【文章內(nèi)容簡介】 (42)式中:tonS處于通態(tài)時間；ToffS處于斷態(tài)時間；Ts開關(guān)周期；D占空比。由此可知，輸出到負載的電壓平均值Uo最大為Ug，若減小占空比D,則Uo隨之減小?？芍?，通過BUCK電路，母線電壓降到220V，給蓄電池充電。根據(jù)公式，參數(shù)計算如下： (43) (44) (45)蓄電池充電采用恒壓充電方式。即在蓄電池兩端電壓在200V240V之間時，母線電壓經(jīng)過BUCK模式的雙向變換器，降到220V給蓄電池充電。即給蓄電池兩端的充電電壓為220V，母線電壓降壓到220V給蓄電池充電。實現(xiàn)給蓄電池在不同電壓階段時的恒壓充電，實現(xiàn)其充電的快速性。充電階段的充電模式采用閉環(huán)控制方案。當市電380V輸出整流橋后，變成Uo==535V經(jīng)過BOOST電路的升壓壓為600V，下面討論充電閉環(huán)設(shè)計方案： 由于采用恒壓充電方式，所以在輸出端采用5V的給定電壓值，采樣BUCK輸出端電壓的1/44，與給定值5V相比較，其輸出電壓經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器，經(jīng)過比例積分作用，給三角波相比較，通過學習PWM知識可知，比較的幅值直接驅(qū)動MOSFET管，來控制MOSFET的開通和關(guān)斷。通過調(diào)試結(jié)果，選取PI調(diào)節(jié)器的Kp = 1，Ki=1000到的波形符合設(shè)計要求。閉環(huán)如圖 蓄電池放電電路工作原理和設(shè)計 蓄電池的放電采用閉環(huán)控制。由于蓄電池在放電時，兩端的電壓和電流在不斷的減小，時間越長，其兩端電壓和電流越小，所以必須采用閉環(huán)控制方案，實現(xiàn)其放電電壓的穩(wěn)定性。由于蓄電池兩端的電壓小于逆變器的所需直流母線電壓的要求600V,所以電流雙向DCDC變換器在市電異常時，必然會處于BOOST模式。其工作原理在于改變BOOST電路的占空比D實現(xiàn)對蓄電池放電的閉環(huán)控制。電路參數(shù)D占空比；L電感；C電容 （46) （47） （49）其具體工作原理與BOOST升壓設(shè)計方案相同，在此不再做介紹。下面介紹充電和放電方案的轉(zhuǎn)化：因為在市電正常時，市電經(jīng)過三相不控整流和BOOST電壓升壓之后，一方面給逆變器供電，經(jīng)過逆變器輸出給負載；另一方面在蓄電池兩端的電壓不高于240V的前提下，給蓄電池充電。然而當市電異常時，蓄電池處于放電的狀態(tài)，即異常的市電不再給蓄電池充電，蓄電池本身直接給逆變器供電，以保證對負載供電的穩(wěn)定性。其充電和放電方案的轉(zhuǎn)化原理如下：在市電正常時，給蓄電池充電，檢測蓄電池兩端的電壓，取蓄電池兩端的電壓1/100，在蓄電池兩端的電壓不高于240V時，給蓄電池充電。取市電電壓的1/100，與給定值6V和5V相比較，即市電在500V和600V之間，認為是正常的狀態(tài)。當市電電壓高于600V或者是低于500V時，通過設(shè)計利用與門，一個選擇開關(guān)，實現(xiàn)對蓄電池的充電模式即在市電正常時，蓄電池處于充電狀態(tài)。市電正常時，蓄電池兩端電壓和逆變器輸出端電壓仿真波形。當市電正常時，輸入電壓經(jīng)過整流電路及升壓電路，一路給逆變器提供電壓，逆變器輸出經(jīng)過濾波電路將SPWM波形變換成純正弦波，另一路送入充電器給蓄電池補充能量。UPS由市電經(jīng)過整流濾波器、升壓電路、逆變器給負載供電，并且由逆變器來完成穩(wěn)壓功能。仿真圖： 三相逆變器的介紹由后面的第五章介紹。市電正常時，給蓄電池充電電壓的波形如下：缺圖題市電正常時，三相逆變器輸出波形如下：缺圖題當市電出現(xiàn)故障(無市電，市電電壓過高或過低)時，UPS工作在后備狀態(tài)，此時UPS由逆變器將蓄電池的直流電壓升壓后轉(zhuǎn)變成交流電壓輸出到負載。 仿真圖如下： 市電異常時系統(tǒng)仿真圖三相逆變器輸出電壓如下： 缺圖題 三相逆變器輸出電壓通過上述分析可知，本章對蓄電池的充電和放電的方案做出了合理的仿真驗證。根據(jù)實際的技術(shù)指標要求，論證了所采用蓄電池充電方案的原因，對蓄電池的充電和放電方案均采用了閉環(huán)設(shè)計方案，仿真得出的效果較好。對蓄電池的充放電的轉(zhuǎn)化，在做出合理設(shè)計和闡述的同時，將控制方案仿真驗證其合理性，仿真結(jié)果表明，參數(shù)滿足計算指標的要求。39 第五章第5章 逆變器和輸出濾波器設(shè)計方案逆變器是整個UPS的核心，其性能決定UPS輸出電能的質(zhì)量，所以逆變器的設(shè)計是UPS研制的關(guān)鍵之處。本章主要論述了逆變器工作原理、主電路器件的參數(shù)選擇，設(shè)計了輸出濾波器。 逆變器工作原理 輸出電壓質(zhì)量是逆變器的一項重要指標，通常要求逆變器輸出電壓諧波換量很小的正弦波。尤其在非線性負載作用下，如何抑制諧波，調(diào)高輸出電壓品質(zhì)，目前依然是逆變器研究的一個熱點。采用正弦波脈沖（SPWM）控制策略和后級LC濾波電路可以獲得較好的正弦波電壓輸出。三相半橋逆變器比其他逆變器具有獨特優(yōu)勢，其具體優(yōu)勢在前面提到過，其電路給夠原理圖三相四線式電路的每一相都是獨立的，相互之間不存在耦合關(guān)系，因而可以把三相逆變器看成是三個輸出電壓互差120度的單相半橋逆變器組合在一起。由于三相之間沒有禍、耦合關(guān)系，因而控制相對簡單，單相逆變器的控制方法可以直接用在這里?？紤]到三相之間的獨立性，下面分析以單相半橋逆變器為對象。半橋電路控制電壓及輸出電壓波形如圖所示，V01 、V02分別為開關(guān)管TT2的驅(qū)動電壓波形，分壓電容器C1=C2且足夠大，以致電路工作過程中C1和C2兩端電壓幾乎不變，即有VC1= VC2=E/2。在t1t2期間，VGVG20，T1導通T2截止，電流流經(jīng)路徑為C+T1LCC，輸出電壓Vab=E/2；在t2～t3都期間，VGVG20，T2導通T1截至，無電流輸出：在t3～t4期間，VG10，VG20，T2導通T1截止，電流流經(jīng)路徑為C+CLT2C；輸出電壓Vab=E/2。D1和D2分別是T1和T2反并聯(lián)的二極管，其作用是為感性負載提供續(xù)流回路，避免功率器件承受過高的瞬態(tài)電壓。輸出電壓平均值如圖中的虛線所示，它跟驅(qū)動波形的占空比有關(guān)，通過改變占空比，可以得到平均輸出為正弦的電壓波形。由上圖可以看出，T1導通，T2截止時，T2承受的電壓Uce2為： Uce2=E （51） 逆變器控制技術(shù) 相比于SPWM而言，點空間矢量脈沖調(diào)制（SVPWM）具有更低的高次諧波和電壓利用率高等優(yōu)點，越來越受到人們的重視。本為在介紹SPWM原理的同時，采用SVPWM技術(shù)，采用一種基于電壓電流雙環(huán)控制的SVPWM三相逆變器，通過建立其兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的數(shù)學模型，利用電壓外環(huán)實現(xiàn)對輸出電壓的穩(wěn)定控制，電流內(nèi)環(huán)實現(xiàn)對輸出電流的控制。由于電壓環(huán)包含了負載電流前饋及輸出濾波電容電流解耦，電流環(huán)包含了輸出電壓前饋及輸出濾波電感電壓解耦，因此有效地改善了系統(tǒng)的動態(tài)響應及抗擾能力。三相SVPWM逆變器數(shù)學模型考慮圖1所示的三相SVPWM逆變器的電路結(jié)構(gòu)，考慮三相平衡，根據(jù)變換前后功率不變的原則，有三相靜止到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標變換關(guān)系式如下 （52） （53）利用式中方程得到兩相旋轉(zhuǎn)坐標系下的電壓和電流狀態(tài)方程： （54） （55） （56） （57）檢測三相負載電壓uL,三相負載電流iL及三相輸出電流i1，由式可以得到對應的d，q軸分量，電壓控制器和輸出電壓反饋構(gòu)成電壓外環(huán)，其輸出為電流指令i1d，i1q。令電壓指令VLd=VR(輸出額定相電壓峰值)，VLq=0，則在電壓外環(huán)的作用下實現(xiàn)對的輸出電壓的穩(wěn)定控制。電流控制器和輸出電流反饋構(gòu)成電流內(nèi)環(huán)，其輸出為ini便器速出電壓空間矢量V1q，V1d。系統(tǒng)中負載電流及輸出電壓前饋量的引入，以及電容解耦電流和電感解耦電壓的引入，減輕了調(diào)節(jié)器的負擔，加快了系統(tǒng)的響應速度，提高了逆變器帶非線性負載的能力。利用輸出電壓空間矢量V1d，V1q，在電壓空間矢量SVPWM控制技術(shù)的調(diào)節(jié)器下，得到逆變器6個開關(guān)器件的PWM驅(qū)動信號，從而得逆變器在電壓電流雙環(huán)控制下，輸出額定正玄波電壓?？刂撇呗允街斜砻?，系統(tǒng)d，q軸輸出電流i1d，i1q除受控量u1d，u1q的影響外，還受耦合電壓ωL1i1q,wL1i1d擾動和輸出電壓u1d，u1q擾動的影響。同理，式中表明，系統(tǒng)d，q軸輸出電壓u1d，u1q除受輸出電流i1d，i1q控制外，還厚耦合電流ωC1u1q，wC1u1d和輸出負載電流i1d，i1q的擾動影響。如果控制系統(tǒng)中包含這些擾動量，則可以消除它們的影響。式中得到逆變器輸出電流控制量u1d，u1q為： (58) (59) (510) (511)SVPWM的原理介紹SVPWM，即空間電壓矢量控制法，它的主要思想是以三相對稱正玄波電壓供電時三相對稱電動機定子理想磁鏈圈圓為參考標準，以三相逆變器不通開關(guān)模式作適當?shù)那袚Q，從而形成PWM波，以形成的實際磁鏈矢量來追蹤準確地磁鏈圓。傳統(tǒng)的SPWM從電源的角度出發(fā)，以生成一個可調(diào)頻調(diào)壓的正玄波電源，而空間電壓矢量控制法將逆變系統(tǒng)和異步電動機看作一個整體來考慮，模型比較簡單，也便于微處理器的實時控制。相比于傳統(tǒng)的SPWM法，SVPWM有如下的特點:（1）在每個小區(qū)間雖多次開關(guān)切換，但每次開關(guān)切換只涉及一個器件，所以開關(guān)損耗小。（2）利用電壓空間矢量直接生成三相PWM波，計算簡單。（3）逆變器輸出線電壓基波最大值為直流側(cè)電壓，比一般的SPWM逆變器輸出電壓高15％。SVPWM控制的實現(xiàn)通常有一下幾步：（1）坐標變換 三相逆變器系統(tǒng)有三組橋臂，設(shè)a，b，c分別表示三組橋臂的開關(guān)狀態(tài)，上橋臂導通下橋臂關(guān)斷時其值為1，反之為0。那么可以得到三相逆變器輸出的相電壓和線電壓之間的關(guān)系如下： （512）其中，Vdc為逆變器直流電壓，令U=表示一個矢量，當a，b，c分別取1和0的時候，該矢量就有8中工作狀態(tài)，分別為，，，，如果我們用Uo和U7表示零矢量，就可以得到6個扇區(qū)，三相控制可以用一個角速度的空間矢量電壓U表示，當U遍圓軌跡時，形成三相瞬時輸出電壓，理論證明，當U落入某一扇區(qū)之后，用改扇區(qū)兩邊界矢量和零矢量去合成U可以得到最佳合成效果。SVPWM需要將三相坐標轉(zhuǎn)換兩相坐標進行控制，于是需要引進PARK閉環(huán)和CLARK變換。其中，CLARK變換的母的是將三相靜止坐標變換為兩相靜止坐標，其變換公式如下： （513）而PARK的目的是將兩相靜止坐標轉(zhuǎn)換為兩相旋轉(zhuǎn)坐標，其變換公式如下： （514）于是我們可以講上文所說的6個扇區(qū)看成是在平面上的正六邊形，對于任意的給定矢量我們都可以用與其相鄰的兩個有效作用矢量來合成，然后再把這兩個有效矢量轉(zhuǎn)換為兩相靜止坐標，通過PI調(diào)節(jié)器變?yōu)殡妷嚎刂屏窟M行控制。（2）扇區(qū)的計算：定義三個變量：Ur1=Uβ，Ur2=UαUβ/，Ur3=UαUβ/，在定義：當Ur1〉0，A=1，否則A=0。當Ur2〉0，B=1，否則B=0。當Ur3〉0，C=1，否則C=0。由已知公式N=4C＋2B＋A與扇區(qū)的對應關(guān)系可以的到，則N=1時，對應扇區(qū)為2，N等于2時，對應扇區(qū)為6，N=3時，對應扇區(qū)為1，N=4時，對應扇區(qū)為4，N=5時，對應扇區(qū)為3， N=6時，對應扇區(qū)為5。于是由此，我們便可以得出開關(guān)狀態(tài)矢量所處的扇區(qū)位置了。（3）設(shè)VFF在第IV扇區(qū)，則VFF在一個PWM控制周期內(nèi)應由臨近的非零有效作用矢量和零矢量共同作用而成。在一個控制周期內(nèi)有下式成立：VFFdt=T1VS+ T2VS177。60176。因VFF在第四扇區(qū)，Vx =V（0 1 1），T1 ,T2 表示個有效矢量作用時間，則有零矢量作用時間為To=TsT1 –T2 ，因為開關(guān)平率即PWM波的頻率遠大于駛?cè)腚妷旱幕l率，所以可以認為一個PWM波周期VFF 大小是恒定的，于是我們可以得到：VFFdt=T1VS+ T2VS177。60176。又由正弦定理，可以得到:T1 =Tsmisn(60γ)T2 = Tsmisn(γ)To=Ts T1 T2其中m表示SVPWM的調(diào)制系數(shù)，并且m=VFF/Vdc 綜上所述，SVPWM法控制的具體過程就是先將三相電流ia，ib，ic，轉(zhuǎn)換為兩相旋轉(zhuǎn)電流id，iq，然后將id，iq進行PI調(diào)節(jié)變成電壓信號，以便達到輸出電壓大小的精確控制目的。然后經(jīng)過PARK反變換，將兩相旋轉(zhuǎn)坐標變?yōu)閮上囔o止坐標Uα和Uβ，接著通過兩個電壓值計算電壓空間矢量所在的扇區(qū)數(shù)以及各橋臂的工作狀態(tài)，然后利用扇區(qū)數(shù)和橋臂工作狀態(tài)計算出所在扇區(qū)的有效矢量作用時間，從而計算出各組橋臂的開通關(guān)斷時間，隨后給功率器件送出脈沖，以實現(xiàn)理想波形的輸出。2 仿真的具體過程本為采用了MATLAB的Simulink組建立了SVPWM控制模型，模型主要包括扇區(qū)計算模塊，功率器件開關(guān)狀態(tài)模塊，有效矢量作用時間模塊，三相橋臂開通時間計算模塊和脈沖生成模塊，而CLARK變換和PARK變化則用封裝的S函數(shù)代替。其具體仿真結(jié)構(gòu)分析如下：（1）做出扇區(qū)計算模塊，由上文SVPWM的具體實現(xiàn)過程可知，N=1+2B+4C。其模塊如上圖所示：（2）SVPWM的實現(xiàn)方法計算出功率器件開關(guān)狀態(tài)模塊和有效作用時間模塊，如圖所示。以計算出三組橋臂工作狀態(tài)時間，其具體對應關(guān)系為：Ta=（TT1T2）/4，Tb=（T1）/2+Ta，Tc=（T+T1+T2）/2。于是可以得到三組橋臂導通時間計算模塊，如圖所示。仿真結(jié)果，可知市電在通過三相不可控整流和DC/DC升壓電壓后，給逆變器的電壓Vdc=600V。