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基于dsp帶同步鎖相的逆變器控制系統(tǒng)設(shè)計_畢業(yè)設(shè)計-文庫吧資料

2025-07-12 01:01本頁面
  

【正文】 功率因數(shù)是衡量電器設(shè)備性能的一項重要指標(biāo)。同時介紹了 UPS 正常工作時的幾種模式。分析了其組成部分 :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、微控制器、人機交互。在 UPS 的輸出端,以及整流器之后,通常都會接濾波電路,這樣設(shè)計可以最限度地降低來自于市電的干擾,而逆變器的開關(guān)信號是由控制電路發(fā)出的,控制電路又在根據(jù)輸入輸出信號的幅度和相位不斷調(diào)整 逆變器驅(qū)動信號的參數(shù),所以在線式 UPS 可以輸出高質(zhì)量的穩(wěn)定的正弦信號,確保負(fù)載工作電源穩(wěn)定。 總的來說,對于在線式 UPS,除了逆變器發(fā)生故障之外,輸出端的信號總是由逆變器提供。 (3)逆變 器發(fā)生故障時,或者由于某些原因輸出過載,系統(tǒng)將切換到旁路工作模式,這時,負(fù)載由市電直接供電。 (2)當(dāng)市電發(fā)生故障時 (市電超過或者低于系統(tǒng)設(shè)定的閡值 ),逆變器仍然工作,但是逆變器的工作電壓由蓄電池提供。 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(fù)載。 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(fù)載。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(fù)載損壞或者輸出異常。 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。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)。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。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(fù)載供電切換成市電供電。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(fù)載使用。 (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(fù)載提供電源。控制芯片在充電過程中檢測兩個物理量 :電池電壓和電池電流。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。如果 UPS 的負(fù)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。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。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。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。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。常用的濾波電路有 RC 濾波, LC 濾波等。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。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。 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(fù) 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。 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。 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。 (5).通信接口豐富,易于聯(lián)機。 (4).系統(tǒng)維護方便。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。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。 (1).系統(tǒng)設(shè)計方便。 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。 (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。 (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。這些智能化的理念更加豐富和完善了 UPS 的功能。 (4)智能化 :微處理器的廣泛應(yīng)用推動了 UPS 智能化的進程。 (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(fù)載供電質(zhì)量。即使有一臺 UPS 機器發(fā)生故障,其他 UPS 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。 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 (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。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。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 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)。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 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。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。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。圖 11(a)和圖 11(b)分別表明了被動后備式 UPS 在市電正常情況下和市電過壓、欠壓及功率不足情況下的工作原理。然后 UPS 調(diào)節(jié)輸出端的開關(guān),將用電設(shè)備的供電由市電直接供電改成了 DCAC逆變器的輸出供電。在這種形式下,市電直接連接到用電設(shè)備,在市電正常的情況下,用電設(shè)備的供電由市電直接提供,充電電路為蓄電池充電。 3 在國際電工委員會 (IEC, International Electrotechnical Commission)于 1999 年制定標(biāo)準(zhǔn) IEC62040 中,根據(jù) UPS 不同的結(jié)構(gòu)和性能,把 UPS 分成 3 類 :被動后備式,在線互動式和雙轉(zhuǎn)換式。按 照輸入輸出方式分,有單相輸入、單相輸出,三相輸入、單相輸出,三相輸入、三相輸出 。盡管金融危機一度使得 UPS 的生產(chǎn)和銷售規(guī)模下滑,但是UPS 的生產(chǎn)企業(yè)通過融資、自身的技術(shù)創(chuàng)新和管理改革等手段,從容面對,把對市場的影響降到最低。特別是一些中小型企業(yè)的大規(guī)模崛起,帶動了 UPS 的市場進一步繁榮。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計,在20xx 年和 20xx 年中,中國 UPS 電源市場的總體銷售額分別達到了 80 億元、 87 億元。在 UPS 系統(tǒng)中,結(jié)合高質(zhì)量的逆變器和精準(zhǔn)的數(shù)字控制技術(shù), UPS 在某些程度上也解決了市電電網(wǎng)中存在的種種問題,例如電壓浪涌、尖峰電壓、欠壓、頻率不穩(wěn)定、諧波干擾等。對于小功率負(fù)載, UPS 利用掛載的電池和相關(guān)電子電路產(chǎn)生電源,對于大功率負(fù)載, UPS 使用內(nèi)燃機發(fā)生器和調(diào)速輪發(fā)電。 UPS 逆變電源是一種電力設(shè)備,當(dāng)輸入電源,尤其是電網(wǎng)供電出現(xiàn)故障時,為負(fù)載提供應(yīng)急供電。還有些特殊的電力設(shè)備 ,比如服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心、通信基站等,不僅要求 365x24 連續(xù)供電,還對電源信號的電壓、幅度、頻率等參數(shù)提出了精準(zhǔn)的要求,以確保設(shè)備的正常運行。 2 1 緒論 選題的背景和意義 隨著信息科技和電子電力技術(shù)的迅猛發(fā)展,各式各樣的用電設(shè)備層出不窮,而絕大多數(shù)用電設(shè)備是非線性負(fù)載,它們從電網(wǎng)獲取的電流和電壓波形不一致,因此給電網(wǎng)帶來的極大的諧波危害,造成供電質(zhì)量愈來愈差。 鎖 相可分為模擬鎖相和數(shù)字鎖相。 由于在線式 UPS 需要在旁路電源供電與逆變供電之間進行切換,為了實現(xiàn)連續(xù)切換,需要通過同步鎖相器實現(xiàn)逆變器輸出電壓與旁路電壓同步。當(dāng)市電輸入正常時, UPS 將市電穩(wěn)壓后供應(yīng)給負(fù)載使用,此時的 UPS 就是一臺交流市電穩(wěn)壓器,同時它還向機內(nèi)電池充電;當(dāng)市電中斷(事故停電)時, UPS 立即將機內(nèi)電池的電能,通過逆變轉(zhuǎn)換的方法向負(fù)載繼續(xù)供應(yīng) 220V 交流電 ,使負(fù) 載維持正常工作并保護負(fù)載軟、 硬件 不受損壞。 UPS是一種含有儲能裝置,以逆變器為主要組成 部分 的恒壓恒頻的不間斷電源。s more, the output signal improves the quality of mains power supply by reducing high harmonic wave. KEY WORD:SPWM; TMS320LF2407A; Digital Accurate Control; LargePower Inverter;Power Electronics System 1 目錄 0 前言 .............................................................................................................................................. 1 1 緒論 .............................................................................................................................................. 2 選題的背景和意義 ................................................................................................................ 2 UPS 逆變電源的分類 ............................................................................................................. 2 被動后備式 (Passive Standby) ........................................................................................ 3 在線互動式 (LineInteractive)......................................................................................... 4 雙轉(zhuǎn)換式 (Double Conversion ) ...................................................................................... 5 UPS 逆變電源的發(fā)展趨勢和數(shù)字化控制的意義 .................................................................... 5 采用 DSP 設(shè)計電路的優(yōu)越性體現(xiàn) ................................................................................. 6 本章小結(jié) ..............................................................................
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