【正文】 制方案。本文在 Album Designer 軟件環(huán)境下繪制電路原理圖和 PCB 電路板。 在完成 UPS 逆變電源控制系統(tǒng)的軟硬件設計的基礎上，本文將控制系統(tǒng)和 UPS 整機進行聯(lián)合調(diào)試。 關鍵詞 :正弦脈寬調(diào)制 SPWM； TMS320LF2407A；電力電子系統(tǒng)；逆變器；數(shù)字化精準控制 1 ABSTRACT UPS (Uninterrupted Power Supply) is an electrical equipment that can provide emergent power supply by use of storage battery when power failure. In addition, UPS can improve the quality of mains power country has large demand for UPS. The annual sales of UPS reach to 8 billion yuan. The demand is continuously large in the field of telemunication and finance and begins to rise in the field of manufacturing, transportation and energy source. This dissertation introduces the structure of UPS, analyzes the function and operation principle of each part of UPS and studies the key technique for UPS inversion contro l. The UPS inversion control system based on DSP is put forward. The system is bined with hardware design and software design and is suitable for digital accurate control. In terms of the hardware design of UPS inversion control system, TMS320LF2407A, the 32bit DSP manufactured by TI, is used to control inverter and generate drive signal for IGBT and SCR. EPM240T 100C, the high performance and low power consumption manufactured by Altera, is used for interface extension and phase shift of drive signal. The schematics and printed circuit board are designed in the environment of Altium Designer. Antiinterference methods are adopted to enhance system stability. After hardware design and software design, the control board is jointtested with UPS. The result shows that under the coordination of UPS inversion control system designed in this dissertation, IGBT drive signal and SCR control signal can be correctly generated so that UPS can work normally. The output signal can accurately trace the frequency of mains power supply, keeping the phase consistent. What39。 它可以保障計算機系統(tǒng)在停電之后繼續(xù)工作一段時間以使用戶能夠緊急 存盤 ，使用戶不致因停電而影響工作或丟 失數(shù)據(jù) 。主要用于給單臺 計算機 、計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)或其它 電力電子設備 提供不間斷的電力供應。 UPS 設備通常對電壓過大和電壓太低都提供保護。同步鎖相控制完成以下功能：在旁路電源頻率滿足要求時，逆變器輸出電壓的頻率和相位要跟蹤旁路電壓的頻率和相位；旁路電壓頻率超出精度要求或旁路掉電時，逆變器輸出與自身內(nèi)部基準頻率同步；在鎖相輸出與自同步兩種狀態(tài)間切換時，要求逆變器輸出電壓的頻率變化要平穩(wěn)，以免造成逆變器工作頻率的劇烈抖動。與傳統(tǒng)的模擬鎖相相比，數(shù)字鎖相不僅可以簡化硬件電路降低成本，還解決了模擬電路中器件的老化和溫漂等問題，提高了鎖相的精度。在一些重要公用事業(yè)單位，諸如醫(yī)院、機場、高架、隧道銀行等，對供電質(zhì)量的要求越來越高。 UPS(Uninterruptible Power System)正是在這種背景下應運而生。 UPS 與應急電力設備、備用電源的區(qū)別在于 UPS 在電源故障發(fā)生的同一時刻或者幾乎同一時刻為負載供電。一般來說， UPS 的蓄電池可以維持 UPS 在市電掉電情況下繼續(xù)工作 515 分鐘，但在這段時間內(nèi)換上備用發(fā)電機或是關閉用電設備己經(jīng)足夠充裕了。 在我國， UPS 的需求量不斷攀升， UPS 的應用范圍也越來越廣泛。從使用 UPS 的行業(yè)分布來看，除電信、金融、通信等行業(yè)依舊規(guī)模巨大之外，一些以往在市場上份額不大的行業(yè)，例如制造業(yè)、交通業(yè)、能源業(yè)等行業(yè)，對 UPS 的需求量呈現(xiàn)逐年增加的趨勢。 20xx 奧運會的舉辦推動了 UPS 的發(fā)展。 UPS 逆變電源的分類 UPS 逆變電源的分類方式有很多，按照工作原理分，有動態(tài)式和靜態(tài)式 。按照功率大小分，有小功率型 (5KVA 以下 )，中功率型 (5KVA30KVA)，大功率型 (30KVA 以上 )。 被動后備式 (Passive Standby) 被動后備式 UPS 是最基本的不間斷電源 形式。當市電降低到 UPS 預先設定的閥值時，被動后備式 UPS 開啟 DCAC 逆變器，逆變器由內(nèi)部蓄電池組供電。這一轉(zhuǎn)換過程的時間通常是幾十個毫秒，時間長短取決于 UPS 對于市電供電不足的反應快慢。 蓄 電 池 組 逆 變 器充 電 器市 電 輸 入輸 出 到 用 電設 備 (a)市電正常時被動后備式 UPS 的工作原理圖 (a)Passive Standby UPS Running Principle when Normal AC Supply 蓄 電 池 組 逆 變 器充 電 器市 電 輸 入輸 出 到 用 電設 備 (b)過壓、欠壓和功率不足時被動后備式 UPS 的工作原理圖 (b) Passive Standby UPS Running Principle when over/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。 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)市電正常或稍有波動時在線互動式 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。 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。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 通常用于要求電氣隔離的環(huán)境和對功率浮動敏感的設備。雙轉(zhuǎn)換式 UPS 的價格比較昂貴，常用于工業(yè)設備、數(shù)據(jù)中心等電力環(huán)境嘈雜的大型負載。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。 雙轉(zhuǎn)換式 UPS 經(jīng)過 ACDC 和 DCAC 兩次變換之后，在輸入電網(wǎng)和電器設備間樹立了一道隔離護欄，使得電器設備不受電網(wǎng)電壓波動的影響。 蓄 電 池 組逆 變 器充 電 器市 電 輸 入輸 出 到 用 電設 備整 流 器 圖 13 雙轉(zhuǎn)換式 UPS 結構圖 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。開關器件的更新?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。 (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。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。同樣可以保證負載的正常運作。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。將微處 理器應用在 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。 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。 (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。 (4).以模擬器件為主的電路需要調(diào)整參數(shù)。采用高性能 DSP 設計電路的優(yōu)越性體現(xiàn)在以下幾個方面?？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。 (2).輸出信號質(zhì)量穩(wěn)定。 (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，控制開關器件，維持系統(tǒng)運作?？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。 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)多個設備的聯(lián)機監(jiān)控和調(diào)試，易于實現(xiàn) UPS 網(wǎng)絡化運行。詳細介紹了各類不同 UPS 的運行原理和各自優(yōu)缺點。在線式 UPS的系統(tǒng)框圖如圖 21 所示。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。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。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。 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。這就在電容器和充電器間形成了脈沖電流，導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。在市電正常時，通過直流電對蓄電池組充電，將電能轉(zhuǎn)換成化學能。當 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。除此之外，浮充充電的方式還可以改善 UPS 的瞬態(tài)響應。 (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。充電方式的切換是由控制芯片完成的。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。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