【文章內(nèi)容簡介】 ver/under voltage or Power Loss 圖 11 被動后備式 UPS 的工作原理圖 Figl1Passive Standby UPS Running Principle 2 在線互動式 (LineInteractive) 在線互動式 UPS 的工作原理和被動后備式 UPS 的工作原理大致相同，但前者比后者增加了多接頭電壓可調(diào)式自藕變壓器，如圖 12(a)和圖 12(b)所示。這種變壓器是一種特殊的電力變壓器，它可以根據(jù)輸入電壓的大小，通過增加或者減少禍合線圈的圈數(shù)，提高或者降低變壓器的輸出電壓。 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▌訒r在線互動式 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)市電大幅波動時在線互動式 UPS 的工作原理圖 (b) LineInteractive UPS Running Principle when Large over/under Voltage Condition 圖 12 在線互動式 UPS 的工作原理圖 Fig 12 LineInteractive UPS Running Principle 在線互動式 UPS 允許輸入電壓在小范圍內(nèi)波動，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 就不會切換成蓄電池逆變供電，以節(jié)省有限的蓄電池能量。系統(tǒng)通過自動改變輸入電壓的接頭補償輸入電壓的偏差。 5 雙轉(zhuǎn)換式 (Double Conversion ) 雙轉(zhuǎn)換式 UPS 又稱為在線式 (Online) UPS，之所以稱為在線式，是因為無論 市電質(zhì)量如何，用電設(shè)備的供電都要經(jīng)過逆變器，也就是說，逆變器始終處于工作狀態(tài)，如圖 13 所示。雙轉(zhuǎn)換指的是整流和逆變， 即電網(wǎng)電壓經(jīng)過了交流到直流，再從直流到交流的兩次變換。即使在市電電網(wǎng)完全正常的情況下，整流器的輸出電壓直接驅(qū)動逆變器。雙轉(zhuǎn)換式 UPS 增加了旁路電路，如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，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。 雙轉(zhuǎn)換式 UPS 通常用于要求電氣隔離的環(huán)境和對功率浮動敏感的設(shè)備。雙轉(zhuǎn)換式 UPS的功率大到幾十千瓦，小到幾百瓦，可以滿足各種應(yīng)用的需要。雙轉(zhuǎn)換式 UPS 的價格比較昂貴，常用于工業(yè)設(shè)備、數(shù)據(jù)中心等電力環(huán)境嘈雜的大型負載。 雙轉(zhuǎn)換式 UPS 的蓄電池組始終和逆變器相連接，以 至于不需要轉(zhuǎn)換開關(guān)。如果市電電網(wǎng)供電不足，蓄電池組可以維持電壓的穩(wěn)定性，這時候整流器不起作用。當(dāng)電壓恢復(fù)時，整流器輸出電壓重新驅(qū)動給逆變器，市電通過充電器給蓄電池充電。 雙轉(zhuǎn)換式 UPS 經(jīng)過 ACDC 和 DCAC 兩次變換之后，在輸入電網(wǎng)和電器設(shè)備間樹立了一道隔離護欄，使得電器設(shè)備不受電網(wǎng)電壓波動的影響。與被動后備式和在線互動式相比，雙轉(zhuǎn)換式有效的改變了電網(wǎng)質(zhì)量不穩(wěn)的問題，不論輸入信號如何，都可以根據(jù)需求改變輸出信號的幅度和頻率。 蓄 電 池 組逆 變 器充 電 器市 電 輸 入輸 出 到 用 電設(shè) 備整 流 器 圖 13 雙轉(zhuǎn)換式 UPS 結(jié)構(gòu)圖 Fig 13 Structure of Double Structure UPS UPS 逆變電源的發(fā)展趨勢和數(shù)字化控制的意義 UPS 逆變電源正朝著高頻化、冗余并聯(lián)化、綠色化和智能化的方向發(fā)展。 2 (1)高頻化 : 隨著半導(dǎo)體技術(shù)的迅猛發(fā)展， UPS 的功率開關(guān)器件經(jīng)歷了從可控硅，大功率場效應(yīng)管，到 IGBT 的演變。開關(guān)器件的更新?lián)Q代，使得器件轉(zhuǎn)換時間不斷縮短，器件承載的電流強度不斷增加。 IGBT 可以使切換速度達到 SOkHz，從而實現(xiàn)了 UPS 電源的高頻化。 (2)冗余并聯(lián)化 : UPS 的一個發(fā)展方向就是并聯(lián)，多 臺 UPS 逆變電源并聯(lián)運行給負載供電。 UPS 逆變電源并聯(lián)主要應(yīng)用于小功率的 UPS 逆變電源和大功率用電設(shè)備。多臺 UPS 并聯(lián)工作，既可以隨意配置 UPS 的總功率，也提高了系統(tǒng)的可靠性。即使有一臺 UPS 機器發(fā)生故障，其他 UPS同樣可以保證負載的正常運作。 (3)綠色化 :UPS 逆變電源除了為供電設(shè)備提供應(yīng)急供電之外，也有效地改善了負載供電質(zhì)量。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，改善電網(wǎng)電力污染。 (4)智能化 :微處理器的廣泛應(yīng)用推動了 UPS 智能化的進程。將微處 理器應(yīng)用在 UPS 逆變電源中，為 UPS 提供了很多智能化的監(jiān)控和檢測，例如實時監(jiān)控、故障處理、遠程遙控等。這些智能化的理念更加豐富和完善了 UPS 的功能。 傳統(tǒng)的 UPS 控制電路采用模擬電路為主的元器件，存在以下不足之處。 (1).模擬電路多采用分立元件，電路板的設(shè)計和制作的難度較大，電路制作 的成本較高。 (2).模擬器件容易產(chǎn)生老化，相同器件一致性差，器件的性能容易隨著溫度的變化而變化。 (3).模擬集成芯片雖然可以幫助降低電路設(shè)計的復(fù)雜程度，但需要依靠外接電阻電容等元器件實現(xiàn)環(huán)路 控制，而這些元器件的不穩(wěn)定性會影響環(huán)路控制的精準(zhǔn)度和電路的性能。 (4).以模擬器件為主的電路需要調(diào)整參數(shù)。 采用 DSP 設(shè)計電路的優(yōu)越性體現(xiàn) 本文采用 TI高性能數(shù)字信號處理芯片 TMS320LF2407A作為 UPS逆變電源反饋控制處理器，使得逆變控制系統(tǒng)運算速度快，外圍輔助電路少，算法控制精準(zhǔn)，系統(tǒng)集成度高。采用高性能 DSP 設(shè)計電路的優(yōu)越性體現(xiàn)在以下幾個方面。 (1).系統(tǒng)設(shè)計方便?？梢栽?DSP 中植入逆變控制算法，高效智能的控制算法取代了原先繁雜的硬件模擬電路。系統(tǒng)升級也十分方便，可以在線調(diào) 試，在線更新 DSP 算法，而不 7 用修改外圍電路。 (2).輸出信號質(zhì)量穩(wěn)定。由于采用了 DSP 作為 UPS 的系統(tǒng)控制單元，實時采集逆變之后的電壓幅度、相位、頻率等信息，根據(jù)控制算法調(diào)整 SP WM 波形的參數(shù)， 使得輸出電壓波動范圍小，波形失真度低。 (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，控制開關(guān)器件，維持系統(tǒng)運作。 (4).系統(tǒng)維護方便?？梢园严到y(tǒng)監(jiān)控模塊嵌入在 DSP 中，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)問題，可以記錄下運行出錯時系統(tǒng)的各種信息，方便維護人員排查檢修。 (5).通信接口豐富，易于聯(lián)機。 DSP 芯片自帶了多種通信接口，容易實現(xiàn)人機交互界面，也可以實現(xiàn)多個設(shè)備的聯(lián)機監(jiān)控和調(diào)試，易于實現(xiàn) UPS 網(wǎng)絡(luò)化運行。 本章小結(jié) 簡要介紹 UPS 的分類、發(fā)展趨勢、項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。詳細介紹了各類不同 UPS 的運行原理和各自優(yōu)缺點。 1 2 在線式 UPS 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 在線式 UPS 系統(tǒng)框圖 在線式 UPS 逆變電源一般包含以下組成部分 :輸入整流濾波電路，功率因數(shù)校正電路，蓄電池組、充電電路、逆變電路、靜態(tài)開關(guān)電路、人機交互 、微控制器。在線式 UPS的系統(tǒng)框圖如圖 21 所示。 濾 波 整 流蓄 電 池充 電 器輸 入 功 率 因數(shù) 矯 正 電 流逆 變轉(zhuǎn)換開關(guān)人 機 界 面市 電負 載I / OP W M 通 道通 訊 接 口 D S P電 網(wǎng) 電 壓 電 流 頻 率逆 變 電 壓 電 流 頻 率電 池 電 壓 電 流 圖 21 UPS 系統(tǒng)框圖 Fig 21 Block Diagram of UPS System 在線式 UPS 系統(tǒng)組成 (1)輸入整流濾波電路 在線式 UPS 的整流電路，是將輸入的交流電轉(zhuǎn)換成直流電，為下一步逆變做準(zhǔn)備。同時，整流之后的直流電經(jīng)過降壓處理還可以為蓄電池組充電。整流的方式有兩種，一種是利用可控硅和大功率二極管作為整流器件，有半橋整流、全橋整流、 6 脈沖整流、 12 脈沖整流等方式。另一種是采用隔離變壓器，把市電降壓之后再用二極管橋式整流。前者常用于大功率 UPS，后者用于小功率 UPSo 整流之后的電信號只是一個帶有波紋的直流信號，除了直流成分以外，還有交流成分。濾波電路可以抑制整流之后的交流信號，將帶有波紋的直流信號變成平滑的直流信號。常用的濾波電路有 RC 濾波， LC 濾波等。 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，交流輸入信號經(jīng)過整流后，直接加到濾波電容和蓄電池兩端。如果交流輸入信號的電壓幅度高于濾波電容兩端的電壓時，濾波電容開始充電。這就在電容器和充電器間形成了脈沖電流，導(dǎo)致了高次諧波的形成，使得功率因數(shù)下降，對電網(wǎng)造成干擾。功率因數(shù)校正電路就是為了提高系統(tǒng)輸入端的功率因數(shù)，抑制高次諧波對電網(wǎng)的干擾，使得電網(wǎng)輸入電流和輸入電壓接近同相位 (3)蓄電池組 蓄電池組作為最為常用的儲能裝置，廣泛應(yīng)用在 UPS 中。在市電正常時，通過直流電對蓄電池組充電，將電能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能。在市電中斷時，蓄電池為 UPS 提供應(yīng)急能 源，將存儲的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能。當(dāng) UPS 正常工作時，蓄電池組是按照連續(xù)浮充的方式充電的，整流器和蓄電池組并聯(lián)工作。逆變電路的輸入直流信號是由整流器供給，同時，整流器也供給一部分電流到蓄電池組，作為電池放電消耗的補償 [O21。除此之外，浮充充電的方式還可以改善 UPS 的瞬態(tài)響應(yīng)。如果 UPS 的負載電流在短時間內(nèi)增加，蓄電池組可以提供很大的放電電流。 (4)充電電路 UPS 的充電分為兩個階段，在充電初期采用恒流充電的方式， 當(dāng)蓄電池組的電壓達到浮充電壓之后，充電器改成恒壓充電的方式。充電電路有采用開關(guān)器件的，也有采用可控硅整流器件的，這取決于 UPS 的功率。充電方式的切換是由控制芯片完成的?？刂菩酒诔潆娺^程中檢測兩個物理量 :電池電壓和電池電流。通常，充電器的工作式獨立于逆變器的，只要 UPS 的電源接通，充電電路就處于工作狀態(tài)，開始為蓄電池充電。 (5)逆變電路 逆變是把整流之后的直流電轉(zhuǎn)換成交流電，傳輸給負載提供電源。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。逆變的主要器件是 IGBT 大功率器件 ，微處理器通過 SPWM 波驅(qū)動 IGBT，輸出交流信號，經(jīng)過濾波之后供給負載使用。 (6)靜態(tài)開關(guān)電路 靜態(tài)開關(guān)作為旁路供電和逆變供電的切換裝置，不僅起到了轉(zhuǎn)換的作用，還對負載和逆變器起到了有效的保護作用。如果 UPS 輸出過載，那么靜態(tài)開關(guān)為了保護逆變器，會將 3 負載供電切換成市電供電。如果逆變器出現(xiàn)故障時，為了保護負載，靜態(tài)開關(guān)也會將負載供電切換到市電。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)換時間為微妙級。 (7)微處理器 微處理器 是 UPS 的核心，在整個 UPS 中起到了控制的作用，是整部機器的控制中心。本文采用的是 TI 生產(chǎn)的高性能 DSP 芯片 TMS320F2808 作為 UPS 的控制單元， DSP 的ePMW 端口輸出 SPWM 波驅(qū)動 IGBT } ADC 通道對系統(tǒng)的各種參量進行采樣，包括輸入信號、反饋信號的電壓、電流和頻率，電池的充電電壓和充電電流等參數(shù)。 DSP 的 I/0 通道作為各種開關(guān)量的控制端，根據(jù)系統(tǒng)的運行狀況實時地驅(qū)動系統(tǒng)內(nèi)部各個開關(guān)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)正常運作。 DSP 內(nèi)部的通信單元作為與人機交互界面的通信接口，方便用戶更直觀的使用UPS 設(shè)備。 (8)人機交互 人機交互作為可視化界面，方便用戶操作 UPS 設(shè)備，實時獲取 UPS 的工作狀態(tài)，設(shè)定 UPS 的工作模式。本文界面采用大屏幕觸摸屏，圖形化的操作界面，用戶可以從中了解到 UPS 設(shè)備運行的歷史記錄和日志 在線式 UPS 的工作原理 在線式 UPS 的開機是一個軟啟動過程，輸出信號平穩(wěn)變大，避免由于輸出信號瞬間變化過大而導(dǎo)致負載損壞或者輸出異常。軟啟動過程結(jié)束后，系統(tǒng)開始正常工作。 UPS 正常工作時有以下幾種情況 : (1)當(dāng)市電正常時，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 信號驅(qū)動逆變器，將直流信號轉(zhuǎn)換成純凈的正弦波信號輸出給負載。同時，市電經(jīng)過整流和濾波之后，送至蓄電池充電電路，給蓄電池充電，蓄電池電壓不提供給逆變器。 市電經(jīng)過整流、逆變、濾波之后，輸出波形穩(wěn)定的高質(zhì)量正弦波到負載。 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)算法實時修正輸出信號的波形。