【正文】 的 0000h 單元讀取復(fù)位向量。 TMS320F240 具有超強(qiáng)的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力和很快的處理速度（ 20MPIS）等特點(diǎn)，使 CPU能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，基于這一點(diǎn)，本系統(tǒng)用軟件實(shí)現(xiàn)逆變重復(fù)控制算法和鎖相控制算法。 以上這些場(chǎng)合都要求 UPS逆變輸出與電網(wǎng)電壓同頻同相， UPS中稱為 “鎖相 ”，也就是“同步 ”、 “跟蹤 ”電網(wǎng)電壓的意思。當(dāng) UPS輸出過(guò)載時(shí)，為了保護(hù)逆變器，在市電正常時(shí) UPS通過(guò)靜態(tài)開(kāi)關(guān)將輸出由逆變器轉(zhuǎn)換到市電，即旁路。這些輔助部分雖然在 UPS正常運(yùn)行的時(shí)候不起決定性的作用，但是當(dāng) UPS的運(yùn)行條件和工作狀態(tài)不再按照預(yù)期的方向進(jìn)行時(shí)，輔助功能可以保證整個(gè)系統(tǒng)最大限度的堅(jiān)持安全工作，對(duì)負(fù)載和 UPS本身來(lái)說(shuō)都是不可缺少的保護(hù)神。這時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行所需的控制作用大多由重復(fù)控制器提供，控制作用是調(diào)節(jié)器 N 個(gè)積分環(huán)節(jié)對(duì)歷史誤差累加作用的結(jié)果。比例控制對(duì)跟蹤誤差立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，響 應(yīng)速度較快，但是比例控制跟蹤精度不高，波形畸變嚴(yán)重。由此可見(jiàn)，嵌入式重復(fù)控制器結(jié)構(gòu)實(shí)際上是把重復(fù)控制器當(dāng)作 給定量的校正器使用。 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 UPS 逆變系統(tǒng)的重復(fù)控制需要的內(nèi)模是：穩(wěn)態(tài)，即輸出電壓誤差已衰減至零時(shí)，它仍能產(chǎn)生逐周期重復(fù)的控制作用，以抵消重復(fù)性非正弦負(fù)載電流的影響。將上式代替式36，則式 312 變成 式 314 即為在三相坐標(biāo)系下的狀態(tài)空間平均模型。這種方法同樣具有補(bǔ)償?shù)臏笮?。死區(qū)效應(yīng)不但會(huì)降低基波幅值，而且會(huì)產(chǎn)生低次諧波。 +V0*V0V RV r mf r參考波形成V u r ( t )V v r ( t )V w r ( t )V c f c+_+_+__+_+_+ 1 1 1V G 1 ,T 1V G 4 ,T 4V G 3 ,T 3V G 6 ,T 6V G 5 ,T 5V G 2 ,T 2 圖 37 驅(qū)動(dòng)信號(hào)生成 電路 Figure 3 7 Drive signal generation circuit 輸出電壓 V0的基波大小與調(diào)制系數(shù) M =V rm/Vcm成正比。對(duì)于三相逆變器也可采用 SPWM 控制方式。 RRRUWVVDPQNi1 圖 34 逆變器工作模式 1 Figure 3 4 Inverter mode 1 等效電阻： 1132223323EDDEDun wnDvnRRRRVViRRVvvVv i R? ? ?????? ? ? ? （ 31） （ 2） 模式 2（ π/3 ≤ wt≤ 2π/ 3）， T T T2 有驅(qū)動(dòng)信號(hào)。同一橋臂的上下元件交替導(dǎo)電，相位相差 180186。一種是三相橋式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)由于所用的開(kāi)關(guān)元器件少，相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路也相對(duì)簡(jiǎn)單，因此廣泛地應(yīng)用于三相逆變的場(chǎng)合。這種情況一般出現(xiàn)在 UPS剛剛開(kāi)機(jī)和電池經(jīng)過(guò)較深度放電之后。電流給定與電池充電電流檢測(cè)、調(diào)節(jié)器等一起構(gòu)成電流反饋控制環(huán) .以實(shí)現(xiàn)恒定電流充電。 整流器輸出的穩(wěn)壓精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)都會(huì)直接影響后面功率變換電路的運(yùn)行，因此為了獲得動(dòng)態(tài)和靜態(tài)都令人滿意的綜合控制性能，在整流器電壓環(huán)的 PI參數(shù)選擇上，采取了分段設(shè)計(jì)的方法。 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 直流電壓的閉環(huán)控制 直流電壓的參考值有兩個(gè)，一個(gè)是均衡充電電壓，另一個(gè)是浮動(dòng) 充電電壓。恒流充電過(guò)程中，實(shí)時(shí)對(duì)直流母線電壓進(jìn)行檢測(cè)，防止直流母線過(guò)壓。所 幸并不是所有的諧波都占有很大的比重，一般需要考慮的也僅僅是十次以姜璐：三相不間斷電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 10 下的諧波成分。目前，單相整流器常用有源校正的辦法，而三相整流器絕大部分都采用無(wú)源校正。如果輸入電壓為無(wú)畸變的正弦波，諧波電流在一個(gè)周波內(nèi)的平均功率為零，則輸入功率因數(shù)可以表示為： PF=Pac/S=VsIs1cosφ/VsIs=v電流型則是采用大電感濾波，是利用電感線圈對(duì)直流沒(méi)有阻礙 ，對(duì)交流成分呈現(xiàn)較大感抗，以達(dá)到衰減整流器輸出電壓中脈動(dòng)成分的目的?？紤]到成本和控制的復(fù)雜 性，我們選擇的整流部分結(jié)構(gòu)屬于晶閘管相控整流器。 解決 UPS 整流器無(wú)功問(wèn)題的另一個(gè)措施是采用不可控整流電路外加直流側(cè)電容濾波。 2. 1 整流部分的結(jié)構(gòu) 在 UPS 系統(tǒng)中，整流部分的作用是，當(dāng)市電存在時(shí)，實(shí)現(xiàn) AC→DC 轉(zhuǎn)換功能，一方面向 DC→AC 逆變器提供能量，同時(shí)還向蓄電池充電。 本文以不間斷電源 UPS 為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了三相在線式不間斷電源系統(tǒng)，單機(jī)容量為60KVA，實(shí)現(xiàn)單機(jī)三相正弦輸出。當(dāng)用戶按下位于 UPS 前面面板上的 “開(kāi)機(jī)啟動(dòng) ”的按鈕后，由市電經(jīng)變壓器轉(zhuǎn)換形成 UPS 的控制電路所需要的低壓直流電源電路，微處理器就會(huì)立即進(jìn)行初始化自檢操作程序，待一切正常后， UPS 進(jìn)入軟啟動(dòng)狀態(tài)，最后 UPS 的逆變器電源將進(jìn)入正常工作階段，此時(shí)， UPS 的靜態(tài) 開(kāi)關(guān)切換到逆變狀態(tài)。現(xiàn)在 UPS 的功能越來(lái)越完善，運(yùn)行中 UPS 狀態(tài)的檢測(cè)、 UPS 出現(xiàn)故障的及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理、無(wú)人值守實(shí)現(xiàn) UPS 的自動(dòng)開(kāi)關(guān)機(jī)，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制 UPS 的運(yùn)行狀態(tài)等都成為 UPS 研制和生產(chǎn)所追求的目標(biāo)。加裝高效 輸入濾波器、輸入采用功率因數(shù)效正技術(shù)和軟開(kāi)關(guān)技術(shù)都是綠色化的有益嘗試。因此，數(shù)字化是大勢(shì)所趨。 目前 UPS 的發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面 [16]： (1)高頻化。這種 UPS 電源，在市電正常時(shí)，負(fù)載完全由市電直接供電，逆變器不 做任何電能變換，蓄電池由獨(dú)立的充電器供電；當(dāng)市電不正常時(shí)，負(fù)載則由逆變器提供電能。因此在線式 UPS 能夠廣泛地應(yīng)用到各種對(duì)電源要求較高的系統(tǒng)中。因此，供電問(wèn)題對(duì)于電力系統(tǒng)的影響很大，為了保證重要部門或者設(shè)備電力供應(yīng)的連續(xù)性和可靠性，消除電網(wǎng)干擾對(duì)用電設(shè)備的影響，同時(shí)為了避免負(fù)載對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生干擾，出 現(xiàn)了不間斷供電電源系統(tǒng) UPS（ Uninterruptible Power System）。遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 1 緒論 1. 1 不間斷電源（ UPS） 概述 UPS，即不間斷電源，是一種含有儲(chǔ)能的裝置（常用蓄電池儲(chǔ)能），以逆變器為主要組成部分的恒 壓、 恒頻的電源設(shè)備，主要用于給單臺(tái)計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)或其他電力電子設(shè)備提供不間斷的電力供應(yīng)。 UPS 的分類 UPS 根據(jù)新標(biāo)準(zhǔn) IEC（國(guó)際電工委員會(huì)）按其結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理分為以下三類 [17]： UPS 電源 在線式 UPS 電源的逆變器串聯(lián)連接在交流輸入與負(fù)載之間，電源通過(guò)逆變器連續(xù)向負(fù)載供電，其結(jié)構(gòu)決定了其輸出與市電輸入無(wú)關(guān)。在線式 UPS 正是本文設(shè)計(jì)的對(duì)象。被動(dòng)后備式 UPS具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于某些非重要的負(fù)載，如家用計(jì)算機(jī)等。電力電子器件不斷推陳出新，其開(kāi)關(guān)速度也呈現(xiàn)數(shù)量級(jí)式的提升，這使得進(jìn)一步提高 UPS 逆變器的開(kāi)關(guān)頻率更加容易實(shí)現(xiàn)。數(shù)字化不僅是指在系統(tǒng)中應(yīng)用了數(shù)字器件，同時(shí)也是指整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)用了數(shù)字化的控制思想和方法。采用這些措施可以提高輸入功率因數(shù)，不僅能減少對(duì)電網(wǎng)的污染，降低無(wú)功損耗，起到環(huán)保和節(jié)能的效果，還可以加強(qiáng)抗電磁干擾能力，降低輻射干擾，提高運(yùn)行可靠性。這些功能采用一般的硬件和控制方法是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，通常借助于普通 UPS 加上微機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和通訊構(gòu)成智能化 UPS，采集并報(bào)告各種信息數(shù)據(jù)，分析并給出處理方法，便于及時(shí) 維護(hù)。 本文的選題意義及研究?jī)?nèi)容 UPS（ Uninterrupted Power Supply） ,有稱不間斷電源，它通常被置于市電電網(wǎng)和用電負(fù)載之間，其目的是改善對(duì)負(fù)載的供電質(zhì)量，并在市電故障時(shí)，保證負(fù)載設(shè)備的正常運(yùn)行。在理論分析的基礎(chǔ)上，建立了數(shù)學(xué)模型，論證了所選用的功率回 路結(jié)構(gòu)和控制方法的合理性。對(duì)本設(shè)計(jì)中的在線式 UPS 系統(tǒng)，其整流 部分 多 采用 可控硅整流器， 但也有 IGBTPWMDSP 高頻變換新一代整流器。這種電路的網(wǎng)側(cè)輸入功率因數(shù)可達(dá)到 以上，同時(shí)也省掉了繁雜的可控整流電路的控制驅(qū)動(dòng)部分。整流器的具體結(jié)構(gòu)如圖2—1 所示，在輸入 端加入 了交流濾波電感，用于改善輸入電流波形。整流輸出電壓的諧波頻率不高，為了獲得良好的濾波效果就需要采用較大的濾波器。cosφ （ 21） 其中， Vs 為給整流 器供電的交流相電壓有效值， Is 為交流相電流有效值， Is1 為相電流基波有效值，而 v=Is1/Is 定義為基波數(shù)值因數(shù)，或者畸變因子，它是基波電流有效值 Is1與總電流有效值 Is 之比。有源校正可以獲得更好的校正效果，功率因數(shù)可以提高到 或更高，但是無(wú)源校正簡(jiǎn)單、成本低、在三相電路效果較好、電磁干擾 EMI 小，而且損耗較小，不像有源校正要 影響效率 2%～ 4%。交流側(cè)的輸入電流是一個(gè)典型的奇諧波函數(shù)，因此它的傅立葉級(jí)數(shù)中也就不含有偶次諧波成分。當(dāng)電池電壓上升到設(shè)定的均充電壓時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)入恒壓充電，恒壓點(diǎn)為電池的 浮充電壓。前面的論述指出，一般 UPS正常運(yùn)行時(shí)，都是處于浮動(dòng)充電的狀態(tài)。 圖 24表示的就是根據(jù)電壓誤差范圍設(shè)計(jì)的不同的 PI參數(shù)。電流環(huán)的控制框圖如圖 25所示。恒流環(huán)運(yùn)行中，電池電壓隨著能量的補(bǔ)充緩慢上升，當(dāng)電池電壓達(dá) 到均充電壓時(shí)，控制系統(tǒng)自動(dòng)切換到恒壓控制環(huán)，進(jìn)入恒壓浮充狀態(tài)。另一種是由三個(gè)同等的單相逆變橋構(gòu)成的三相逆變器結(jié)構(gòu)，每個(gè)逆變橋的開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間互差 12039。以 T T2…T6 的次序依次控制各開(kāi)關(guān)元 件的導(dǎo)通，每隔 60186。 U 點(diǎn)接正電位 P， V、 W 接負(fù)電位 Q。在輸出電壓的每一個(gè)周期中，各開(kāi)關(guān)器件通、斷轉(zhuǎn)換多次，既可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)、控制輸出電壓的大小，又可消除低次諧波而改善輸出電壓波形。當(dāng)實(shí)際輸出電壓基波小于指令值 V0＜ V0*時(shí)，電壓偏差 △V0=V0*V0＞ 0,電壓調(diào)節(jié)器 VR 輸出的 rmV 增大， M 值增大，使輸出電壓各脈寬加寬，輸出電壓 V0增大到給定值 V0*；反之當(dāng) V0＞ V0*時(shí)， △V0=V0*V0＜ 0，遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 V rm減小， M 減小，使輸出電壓 0V 減小到 V0*。 死區(qū)補(bǔ)償 常用死區(qū)補(bǔ)償方法有兩種：電流反饋型和電壓反饋型。每次比較結(jié)果必須在下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期才能得到校正，同時(shí)存在輸出 PWM 的高 精度檢測(cè)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)起來(lái)較復(fù)雜。雖然 式 314 在形式上與式 312 非常相近，但它表示的是系統(tǒng)某時(shí)刻所在的一段時(shí)間里的平均效果，雖然兩者的變量符號(hào)一樣， 但表示的實(shí)際意義已經(jīng)改變，前者是實(shí)際狀態(tài)變量每一刻的瞬時(shí)值，后者是平均狀態(tài)變量。圖 39 是內(nèi)模的 z域形式，這是一個(gè)周期延遲正反饋環(huán)節(jié)，亦是一個(gè)周期信號(hào)發(fā)生器。 姜璐：三相不間斷電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 24 r +_e ++Q ( z 1 ) z N c ( z 1 )重 復(fù) 控 制 器U r++p ( z 1 )控 制 對(duì) 象++dyz N 圖 310 嵌入式重復(fù)控制系統(tǒng)框圖 Figure 3 10 Embedded repetitive control system block diagram 本設(shè)計(jì)所采用的重復(fù)控制方案 如圖 310 所示，重復(fù)控制雖然可以保證輸出波形精確跟蹤給定值，但它有一個(gè)致命的弱點(diǎn)：重復(fù)控制得到的控制指令并不是立即輸出的，而是滯后一個(gè)參考周期后才輸出。嵌入式重復(fù)控制具有對(duì)正弦給定信號(hào)近乎無(wú)靜差跟蹤的優(yōu)勢(shì)，輸出波形畸變率低，但由于對(duì)誤差的調(diào)節(jié)作用滯后一個(gè)給定信號(hào)周期，達(dá)不到系統(tǒng)對(duì)響應(yīng)速度的要求。另一方面，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)大的擾動(dòng)作用，如系統(tǒng)載荷突變或直流電壓突變，跟蹤誤差突然變大，由于有一個(gè)參考周期的延時(shí)，重復(fù)控制器輸出不產(chǎn)生變化，但比例控制 器卻感受到跟蹤誤差的突變并立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用。 這些輔助功能的部分包括蓄電池組、充電電路、靜態(tài)開(kāi)關(guān)電路以及控制、監(jiān)測(cè)、顯示、并機(jī)和保護(hù)電路，下面就分別對(duì)這些方面的內(nèi)容加以討論。當(dāng)逆變器出現(xiàn)故障時(shí)，為了保證負(fù)載不斷電， UPS輸出也將通過(guò)靜態(tài)開(kāi)關(guān)輸出切換到市電。所以逆變器運(yùn)行時(shí)，只要檢測(cè)到有旁路信號(hào)存在，逆變器的輸出就始終通過(guò)鎖相與旁路的市電同步。 F240 采用亞微米 CMOS 制造工藝使功率降低。 片內(nèi)有作為程序存儲(chǔ)器的閃速存儲(chǔ)器（ Flash RAM）、事件管理器模塊、雙 10 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ ADC）等，極大地方便了用戶的系統(tǒng)設(shè)計(jì)， TMS320F240 也因此而得到了廣泛的應(yīng)用。圖 51 為 UPS 逆變系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。本文采用的亦是數(shù)字鎖相環(huán)，其原理是同時(shí)采樣電網(wǎng)電壓信號(hào)和逆變器輸出電壓信號(hào)，通過(guò)控制 SA4828 來(lái)實(shí)現(xiàn)逆變器輸出電壓信號(hào)和電網(wǎng)電壓信號(hào)保持頻率和相位的同步。用施密特芯片代替比較器可減小市電過(guò) 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 P H A S E5 1 K7 4 H C 1 4U A2CD S P . 5 3 , 6 7U IC H KU A P H1 0 21 圖 53 市電 方波信號(hào)產(chǎn)生電路 Figure 5 3 Electricity