【正文】 －3 在線互動式結(jié)構(gòu)框圖此架構(gòu)主要特點如下：1．控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電路設(shè)計適合 5KVA 以下容量，成本較高；2．市電經(jīng)智能調(diào)節(jié)后直接提供給負(fù)載，逆變器此時給電池充電，充當(dāng)充電器的角色，系統(tǒng)損耗小，效率高；3．對市電通訊、抗衰減能力差，逆變輸出為正弦波；4．市電到逆變的轉(zhuǎn)換時間一般為 4~6ms；5．保護性能比后備式 UPS 好。被動后備式UPS電源的逆變器并聯(lián)連接在市電與負(fù)載之間，僅簡單地作為備用電源使用。被動后備式UPS具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉等優(yōu)點，可應(yīng)用于某些非重要的負(fù)載，如家用計算機等。被動后備式UPS結(jié)構(gòu)框圖如圖1－4所示充電器CHARGER蓄電池BATTERY逆變器INVERTER濾波器FILTER市電負(fù)載市電正常市電異常圖1－4 被動后備式UPS結(jié)構(gòu)框圖此架構(gòu)主要特點如下：1．電路設(shè)計架構(gòu)簡單，適合 2KVA 容量以下，體積小，重量輕，控制容易，成本低；2．市電正常時逆變器不工作，系統(tǒng)損耗小，設(shè)備使用效率高；3．逆變器僅僅在市電異常時動作，零件失效及設(shè)備故障率低；4．UPS 對市電幾乎不作處理而直接輸出至負(fù)載，對市電雜訊、抗衰減能力差，逆變輸出一般為方波；5．市電轉(zhuǎn)逆變工作時會有較長的轉(zhuǎn)換時間，一般為 8~16ms；6．保護性能差。當(dāng)輸入電源滿足電壓波動小于?15％，頻率波動小于1％時，由比 Delta變換器所提供的幅度不超過?15％的逆變電壓補償輸出電壓。當(dāng)輸入電源越過上述電壓和頻率范圍時，由主變換器(不帶逆變器輸出隔離變壓器)向用戶提供正弦波的逆變器電源。(2)頻率變換功能，可以將輸入電壓的頻率變成需要的頻率。(4)隔離功能，將瞬間間斷、諧波、電壓波動、頻率波動以及電壓噪聲等電網(wǎng)干擾阻擋在負(fù)載之前，既可使負(fù)載對電網(wǎng)不產(chǎn)生干擾，又可使電網(wǎng)中的干擾不影響負(fù)載。另一方面在UPS的整流器發(fā)生故障時可使用戶有時間來保護負(fù)載。一、 UPS 電源容量數(shù)配置方法通常情況下，負(fù)載設(shè)備提供標(biāo)稱電壓和標(biāo)稱電流，負(fù)載容量數(shù)如下：負(fù)載容量數(shù) =電壓數(shù)電流數(shù)特殊情況下，負(fù)載設(shè)備只給出了功率 W數(shù)的信息，容量數(shù)如下：負(fù)載容量數(shù) =功率應(yīng)配UPS 電源容量數(shù)=負(fù)載容量數(shù)/二、后備延時蓄電池配置方法（1）UPS蓄電池的主要技術(shù)指標(biāo)。額定容量是指充足電的蓄電池放電到終止電壓時輸出的電量。UPS 蓄電池組額定電壓≥UPS 電源啟動直流電壓（各 UPS 電源出廠時標(biāo)明啟動直流電壓） 。80年代初期，為了提高逆變電源的通信功能及顯示功能，逆變電源的設(shè)計中采用了微處理器，但是，由于微處理器的速度問題，逆變電源的控制仍然采用模擬電路進行。二、高性能的逆變電源必須滿足以下特點：（1）較高的輸入功率因數(shù)（），較低的輸出阻抗；（2）快速的動態(tài)響應(yīng)，穩(wěn)態(tài)精度高；（3）穩(wěn)定性高，效率高，可靠性高；（4）盡量低的電磁干擾；（5）完善的智能化與網(wǎng)絡(luò)化功能；顯然這些要求的實現(xiàn)都離不開數(shù)字化控制技術(shù)。（2） 控制方式靈活，系統(tǒng)升級方便，甚至可以在線修改控制算法，而不必改動硬件線路。可以針對不同的系統(tǒng)，采用統(tǒng)一的控制板，而只是對控制軟件做一些調(diào)整即可。監(jiān)控系統(tǒng)可以查詢歷史記錄，自動進行故障診斷，軟件修復(fù)，甚至進行參數(shù)的在線修改與調(diào)試。雖然目前UPS技術(shù)已經(jīng)相對比較成熟，但是其逆變器部分輸出波形的控制大多還是采用模擬電路。二、設(shè)計工作量大，周期長，而且調(diào)試不方便。所以全數(shù)字的UPS就成為必然的發(fā)展趨勢。畢業(yè)設(shè)計期間，我在導(dǎo)師的指導(dǎo)下主要設(shè)計了以下幾個方面的部分內(nèi)容:(l)系統(tǒng)的硬件設(shè)計 (2)控制方案設(shè)計:在逆變的控制中采用SVPWM控制策略(3)SVPWM原理及仿真(4)蓄電池的充放電仿真(5)簡單的軟件設(shè)計2 全數(shù)字化UPS的硬件電路設(shè)計本設(shè)計采用在線式UPS給負(fù)載供電，所謂在線式是指不管電網(wǎng)是否正常工作，負(fù)載所用的交流電壓都要經(jīng)過逆變電路，即逆變電路始終處于工作狀態(tài)， 當(dāng)市電正常時，輸入電壓經(jīng)過整流濾波電路，一路給逆變器提供電壓，逆變器輸出經(jīng)過輸出變壓器和輸出濾波電路將SVPWM波形變換成隔離的純正弦波，另一路送入充電器給蓄電池補充能量。UPS由市電經(jīng)整流濾波器、逆變器及靜態(tài)開關(guān)給負(fù)載供電，并且由逆變器來完成穩(wěn)壓和頻率跟蹤功能。當(dāng)市電正常，逆變器出現(xiàn)故障或輸出過載時，UPS工作在旁路狀態(tài)，靜態(tài)開關(guān)切換到市電端，由市電直接給負(fù)載供電。由此可見，對于在線式UPS，無論市電是否正常，其輸出總是由逆變器提供，所以在市電故障的瞬間，UPS的輸出不會有任何間斷。 本系統(tǒng)設(shè)計要求：在線式三進三出10KVA，輸入線電壓為380V,輸出線電壓220V圖2－1 UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2．電路參數(shù)設(shè)計主電路參數(shù)設(shè)計三相不可控橋式整流負(fù)載上的電壓為脈動的線電壓，正如波形圖中以 U2 表示輸入相電壓有效值，并Uab超前 Ua30176。dwt=≈圖2－2 三相不控整流電路 圖2－3 三相橋式整流電路電壓波形如圖2－2所示，UPS不間斷電源的整流電路采用三相不控整流器，即二極管整流，不存在倒發(fā)電能量饋入電網(wǎng)的情況，這種整流方式功率因數(shù)相對比較高，但其也不可避免的存在著減小諧波和提高功率因數(shù)的要求?？芍?，其功率因數(shù)比較高，網(wǎng)側(cè)諧波比較少。三相不可控橋式整流電路如圖 2－3 所示，其中的六個二極管分為兩組，奇數(shù)組 VDVD3 和 VD5 的陰極連在一起稱為共陰極組，偶數(shù)組 VDVD4 和 VD6 的陽極連在一起稱為共陽極組，異名電極相連后接電源，同名電極相連后接負(fù)載。電路工作情況具體分析如下：（1）在 0~t1期間，c 相電位為正，b 相電位為負(fù)，a 相電壓為正，但小于 c 相電壓。VD5導(dǎo)通后，又使 VD1和 VD3的陰極電位基本上等于 c 點電位，因此兩管截至。如果忽略正向管壓降，在此期間加在負(fù)載上的電壓就是線電壓 ucb，其電流通路為：c→VD5→LC→VD6→b。（3）其他時間段二極管的導(dǎo)通情況和負(fù)載電壓的波形和上述推導(dǎo)過程類似，電路電壓波形如圖 2－3 所示。在輸入側(cè)端：由公式P=3UI, P=10KVA,U=380VI=P3U=100003380=I峰值＝2I=2=選擇二極管時，I39。=22U=22380=1075V為此整流二極管，選擇的型號如表2－1所示型號最高反向峰值電壓平均整流電流（A）最大峰值浪涌電流（A）正向壓降外型IN5399100050DO15經(jīng)過整流的電壓波形還有一定的波動，需要加個電容進行濾波，選多大的電容成為首要問題。將式改寫成按照上面的要求，設(shè)放電到3ms時，應(yīng)當(dāng)UC=，代入這些數(shù)據(jù)后，上式就變成：即：CR=式中，R是整流濾波電源輸出最大容量時的等效負(fù)載電阻值，于是電容（無源）采用這種方式的無源功率因數(shù)校正法，由于電感元件在能量的傳遞中起載體的作用，因此電感器元件的選型是一個關(guān)鍵，其參數(shù)的大小直接影響著功率因數(shù)校正的效果。由上節(jié)可知，濾波電容為：對L、C的選擇：三相橋式不控整流電路輸出電壓() Ud=515V，當(dāng)為額定容量時， S=10KVA，由公式S=UI 可得I=SU=10000515=則等效負(fù)載電阻R=UI=≈27Ω故L=R3ω=273314≈29mHC=10327≈145μF開關(guān)頻率 fs的選擇從理論上講，提高開關(guān)頻率可以減小濾波參數(shù)，從而縮小體積、減輕重量、降低系統(tǒng)功耗及成本，并減小交流電流諧波畸變率。本裝置開關(guān)管采用西門子公司的 IGBT，由于電力電子器件的發(fā)展，IGBT 的開關(guān)損耗越來越小，允許的開關(guān)頻率越來越高，因此可適當(dāng)提高開關(guān)頻率，選取 f s=20kHz(BUCK)變換器圖2－4 降壓式變換器及波形上圖2－4為降壓式（BUCK）變換器及其輸出波形，BUCK變換器輸出電壓平均值U0總是小于輸入電壓Ui。當(dāng)電路工作頻率較高，電感和電容足夠大并為理想元件，則電路進入穩(wěn)態(tài)后，可以認(rèn)為輸出電壓為常數(shù)。當(dāng)晶體管截止時，電感中電流不能突變，電感上感應(yīng)電動勢使二極管導(dǎo)通，這時UO=Li0maxiomintoff=L?iofftoff式中，toff為晶體管截止時間； ?ioff為晶體管截止時間輸出電流變量在穩(wěn)態(tài)時?ion=?ioff=?i式中，?ion為輸出電流變量（一） buck 電路的電感電容參數(shù)設(shè)計buck 電路可以工作于不連續(xù)模式，但是會出現(xiàn)一些問題，最好能保證電路大部分時間工作在連續(xù)電流模式。充電電路電感電容的選擇：設(shè)開關(guān)頻率為1KHz，輸出電流變化值為1A，則據(jù)相關(guān)經(jīng)驗公式可得：即515300L**103=1L=，取電感為130 mH。(二)充電電路MATLAB仿真本次設(shè)計主要調(diào)節(jié)BUCK電路中給定輸入電壓值和占空比，對輸出電壓是否和理論值相同給予驗證。圖2－5 充電電路的仿真圖2－6 輸出電壓Ur的波形（BOOST）變換器圖2－7 升壓式電路上圖2－7為升壓式（BOOST）電路，由功率晶體管VT、儲能電感L、二極管VD及濾波電容C組成。當(dāng)VT截止時，電感電流減小，感應(yīng)電動勢為左負(fù)右正，電感能量釋放，與輸入電壓順極性一起經(jīng)二極管向負(fù)載供電，并同時向電容充電。在電感電流連續(xù)的條件下，電路工作于如圖28所示的兩種狀態(tài)。穩(wěn)態(tài)時，uvT=0 0≤t≤DTUd DTt≤T據(jù)電路工作狀態(tài)，各電量間數(shù)量關(guān)系為求解可得輸入電壓U與輸出電壓Ud的變換關(guān)系為要想輸入300V輸出515V的直流電壓，此時：515=11D*300可以求得：D=（一）放電電感電容的選擇：設(shè)開關(guān)頻率為1KHz，電流變化值為1A，脈沖下降時間為1ms；由于放電電路輸入電壓為300V，輸出電壓為515V，則?U=515300=215V據(jù)?U=L?I?t (?U為瞬時反電動勢電壓；?t 為脈沖下降時間)則L=?U?T?I=215*1031=215mH取電感L為215 mH。（二）放電電路的仿真圖210為蓄電池放電仿真電路，該仿真主要對BOOST電路調(diào)節(jié)給定輸入電壓值和占空比，對輸出電壓是否和理論值相同給予驗證。Pulse取的參數(shù)如圖2－9所示圖2－9 Pulse參數(shù)設(shè)置圖2－10 充電電路的仿真模型圖2－11 BOOST電路的輸出電壓及諧波把MOS管技術(shù)引入功率半導(dǎo)體器件的思想開創(chuàng)了革命性的器件:絕緣柵雙極晶體管IGBT。IGBT的發(fā)展使集外圍電路內(nèi)置于一塊功率模塊的智能功率IPM脫穎而出。 IPM 使產(chǎn)品的體積減小,縮短了開發(fā)時間,簡化了開發(fā)步驟。 它由高速低工耗的管芯和優(yōu)化的門級驅(qū)動電路以及快速保護電路構(gòu)成。 IPM一般使用IGBT作為功率開關(guān)元件,并內(nèi)藏電流傳感器及驅(qū)動電路的集成結(jié)構(gòu)。 IPM內(nèi)的IGBT芯片都選用高速型,而且驅(qū)動電路緊靠IGBT芯片,驅(qū)動延時小,所以IPM開關(guān)速度快,損耗小。 IPM內(nèi)部的IGBT導(dǎo)通壓降低,開關(guān)速度快,故IPM功耗小。 IPM實時檢測IGBT電流,當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重過載或直接短路時,IGBT將被軟關(guān)斷,同時送出一個故障信號。 在靠近IGBT的絕緣基板上安裝了一個溫度傳感器,當(dāng)基板過熱時,IPM內(nèi)部控制電路將截止柵級驅(qū)動,不響應(yīng)輸入控制信號。 在串聯(lián)的橋臂上,上下橋臂的驅(qū)動信號互鎖。(6)抗干擾能力強。(7)驅(qū)動電源欠壓保護。IPM自動檢測驅(qū)動電源,當(dāng)?shù)陀谝欢ㄖ党^10μs時,將截止驅(qū)動信號。 縮短開發(fā)了時間。(10)大大減少了元件數(shù)目。三、IPM的分類 IPM根據(jù)內(nèi)部功率電路配置的不同可分為4類：H型（內(nèi)部封裝一個IGBT）、D型（內(nèi)部封裝兩個IGBT）、C型（內(nèi)部封裝6個IGBT）和R型（內(nèi)部封裝7個IGBT）。IPM內(nèi)置驅(qū)動和保護電路，隔離接口電路需用戶自己設(shè)計。它采用的故障檢測和關(guān)斷方式使功率芯片的容量得到最大限度的利用。IGBT的柵極驅(qū)動電路就關(guān)閉，同時產(chǎn)生一個故障信號。在過流期間，IPM不再接受輸入信號；過流信號過后，輸入信號才能導(dǎo)通。電流在OC以上但持續(xù)時間小于toff(oc)時，過流保護電路不工作。這個過程與過電流保護相同，其動作時間更短。（3）超溫保護靠近IGBT芯片的絕緣基板上裝有溫度傳感器，IPM的超溫保護單元實時監(jiān)測IPM基板的溫度，基板的溫度超過過熱斷開閾值時，IPM內(nèi)的溫度保護電路就會中止柵極驅(qū)動，對模塊實行軟關(guān)斷，不響應(yīng)控制輸入信號，直至過熱根源被排除。（4）欠壓保護（UV）IPM的欠壓保護電路實時監(jiān)測控制電源電壓，欠壓時間超過允許時間時，欠壓保護電路就輸出動作信號并封鎖輸入信號，對模塊實行軟關(guān)斷。內(nèi)部控制電路由15V直流電源供電。小毛刺干擾電壓的持續(xù)時間小于規(guī)定的延時時間tdey時，控制電路不受影響，欠壓鎖定保護電路也不動作。在控制電源上電和掉電期間，欠壓鎖定保護電路都有可能起作用，這屬于正?，F(xiàn)象，系統(tǒng)控制器程序所要考慮的只是所產(chǎn)生的故障輸出信號的脈沖寬度（5）誤動作報警輸出信號各種故障動作時間如果持續(xù)1ms以上，IPM即向外部CPU發(fā)出誤動作信號，直到故障撤消為止。本設(shè)計中逆變電路采用三菱公司PM50RSA120智能功率模塊。IPM模塊內(nèi)置保護功能齊全，具有欠壓保護、過熱保護、短路保護，如果模塊內(nèi)有任何一種保護電路動作，IGBT柵極驅(qū)動單元就會關(guān)斷，并輸出一個故障信號(FO)，向系統(tǒng)控制器提供報替信號，使控制器的柵極控制信號為全高或全低，進一步封鎖IGBT的輸出，完成對系統(tǒng)的保護。PDPINTA是一個下降沿有效的中斷?？梢杂糜谙螂妱訖C的監(jiān)視程序提供過電壓,并且2個HI時鐘周期從同一個中斷源接收一次中斷,為使DSP芯片只識別一次中斷,低電平窄脈沖必須至少包含一個HI的下降沿,至多包含兩個HI的下降沿,即窄脈沖的寬度必須滿足:其中P為HI的周期, 2－13 RC決定窄脈沖的寬度,HI周期為60 ns ,RC值應(yīng)該在60～120 ns之間,取脈沖寬度為94ns ,HI周期為50 ns ,RC值應(yīng)該在50～10