以外，還有交流成分。 本章小結(jié) 簡(jiǎn)要介紹 UPS 的分類、發(fā)展趨勢(shì)、項(xiàng)目研究的背景和意義，提出了基于 DSP 的數(shù)字化 UPS 逆變電源的控制方案。系統(tǒng)升級(jí)也十分方便，可以在線調(diào) 試，在線更新 DSP 算法，而不 7 用修改外圍電路。 (1).模擬電路多采用分立元件，電路板的設(shè)計(jì)和制作的難度較大，電路制作 的成本較高。即使有一臺(tái) UPS 機(jī)器發(fā)生故障，其他 UPS與被動(dòng)后備式和在線互動(dòng)式相比，雙轉(zhuǎn)換式有效的改變了電網(wǎng)質(zhì)量不穩(wěn)的問題，不論輸入信號(hào)如何，都可以根據(jù)需求改變輸出信號(hào)的幅度和頻率。雙轉(zhuǎn)換式 UPS 增加了旁路電路，如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，可將輸出端切換到旁路供電，便于系統(tǒng)的檢修而不影響用電設(shè)備的供電。圖 11(a)和圖 11(b)分別表明了被動(dòng)后備式 UPS 在市電正常情況下和市電過壓、欠壓及功率不足情況下的工作原理。按 照輸入輸出方式分，有單相輸入、單相輸出，三相輸入、單相輸出，三相輸入、三相輸出 。在 UPS 系統(tǒng)中，結(jié)合高質(zhì)量的逆變器和精準(zhǔn)的數(shù)字控制技術(shù)， UPS 在某些程度上也解決了市電電網(wǎng)中存在的種種問題，例如電壓浪涌、尖峰電壓、欠壓、頻率不穩(wěn)定、諧波干擾等。 2 1 緒論 選題的背景和意義 隨著信息科技和電子電力技術(shù)的迅猛發(fā)展，各式各樣的用電設(shè)備層出不窮，而絕大多數(shù)用電設(shè)備是非線性負(fù)載，它們從電網(wǎng)獲取的電流和電壓波形不一致，因此給電網(wǎng)帶來的極大的諧波危害，造成供電質(zhì)量愈來愈差。 UPS是一種含有儲(chǔ)能裝置，以逆變器為主要組成 部分 的恒壓恒頻的不間斷電源。 UPS 逆變電源的控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)采用 TI 公司的 32 位 TMS320LF2407A 作為逆變控制信號(hào)和驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)產(chǎn)生的主芯片。同時(shí) UPS 也具有改善電網(wǎng)電力質(zhì)量的作用。 在完成 UPS 逆變電源控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，本文將控制系統(tǒng)和 UPS 整機(jī)進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試。 UPS 設(shè)備通常對(duì)電壓過大和電壓太低都提供保護(hù)。 UPS(Uninterruptible Power System)正是在這種背景下應(yīng)運(yùn)而生。從使用 UPS 的行業(yè)分布來看，除電信、金融、通信等行業(yè)依舊規(guī)模巨大之外，一些以往在市場(chǎng)上份額不大的行業(yè)，例如制造業(yè)、交通業(yè)、能源業(yè)等行業(yè)，對(duì) UPS 的需求量呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì)。 被動(dòng)后備式 (Passive Standby) 被動(dòng)后備式 UPS 是最基本的不間斷電源 形式。 蓄 電 池 組 逆 變 器充 電 器市 電 輸 入多 接 頭 電 壓 可 調(diào)式 自 耦 變 壓 器 (a)市電正?；蛏杂胁▌?dòng)時(shí)在線互動(dòng)式 UPS 的工作原理圖 (a) LineInteractive UPS Running Principle when Normal AC Supply or Small over/under Voltage Condition 蓄 電 池 組 逆 變 器充 電 器市 電 輸 入多 接 頭 電 壓 可 調(diào)式 自 耦 變 壓 器 (b)市電大幅波動(dòng)時(shí)在線互動(dòng)式 UPS 的工作原理圖 (b) LineInteractive UPS Running Principle when Large over/under Voltage Condition 圖 12 在線互動(dòng)式 UPS 的工作原理圖 Fig 12 LineInteractive UPS Running Principle 在線互動(dòng)式 UPS 允許輸入電壓在小范圍內(nèi)波動(dòng)，無論電壓偏高還是偏低，只要在變壓器允許的范圍之內(nèi)， UPS 就不會(huì)切換成蓄電池逆變供電，以節(jié)省有限的蓄電池能量。雙轉(zhuǎn)換式 UPS 的價(jià)格比較昂貴，常用于工業(yè)設(shè)備、數(shù)據(jù)中心等電力環(huán)境嘈雜的大型負(fù)載。開關(guān)器件的更新?lián)Q代，使得器件轉(zhuǎn)換時(shí)間不斷縮短，器件承載的電流強(qiáng)度不斷增加。輸入端高效的濾波電路和輸入功率因數(shù)校正電路，有效地抑制了電路本身的諧波信號(hào)，改善電網(wǎng)電力污染。 (4).以模擬器件為主的電路需要調(diào)整參數(shù)。 (3).DSP 通過 ADC 接口與系統(tǒng)相連，采集系統(tǒng)電壓、電流、相位等參數(shù)，通過 GPIO 和PWM 發(fā)出控制信號(hào)，控制開關(guān)器件，維持系統(tǒng)運(yùn)作。在線式 UPS的系統(tǒng)框圖如圖 21 所示。 2 (2)功率因數(shù)校正電路 功率因數(shù) PF ( Power Factor)指的是交流輸入有功功率 P 和視在功率 S 的比值， 即 : PPF S? 在 UPS 系 統(tǒng)中，交流輸入信號(hào)經(jīng)過整流后，直接加到濾波電容和蓄電池兩端。除此之外，浮充充電的方式還可以改善 UPS 的瞬態(tài)響應(yīng)。逆變之后的交流電消除了市電的尖峰、浪涌、諧波干擾等不穩(wěn)定因素。 DSP 的 I/0 通道作為各種開關(guān)量的控制端，根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況實(shí)時(shí)地驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)開關(guān)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)正常運(yùn)作。 DSP 控制器不斷地采集輸入和輸出端電壓的幅度和頻率，并根據(jù)算法實(shí)時(shí)修正輸出信號(hào)的波形。 本章小結(jié) 本章對(duì)在線式 UPS 系統(tǒng)進(jìn)行了介紹。因此防止和減小電流諧波對(duì)電網(wǎng)的污染，抑制電磁干擾，已成為全球性普遍關(guān)注的問題。大量的諧波電流分量倒流入電網(wǎng)，造成對(duì)電網(wǎng)的諧波污染，一方面產(chǎn)生“二次效應(yīng)”，即電流流過線路阻抗造成諧波電壓降，反過來使電網(wǎng)電壓也發(fā)生畸變；另一方面，會(huì)造成電路故障使變電設(shè)備損壞?？煽啃愿撸求w積大，笨重，校正的效果不理想，通常經(jīng)無源功率因數(shù)校正可達(dá) 。電感電流經(jīng)過霍爾元件采樣后與參考信號(hào) cmdi 進(jìn)行比較，送入到電流控制環(huán)中以實(shí)現(xiàn)電感電流 Li 能時(shí)刻跟蹤 cmdi ，在穩(wěn)定工作時(shí)，電壓控制環(huán)的輸出基本不變，所以乘法器的輸出 cmdi 也基本上是和輸入電壓成比例的波形，這樣就實(shí)現(xiàn)了輸入電流對(duì)輸入電壓的跟蹤。 霍爾電壓元件的原理：當(dāng)電流流過霍爾元件時(shí)，在它的副邊會(huì)產(chǎn)生與原邊電流一定比例的電流。 15V；測(cè)量精度：≤177。s integrated device electric current measures the circuit 經(jīng)過霍爾元件的隔離與運(yùn)放的處理后，送入到 DSP 的 AD 轉(zhuǎn)換的電壓不但滿足 0—15V 的范圍；還與主電路隔離了，因此提高了整個(gè)電路的抗干擾能力。當(dāng) S 導(dǎo)通時(shí)， ofD =0；當(dāng) S 關(guān)斷時(shí)，ofD =1； offon DD ??1 。這時(shí)有 )s in ()0()( 12122 ??? ??? tu LIUlDdmmo ff (mm ULIarcg 1?? ? ) （ 35） )0(du 為電容的直流輸出電壓，忽略紋波。由于時(shí)間及條件有限，在此暫不討論。 （ ii）若電流 Li 為負(fù)，電流流向?yàn)椋弘娫凑龢O ????? 24 TLRCT 電源負(fù)極，此時(shí)電壓 mcVV?? 。這就是SPWM 技術(shù)的理論基礎(chǔ)。 令第 i 個(gè)矩形波形寬度為 i? ，中心點(diǎn)相角為 i? 。如果讓T1， T2， T3， T4 交替導(dǎo)通與關(guān)斷，則輸出脈沖在“正”和“負(fù)”之間變化，就可得到雙極性 SPWM 波形。當(dāng)負(fù)載為線形時(shí)還好，但它不是對(duì)輸出電壓進(jìn)行逐點(diǎn)控制的，因此該逆變器帶非線形負(fù)載時(shí)，電壓將發(fā)生畸變，諧波增加，嚴(yán)重影響負(fù)載的正常工作。 每個(gè)比較單元有一個(gè) 16 位的比較寄存器。如果 PDPINT 未被屏蔽，當(dāng) PDPINT 被拉低后，所有的 PWM 輸出均為高阻狀態(tài)。而且這個(gè)時(shí)間正好是功率器件導(dǎo)通或關(guān)斷的一半位置，因此，采樣的值即為一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電感電流的平均值。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因在于它們的控制算法。它們能夠在負(fù)載變化時(shí)提供輸出穩(wěn)定的正弦波電壓。這樣回 15 導(dǎo)致 信號(hào)的延時(shí)，影響控制的穩(wěn)定。 圖 45 全比較單元產(chǎn)生帶死區(qū)的 PWM 波形圖 Fig. 45 all produce more units with the PWM waveform dead 分析：由于功率器件有一定的關(guān)斷時(shí)間，當(dāng) T1 關(guān)斷時(shí)， T2 不能馬上導(dǎo)通，否則會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)管子同時(shí)導(dǎo)通導(dǎo)致器件的損壞。 DSP 在逆變器中的應(yīng)用 帶死區(qū)信號(hào)的產(chǎn)生 DSP 芯片的事件管理模塊 EVA/B 各有三個(gè)全比較單元， 每個(gè)全比較單元有兩個(gè)相應(yīng)的比較 /PWM 輸出。 1）采用比較器電路實(shí)現(xiàn) SPWM 波形原理簡(jiǎn)單