【正文】 所以說(shuō)， UPS的鎖相同步技術(shù)是衡量 UPS 性能好壞的一個(gè)重要指標(biāo)。其中 MP/MC 引腳上的電平?jīng)Q定程序存儲(chǔ)空間是片外還是片內(nèi)的。一般要用二三臺(tái) UPS并聯(lián)運(yùn)行，一臺(tái)出故障，另二臺(tái)繼續(xù)供電 (而不是切換 )。但是僅僅有這兩個(gè)部分的存在是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。本系統(tǒng)采用比例控制和嵌入式重復(fù)控制相結(jié)合的控制方案來(lái)解決逆變器穩(wěn)壓?jiǎn)栴}。 重復(fù)控制原理 重復(fù)控制是在 20 世紀(jì) 80 年代提出的一種控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論，其目的是設(shè)計(jì)一個(gè)控制器，使系統(tǒng)在跟蹤任意周期性參考信號(hào)時(shí)，達(dá)到穩(wěn) 態(tài)誤差為零。 （ 2）電壓反饋型 將各相的 PWM 輸出檢測(cè)出來(lái)，同給定 PWM 波進(jìn)行比較，得到實(shí)際偏差電壓。 Vrm與 調(diào)制參考波的頻率rf ( rf 決定了輸出電壓基波頻率 11, rf f f? )共同產(chǎn)生三相調(diào)制參考波正弦信號(hào) Vur(t)、 Vvr(t)、Vwr(t)。 現(xiàn)以電阻負(fù)載接成星形為例說(shuō)明如下： UVWUVW?U V?V W?W U nW 圖 32 三角形負(fù)載 圖 33 星形負(fù)載 Figure 3 2 Triangle load Figure 3 3 Star load 由橋式逆變器的工作原理知，在輸出半周內(nèi)逆變器有下述 3 種工作模式： （ 1） 模式 1（ 0≤ wt ≤ π/3）， T T T1 有驅(qū)動(dòng)信號(hào)。 UPS中的逆變器本質(zhì)上是一個(gè) CVCF的逆變器，因此，逆變器的電路結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)都是圍繞著這個(gè)最終目標(biāo) 展開(kāi)的。當(dāng)輸出已經(jīng)接近給定，就要適 當(dāng)減弱 PI的調(diào)節(jié)作用，防止過(guò)大的超調(diào)。電壓和電流的反饋控制用兩個(gè)單獨(dú)的閉環(huán)調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)，即直流電壓穩(wěn)壓環(huán)和充電電流恒流環(huán)。 從原理上講，應(yīng)該針對(duì)每一種諧波設(shè)置一個(gè)相應(yīng)的諧振濾波器，才能獲得更加趨于正弦的輸入電流。出于電流的升降速度比線電壓的升降速度要快，輸入電流就產(chǎn)生了一系列的諧波，使得電流波形出現(xiàn)尖峰，輸入功率因數(shù)降低。當(dāng)然，在 UPS 中采用高頻整流器也不是十全十美，直流電壓高出電網(wǎng)電壓的峰值，要么增加蓄電池串聯(lián)數(shù)量，結(jié)果使故障率增高；要么采用降壓變壓器，結(jié)果使整機(jī)的效率降低，而且采用高頻整流器的技術(shù)難度比高姜璐：三相不間斷電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 8 頻逆變器的技術(shù)難度要高，控制不當(dāng)極易造成器件的損壞，但無(wú)論如何，采用高頻整流器將成為今后 UPS 整流器的 主要發(fā)展方向之一，高頻整流器的一些性能指標(biāo)將會(huì)得到改進(jìn)與提高。旁路需要特別注意的問(wèn)題就是逆變與旁路之間切換時(shí)相位的跟蹤和幅值的補(bǔ)償，在逆變控制中加入相應(yīng)措施可以取得明顯效果。在圖 11 中，有兩條輸出通道：一條是直接旁路輸出通道；另一條則是經(jīng)過(guò) AC—DC、 DC —AC 的變換輸出通道。 UPS 輸入端的整流結(jié)構(gòu)使得 UPS 本身成為電網(wǎng)的重要污染源之一。隨著現(xiàn)代通信、 電子儀器、計(jì)算機(jī)、工業(yè)自動(dòng)化、電子工程、國(guó)防和其他高新技術(shù)的發(fā)展，對(duì)供電的質(zhì)量及可靠性要求越來(lái)越高，尤其是要求供電的連續(xù)性必須有保障。 在眾多的 UPS 中，在線式 UPS 是 UPS 電源的主流產(chǎn)品，具有性能好、電壓與頻率穩(wěn)定度高、功能強(qiáng)、還有備份連接和并聯(lián)冗余聯(lián)結(jié)的功能等優(yōu)點(diǎn)，這種 UPS 不論市電電網(wǎng)供姜璐：三相不間斷電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2 電正常與否，都能向用戶(hù)提 供連續(xù)的高質(zhì)量的交流電源。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展和計(jì)算機(jī)應(yīng)用的日益普及，用電設(shè)備對(duì)供電的質(zhì)量提出了越來(lái)越嚴(yán)格的要求。通過(guò)逆變器的可逆運(yùn)行方式，與市電相互作用，因此被稱(chēng)為互動(dòng)式。此外，為了進(jìn)一步減小裝置的體積和重量，必須去掉笨重的工頻隔離變壓器，采用高頻隔離。雖然現(xiàn)在已經(jīng)有幾千千伏安的大型 UPS 產(chǎn)品出現(xiàn)和應(yīng)用，但是 UPS 不僅要求大容量，同時(shí)還 要求高可靠性。另外，自然界的雷電，電網(wǎng)的接地不良等因素均影響到電網(wǎng)的供電質(zhì)量。 整流器 功率回路的結(jié)構(gòu) 傳統(tǒng)的 UPS 整流器大多采用晶閘管相控整流，電路外加輸入側(cè)的無(wú)源濾波器，最高可使輸入功率因數(shù)提高到 ，電流諧波 THD5%，再想提高輸入功率因數(shù)、降低諧波含量其濾波器的體積和成本難以令人接受。也就是說(shuō)，整流器輸出的電壓，可以看成是一個(gè)直流成分和多個(gè)不同頻率的交流成分之和，而且頻率越低者，振幅越大，頻率越高者，振幅越小。 對(duì)于相控晶閘管整流器，由于相控觸發(fā)的原因， PF 不僅與輸入電流的波形有關(guān)，還與控制角有關(guān)。相對(duì)于 5 次而言， 7 次諧波所占的分量較少， 因此本設(shè)計(jì)的整流器 只設(shè)置了 5 次 諧波諧振陷波濾波器。具體的控制框圖如圖 23所示。 PI (S)為控制對(duì)象，即整流器。從而構(gòu)成一個(gè)平衡對(duì)稱(chēng)的三相交流電源。 U、 V 點(diǎn)接正電位 P,W 點(diǎn)接負(fù)電位Q。我們知道，任何固定的電子開(kāi)關(guān)器件都具有一定的固有開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間。逆變器的開(kāi)關(guān)模型可以最大限度的逼近姜璐：三相不間斷電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 18 實(shí)際的逆變器系統(tǒng)，它應(yīng)該可以準(zhǔn)確地給出在不同負(fù)載條件和瞬態(tài)時(shí)的時(shí)域波形。誤差 e（在控制作用下）衰減為零時(shí)， c 并不會(huì)隨之消失，而只是停止變化，維持上周期的波形，并且周期性地輸出這一波形。基于比例控制和嵌入式重復(fù)控制復(fù)合控制的框圖如圖 311 所示。目前，在 UPS中廣泛使用蓄電池作為儲(chǔ)存電能的裝置。 （ 5）控制、監(jiān)測(cè)、顯示和保護(hù)電路 控制電路是 UPS的神經(jīng)中 樞，其輸出電壓精度高低、波形失真度大小以及長(zhǎng)期工作可靠性的高低等都與控制電路密切相關(guān)。 SPWM 產(chǎn)生器 SA4828 本系統(tǒng)中， TMS320F240 本身雖具有專(zhuān)門(mén)應(yīng)用于變頻調(diào)速和 UPS 控制的 PWM 輸出口，遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 可以通過(guò)軟件產(chǎn)生 SPWM 控制信號(hào)，但在本設(shè)計(jì)中仍然采用專(zhuān)用脈寬調(diào)制集成芯片SA4828 產(chǎn)生 SPWM 波形。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 generated squarewave signal circuit 零 點(diǎn)的干擾的影響，使上升沿和下降沿更陡，有利于中斷的準(zhǔn)確觸發(fā) [19]。圖 51 為 UPS 逆變系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。 F240 采用亞微米 CMOS 制造工藝使功率降低。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。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。 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。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。 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。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。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。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)。 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)。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。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%。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。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。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。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)。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。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。 UPS 的分類(lèi) 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(lèi) [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)。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(mén)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）。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，數(shù)字化是大勢(shì)所趨。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)。 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。 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。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。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。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。 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(mǎn)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。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。同一橋臂的上下元件交替導(dǎo)電，相位相差 180186。對(duì)于三相逆變器也可采用 SPWM 控制方式。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。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。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。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。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。 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。 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 硬件電路的組成 系統(tǒng)的控制電路主要包括由 TMS320F240 和 SA4828 組成的主控制電路、輸出相電壓檢測(cè)電路、市電相位檢測(cè)電路、 BUS 電壓檢測(cè)電路以及保護(hù)電路。 2）輸出電壓檢測(cè)電路的設(shè)計(jì) 在電壓檢測(cè)電路中，從逆變輸出電壓信號(hào)一開(kāi)始要經(jīng)過(guò) 一 降壓變壓器，其變比為 5:1，降壓后的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)如下的檢測(cè)電路，接到 DSP 的 ADCIN6， ADCIN7， ADCIN9 進(jìn)行電壓采樣檢測(cè)。 SA4828 是 Mitel 公司生產(chǎn)的三相 SPWM 波形發(fā)生器，它可提供高質(zhì)量、全數(shù)字的三相脈寬調(diào)制波形，更重要的是對(duì)其編程簡(jiǎn)單，修改靈活，抗干擾能力強(qiáng)，且能實(shí)現(xiàn)三相電壓獨(dú)立調(diào)節(jié)，所以在大功率 UPS 中使用其產(chǎn)生 SPWM 波形 有其優(yōu)越性。控制電路主要有 SPWM產(chǎn)生電路、閉環(huán)調(diào)壓電路、同步鎖相電路等。當(dāng)市電正常時(shí)，蓄電池由直流電源對(duì)其充電，將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué) 能而儲(chǔ)存起來(lái)；當(dāng)市電供應(yīng)出現(xiàn)故障時(shí)， UPS用儲(chǔ)存在蓄電池中的能量維持其逆變器的正常工作，此時(shí)蓄電池通過(guò)放電將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能提供給 UPS使用，因此蓄電池是一種可逆電源。由圖可看出，系統(tǒng)中增加了比例控制器 pK 。包含這種內(nèi)模的重復(fù)控制系統(tǒng)，其閉環(huán)傳函分子含有（ 1 Nz?? ）因子，可以