【導(dǎo)讀】子設(shè)備提供不間斷的電力供應(yīng)。當(dāng)市電輸入正常時(shí)，UPS將市電整流通過逆變器或直接穩(wěn)。壓后供給負(fù)載使用，此時(shí)的UPS就是一臺交流穩(wěn)壓器，同時(shí)還可向機(jī)內(nèi)蓄電池充電。一旦因?yàn)槟撤N原因出現(xiàn)供電中斷，就會造成整個(gè)系統(tǒng)停機(jī)，其后果遠(yuǎn)遠(yuǎn)嚴(yán)重于電。此外，供電電源的擾動也是引發(fā)電子設(shè)備故障的重要原因。車輛點(diǎn)火、工業(yè)火花和高頻發(fā)射等原因。以上這些干擾以傳導(dǎo)和輻射的形式進(jìn)入電源進(jìn)而。因此，供電問題對于電力系統(tǒng)的影響很大，為了。在線式UPS電源的輸出是高質(zhì)量的正弦。器，市電的交流輸入經(jīng)整流濾波器變成直流，再由逆變器逆變經(jīng)過輸出濾波器輸出正弦波，要求較高的系統(tǒng)中。通過逆變器的可逆運(yùn)行方式，與市電相互作用，因此被稱。迅猛發(fā)展為UPS產(chǎn)品提供了廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。同時(shí)，經(jīng)濟(jì)增長使得UPS的應(yīng)用范圍更加廣泛，而科。進(jìn)一步提高UPS逆變器的開關(guān)頻率更加容易實(shí)現(xiàn)。此外，為了進(jìn)一步減小裝置的體積。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。

　　

【正文】 e 3 11 Proportional control and embedded repetitive control system bining the frame 系統(tǒng)的輸出產(chǎn)生影響。一方面，當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)的跟蹤誤差小，比例調(diào)節(jié)器的控制作用小，基本上不對系統(tǒng)產(chǎn)生影響。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)對歷史誤差累加作用的結(jié)果。另一方面，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)大的擾動作用，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。這樣，在這一個(gè)周期中，雖然輸出波形質(zhì)量得不到很好保證，但輸出電壓卻不至于產(chǎn)生突變。一個(gè)周期過后，重復(fù)控制器產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用使跟蹤誤差減小。隨著跟蹤誤差減小，比例控制器的控制作用逐漸減弱，直至系統(tǒng)達(dá)到新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài) [12]。 姜璐：三相不間斷電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 26 4 輔助部分的設(shè)計(jì) 前面所討論的整流器和逆變器構(gòu)成了在線式 UPS的主要部分，使得 UPS基本上可以完成不間斷提供高質(zhì)量電源的任務(wù)。但是僅僅有這兩個(gè)部分的存在是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。一臺性能良好的 UPS必須具備下面所要討論的輔助功能。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，對負(fù)載和 UPS本身來說都是不可缺少的保護(hù)神。 這些輔助功能的部分包括蓄電池組、充電電路、靜態(tài)開關(guān)電路以及控制、監(jiān)測、顯示、并機(jī)和保護(hù)電路，下面就分別對這些方面的內(nèi)容加以討論。 （ 1）蓄電池組 蓄電池組是 UPS的心臟，沒有蓄電池組的 UPS只能稱作為交流穩(wěn)壓穩(wěn)頻電源。目前，在 UPS中廣泛使用蓄電池作為儲存電能的裝置。當(dāng)市電正常時(shí)，蓄電池由直流電源對其充電，將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué) 能而儲存起來；當(dāng)市電供應(yīng)出現(xiàn)故障時(shí)， UPS用儲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。 （ 2）充電電路 UPS中的充電電路是將蓄電池放電后損失的能量重新補(bǔ)充，一般充電電路是獨(dú)立于逆變器而工作的。在 UPS的充電過程中，充電器的控制電路檢測整流充電過程，一般在充電階段是恒流充電過程，隨著電池電壓的上升，當(dāng)蓄電池的電壓達(dá)到浮充電壓以后，充電器工作在恒壓階段，直到電池被充滿。 （ 3） 靜態(tài)開關(guān) 靜態(tài)開關(guān)是 UPS的保護(hù)設(shè)備和供電轉(zhuǎn)換器件， 它一方面保護(hù) UPS和負(fù)載，另一方面作為市電旁路供電和逆變器供電的轉(zhuǎn)換器件。當(dāng) UPS輸出過載時(shí)，為了保護(hù)逆變器，在市電正常時(shí) UPS通過靜態(tài)開關(guān)將輸出由逆變器轉(zhuǎn)換到市電，即旁路。當(dāng)逆變器出現(xiàn)故障時(shí)，為了保證負(fù)載不斷電， UPS輸出也將通過靜態(tài)開關(guān)輸出切換到市電。 （ 4）旁路相位跟蹤 如果逆變輸出和旁路輸出之間相位差別很大，就會出現(xiàn)一個(gè)問題 :在轉(zhuǎn)接過程中可能有這么一瞬間 UPS逆變電壓和市電電壓同時(shí)向負(fù)載供電，如果這一瞬間電網(wǎng)電壓是正弦的正半波，而逆變器輸出電壓是正弦的負(fù)半波，這二者疊加的結(jié)果，一是使用電設(shè)備瞬間斷電遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 (因?yàn)檎?fù)半波抵消 )，使機(jī)器停機(jī) :二是使電網(wǎng)與 UPS形成短時(shí)間的短路環(huán)路，尤其是當(dāng)市電電壓不是斷電而是變化超過限值，這樣正半波與負(fù)半波形成環(huán)路的結(jié)果就是不能使靜態(tài)開關(guān)關(guān)閉，一直到熔斷絲燒斷 (如果裝有熔斷絲的話 )，或?qū)㈧o態(tài)開關(guān)燒開路，或?qū)⒃O(shè)備燒壞。 另外，對于三相輸入、三相輸出的 UPS，負(fù)載需要一定的相序，在旁路時(shí)的相序是ABCA，那么在 UPS供電時(shí)的相序也必須是 ABCA的順序，并且二者的三相要一一重合。如果相位不同，也同樣存在上述的危險(xiǎn)。在很重要的場合下，比如實(shí)時(shí)控制煉鋼、化學(xué)反應(yīng)過程、導(dǎo)彈彈道 的控制與測量等，要求控制設(shè)備與測量設(shè)備絕對不能停電。一般要用二三臺 UPS并聯(lián)運(yùn)行，一臺出故障，另二臺繼續(xù)供電 (而不是切換 )。如果它們不同頻同相，就無法并聯(lián)運(yùn)行。 以上這些場合都要求 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。所以逆變器運(yùn)行時(shí)，只要檢測到有旁路信號存在，逆變器的輸出就始終通過鎖相與旁路的市電同步。只有當(dāng)電網(wǎng)供電中斷，旁路隨之消失的情況下， UPS逆變器才按照自己的自振頻率產(chǎn)生輸出電壓。 （ 5）控制、監(jiān)測、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期工作可靠性的高低等都與控制電路密切相關(guān)?？刂齐娐分饕?SPWM產(chǎn)生電路、閉環(huán)調(diào)壓電路、同步鎖相電路等。為保證 UPS工作安全可靠， UPS還配有完善的保護(hù)電路。 UPS還設(shè)有監(jiān)測、顯示電路及報(bào)警電路，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)了解 UPS的工作狀態(tài)和運(yùn)行情況。 姜璐：三相不間斷電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 28 5 三相 UPS逆變系統(tǒng)的控制電路設(shè)計(jì) DSP 核心控制芯片簡介 本系統(tǒng)研究 DSP 控制三相大功率 UPS，采用的核心控制芯片是 TMS320F240，TMS320F240 DSP 是美國德州 TI 公司于 1997 年推出的 一種適用于工業(yè)控制，尤其適用于電機(jī)控制的 DSP 芯片。 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。 F240 采用亞微米 CMOS 制造工藝使功率降低。 作為系統(tǒng)管理器， DSP 必須具備強(qiáng)大的片內(nèi) I/O 和其它外設(shè)功能。 TMS320F240 片內(nèi)的事件管理器與其它任何一種 DSP 都不同，該事件管理器中包括特殊的 PWM 產(chǎn)生功能，特殊的附加功能包括可編程的死區(qū)功能和空間矢量 PWM 狀態(tài)機(jī)；三個(gè)獨(dú)立的向上 /下計(jì)數(shù)器，每一個(gè)都有屬于它自己的比較寄存器，可以支持產(chǎn)生非對稱的和對稱的 PWM 波形；四路捕獲輸入中的兩路可以直接連至光電編碼器的正交編碼脈沖信號。 TMS320F240 采用了先進(jìn)的改進(jìn)型哈佛結(jié)構(gòu)，既保持了分離的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器總線結(jié)構(gòu)，又使的處理能力最大，而且它還采用了四級流水線，大大的提高了 CPU 的處理速度。 TMS320F240 程序存儲空間的分配、選擇靈活。其中 MP/MC 引腳上的電平?jīng)Q定程序存儲空間是片外還是片內(nèi)的。當(dāng) MP/MC 引腳是低電平時(shí)，器件被設(shè)置為微計(jì)算機(jī)方式，片內(nèi) ROM 或 Flash 訪問 ，器件從片內(nèi)存儲器中讀取復(fù)位向量； MP/MC 引腳是高電平時(shí)，器件被配置為微處理器方式，器件從外部存儲器中讀取復(fù)位向量。但是，無論是從片外還是片內(nèi)， CPU 都從存儲器的 0000h 單元讀取復(fù)位向量。 片內(nèi)有作為程序存儲器的閃速存儲器（ 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。 本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn) DSP 控制的三相大功率 UPS 逆變環(huán)節(jié)的控制，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的最終目的是：實(shí)現(xiàn)逆變系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)壓控制，逆變輸出標(biāo)準(zhǔn)的 50Hz、 220V 的正弦交流電，且能承受各種不平衡負(fù)載直至滿載負(fù)荷 [4]。 SPWM 產(chǎn)生器 SA4828 本系統(tǒng)中， TMS320F240 本身雖具有專門應(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 可以通過軟件產(chǎn)生 SPWM 控制信號，但在本設(shè)計(jì)中仍然采用專用脈寬調(diào)制集成芯片SA4828 產(chǎn)生 SPWM 波形。 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，更重要的是對其編程簡單，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。 對 SA4828 的控制是通過微處理器接口將數(shù)據(jù)送入芯片和兩個(gè)寄存器（初始化寄存器和控制寄存器）來實(shí)現(xiàn)的。初始化寄存器用于設(shè)定與逆變器有關(guān)的一些基本參數(shù)，這些參數(shù)在 SPWM 輸出端允許輸出前初始化，逆變器工作后就不允許其發(fā)生改變；控制寄存器在工作過程中控制輸出脈寬調(diào)制波的狀態(tài)，從而達(dá)到控制逆變器的運(yùn)行狀態(tài)，通常在工作時(shí)，控制寄存器的內(nèi)容常被不斷的修改，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。參數(shù)是通過 8 個(gè)暫存器 R0、 RR R R R R1 R15 來傳送的，初始化參數(shù)先被寫入 R0~R5，然后通過對 R14寫操作將 參數(shù)傳送到初始化寄存器，再把控制參數(shù)寫入 R0~R5，并通過對 R15 寫操作將參數(shù)傳送到控制寄存器。 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、輸出相電壓檢測電路、市電相位檢測電路、 BUS 電壓檢測電路以及保護(hù)電路。圖 51 為 UPS 逆變系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。 B U S +B U S S A 4 8 2 8ABCUVW逆 變模 塊I G B T△ Y△ △ △L C濾 波 器負(fù)載相 電 位檢 測隔 離 驅(qū) 動 電 路B U S 電 壓檢 測市 電 相 位 信 號D S P 控 制 器相 電 壓 、 B U S 電 壓 檢 測鎖 相 環(huán)重 復(fù) 控 制 圖 51 三相 UPS 逆變系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 Figure 5 1 Threephase UPS inverter system topology map 姜璐：三相不間斷電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 30 由于 DSP 芯片 TMS320F240 采用的是哈佛結(jié)構(gòu)，地址總線和數(shù)據(jù)總線分開，沒有地址鎖存信號 ALE，而 SA4828 則采用單總線結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)和地址總線復(fù)用，所以要根據(jù) SA4828的時(shí)序，采用特定的接口設(shè)計(jì)才能到達(dá)對 SA4828 的控制。其接口電路的設(shè)計(jì)如圖 52。 T M S 3 2 0 F 2 4 0S A 4 8 1 8D 0 ~ D 7A D 0 ~ A D 7C SD E C O D EC SV D DR DA L EM U XV S SR SW RA 0W E 圖 52 DSP 與 SA4828 接口 Figure 5 2 DSP and SA4828 Interface 逆變系統(tǒng)的鎖相、檢測、保護(hù)電路設(shè)計(jì) 1） 鎖相電路的設(shè)計(jì) UPS 真正能夠?qū)崿F(xiàn)市電旁路供電與逆變器供電之間的可靠轉(zhuǎn)換的前提是：市電旁路來的交流電和來自逆變器的交流輸出電不但必須同頻率、同相位，而且電路的正弦波的波形失真度必須盡可能小。否則， UPS 在執(zhí)行轉(zhuǎn)換的瞬間，由于兩路交流電的差異而出現(xiàn)瞬態(tài)電壓差 △ U，如果用戶在 △ U 過大的情況下執(zhí)行轉(zhuǎn)化操作，勢必會在市電交流旁路電源和逆變電源之間產(chǎn)生很大的環(huán)流，這個(gè)環(huán)流將可能導(dǎo)致逆變器的功率管燒壞。所以說， 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)。 傳統(tǒng)的鎖相環(huán)是用硬件電路來實(shí)現(xiàn)，隨著微處理器速度不斷 的提高，用軟件實(shí)現(xiàn)鎖相環(huán)是一種趨勢。與傳統(tǒng)的模擬鎖相環(huán)相比，數(shù)字鎖相環(huán)具有更高的精度和穩(wěn)定性，而且控制方法簡單、直觀。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)電壓信號和逆變器輸出電壓信號，通過控制 SA4828 來實(shí)現(xiàn)逆變器輸出電壓信號和電網(wǎng)電壓信號保持頻率和相位的同步。 其中市電方波信號產(chǎn)生電路如圖 53 所示 ，相位信號經(jīng)過 74HC14 變成方波信號，送到 DSP 的外部中斷引腳，觸發(fā)中斷從而實(shí)現(xiàn)鎖相。用施密特芯片代替比較器可減小市電過 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]。 2）輸出電壓檢測電路的設(shè)計(jì) 在電壓檢測電路中，從逆變輸出電壓信號一開始要經(jīng)過 一 降壓變壓器，其變比為 5:1，降壓后的電壓信號經(jīng)過如下的檢測電路，接到 DSP 的 ADCIN6， ADCIN7， ADCIN9 進(jìn)行電壓采樣檢測。此檢測電路由分壓電路、反向電路，絕對值電路及限幅電路組成。 + 1 2432+U 1 2 AL M 3 2 41 1 1 2R 3 65 . 1 KU RR 1 81 0 0 KR 1 91 0 KR 2 01 0 KR 3 31 0 KC 1 54 1 4 8D 5R 5 61 0 K1 21 3R 5 51 0 K+U 1 2 D1 4L M 3 2 4D 64 1 4 8R 6 1R 8 0C 3 0D 7A D 7D S P . 7 8 . U AV C C 圖 54 輸出電壓檢測電路 Figure 5 4 Output voltage de