畢業(yè)設(shè)計（論文）數(shù)字化電力UPS系統(tǒng)設(shè)計

1、摘要隨著以計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、現(xiàn)代全球化通信技術(shù)為核心的信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，以計算機(jī)和通信等設(shè)備為代表的非線性負(fù)載使用得越來越來廣泛。這些非線性負(fù)載在運行過程中會對電網(wǎng)造成“諧波污染”，使電網(wǎng)的供電質(zhì)量惡化，同時，這些非線性負(fù)載對供電的質(zhì)量要求很高。不間斷電源裝置(ups)能夠為這些設(shè)備提供高質(zhì)量、高可靠性的交流電源。 在各種ups中，在線式ups的性能最好，能夠提供失真度小、穩(wěn)定、純正的正弦波電源。便宜的dsp芯片的飛速發(fā)展，簡化了電路并且實現(xiàn)了數(shù)字化控制。下面主要介紹了基于dsp控制芯片的數(shù)字化在線式ups的設(shè)計方法。首先介紹了在線式ups主電路的結(jié)構(gòu)特點。在線式ups大致可分為4個控制階段:

2、交流輸入的pfc控制(ac-dc )，逆變輸出控制(dc/ac)，電池的充電控制和升壓控制。為了安全，在輸入和輸出端加上隔離器。關(guān)鍵詞：ups dsp數(shù)字控制abstract with the fast development of the information trade based on internet and the modern global communication, more and more nonlinear loads are used, such as computers and communication devices. these nonlinear loads

3、 will generate “harmonious waves pollution” and deteriorate the power quality of the powernetwork. but these nonlinear loads request high quality of power. uninterruptible power supplies can offer the high quality and dependability ac power for these loads.among all kinds of ups the online upss capa

4、bility is the best. the online ups can supply the steady and pure sine wave power with little distortion. the high speed and cheaper dsp control chips make it possible to predigest the circuit and realize the digital control. this paper introduces a method to design a full digital online ups based o

5、n dsp control chip. the control of the online ups is can divided into four stages: the pfc control of input (ac to dc), the invert control (dc to ac), the batterys charge and discharge control. for the sake of the safety, install the transformer in the input and output. keywords: uninterruptible pow

6、er supplies digital signal processorfull digital pulse width modulation repetitive control。目 錄第一章 緒論 51.1 概述51. 2 ups的發(fā)展和分類51.2.1 ups的發(fā)展 6 1.2.2 ups的分類 61.3 ups的電氣性能指標(biāo)及在線式ups的優(yōu)良電氣特性91.4 本文選題的意義 11第二章 系統(tǒng)的設(shè)計原理 12第三章 整流電路 143.1 整流部分 143.2 濾波部分 17第四章 逆變電路 204.1 逆變電路概述 204.2 pwm控制方式 4.3 脈寬調(diào)制 224.4諧波分析 23

7、4.5數(shù)字spwm的實現(xiàn)254.5.1數(shù)字pwm產(chǎn)生機(jī)制254.5.2數(shù)字pwm分辨率264.5.3數(shù)字spwm的發(fā)生原理 274.6 死區(qū)對逆變器輸出電壓影響分析 284.6.1死區(qū)效應(yīng)分析284.6.2死區(qū)效應(yīng)的補償29第五章 電池充電環(huán)節(jié)第六章 結(jié)束語和展望謝辭參考文獻(xiàn) 第一章 緒論1.1 概述當(dāng)今時代，計算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展，計算機(jī)已廣泛地被應(yīng)用到電力、通信、銀行、化工、軍事等各行各業(yè)。尤其是計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和電信網(wǎng)絡(luò)有機(jī)的結(jié)合在一起的第三代互聯(lián)網(wǎng)的興起，其必將承擔(dān)起向國民經(jīng)濟(jì)各個重要領(lǐng)域提供365 x 24小時的高可靠、高安全度和高速的信息資源服務(wù)(由于高速光纖傳輸骨干網(wǎng)的建立，當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)的傳輸

8、率己從幾年前的mb/s級提高到了gb/s級)。這些網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換中心必須提供盡可能大的數(shù)據(jù)吞吐量，必須具有足夠的帶寬傳輸性，以便向終端用戶提供高速、高效的互聯(lián)網(wǎng)信息增殖服務(wù)。要求網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換中心在執(zhí)行數(shù)據(jù)的處理、存儲和運輸?shù)倪^程中，其誤碼率應(yīng)該盡可能低，以便向終端用戶提供連續(xù)和準(zhǔn)確無誤的信息資源。而現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展使供電網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載越來越復(fù)雜，特別是大型用電負(fù)載的啟動和停止，大型可控電力電子設(shè)備的應(yīng)用以及網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部噪聲會使交流正弦波發(fā)生畸變。另外，自然界的雷電，電網(wǎng)的接地不良等因素均影響到電網(wǎng)的供電質(zhì)量。由于以上因素的影響，可能會導(dǎo)致接在電網(wǎng)上的計算機(jī)設(shè)備，包括通信、醫(yī)療等精密的工業(yè)儀器設(shè)備發(fā)生失控、

9、丟失數(shù)據(jù)、停機(jī)、損壞等嚴(yán)重后果，直接影響到用戶的正常工作，造成經(jīng)濟(jì)損失或其他嚴(yán)重事故。如何解決這些市電問題，正是ups (uninterruptible power supply)不間斷電源的責(zé)任所在。ups不僅具有輸出電源的不間斷性，同時還具有輸出電壓穩(wěn)定、精度高、工作頻率穩(wěn)定、波形純凈等特點。大量運行實踐表明，ups供電系統(tǒng)提供的逆變器電源的質(zhì)量高低是影響互聯(lián)網(wǎng)能否向廣大用戶提供高速，可靠，安全的365x24小時“全天候”的互聯(lián)網(wǎng)增值服務(wù)的關(guān)鍵因素之一。因此，適合現(xiàn)代科技發(fā)展的高質(zhì)量、高可靠性ups不間斷電源的研究就成為人們十分關(guān)注的課題。1. 2 ups的發(fā)展和分類1.2.1 ups的發(fā)

10、展最初的ups電源是在二十世紀(jì)六十年代出現(xiàn)的靠電動機(jī)所帶飛輪慣性提高輸出電源的質(zhì)量和提供后備供電時間(一般不超過5秒)；然后出現(xiàn)了以蓄電池組供電給直流電動機(jī)帶交流發(fā)電機(jī)提供后備電源的供電系統(tǒng)，這種方式供電效率較低；再后來是靠內(nèi)燃機(jī)提供后備供電的ups電源，這種ups設(shè)備龐大笨重、操作不夠靈活、而且效率低、噪聲大。這些都是動態(tài)方式的ups電源。隨著電力電子學(xué)的發(fā)展，可實現(xiàn)大功率的電能轉(zhuǎn)換，于是出現(xiàn)了靜態(tài)ups,這種ups具有沒有振動、噪音低、體積小、控制靈活、效率高等優(yōu)點，現(xiàn)代ups基本上都是靜止型的。隨著電力電子技術(shù)微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，ups技術(shù)也正在朝著高頻化、綠色化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的方向

11、不斷前進(jìn)，具體表現(xiàn)在:a)采用igbt.智能功率模塊ipm或igct等作為功率器件，改善了逆變器性能，如降低噪聲、減小體積。b)采用如spwm調(diào)制技術(shù)、空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)(svpwm)、提高電壓利用率的準(zhǔn)優(yōu)化pwm技術(shù)以及用于高壓高頻的hvsopwm技術(shù)等。c)在主功率部分與控制方式相結(jié)合采用軟開關(guān)技術(shù)。軟開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用使逆變器具有更高的效率自身損耗大大降低，更高的功率密度自身體積、重量大大減小，以及更高的可靠性；并可有效地減小電能裝置引起的電磁污染(emi)和環(huán)境污染(噪聲等)。d)輸入端采用功率因數(shù)矯正技術(shù)(pfc)減小了ups對電網(wǎng)的污染并提高了效率。e)使用高性能微處理器和信號處理技

12、術(shù)控制和監(jiān)視ups運行并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。全數(shù)字化易于實現(xiàn)計算機(jī)的處理和控制，便于修改策略、修改控制參數(shù)，便于故障監(jiān)測、自診斷、容錯、通信等技術(shù)的植入。同時大幅度的減少了元器件的數(shù)量，提高了裝置的可靠性。f)采用網(wǎng)絡(luò)化管理，使用戶能更方便的、實時的監(jiān)控ups系統(tǒng)的運行。g)采用雙機(jī)或多機(jī)并聯(lián)冗余技術(shù)組成ups系統(tǒng)，大大提高了可靠性。1.2.2ups的分類現(xiàn)代ups的型號、品種很多，工作方式也各不完全相同，大體上可分為三大類：在線式、后備式和三端口方式。1.在線式ups (on-line ups, inverter preferred ups) 圖1-1在線式ups原理框圖圖1-1為在線式ups的原

13、理框圖。在線式ups無論市電是否正常，其功率流程都是“市電emi (electro magnetic interference)濾波整流濾波(掉電時為電池) 逆變器靜態(tài)開關(guān)輸出”。只有當(dāng)逆變器發(fā)生故障或過負(fù)荷時，才通過靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)切換到市電旁路，其功率流程是“市電emi濾波靜態(tài)開關(guān)輸出”。有的用戶還備有柴油發(fā)電機(jī)，可以在市電停電510秒之內(nèi)投入到ups電源的輸入端，可以在長時間停電的情況下向用戶提供高質(zhì)量的正弦波電源。圖1-1只是在線式ups的大體框架，有幾種不同設(shè)計:有的ups將充電器部分和整流濾波部分設(shè)計成一個單元，既為逆變器提供負(fù)載電流，又為電池充電；有的ups將進(jìn)入逆變器的直流電進(jìn)行d

14、c/dc變換，升壓后再經(jīng)逆變器變換成要得到的220v交流電；有的ups則在逆變器后加變壓器將輸出交流電壓升到220v.2.后備式ups (off-line ups, line preferred ups) 圖1-2后備式ups原理框圖后備式ups的原理結(jié)構(gòu)和在線式基本一樣，但工作方式不一樣。市電電壓在170-264v的范圍內(nèi)時，它向用戶提供經(jīng)變壓器抽頭調(diào)壓處理的一般市電電源，僅當(dāng)市電電源電壓低于170v或高于264v時，才向用戶提供真正的逆變器輸出的高質(zhì)量的正弦波電源。還有一種逆變器輸出是方波的后備式ups,這種電源不允許用戶使用電感性負(fù)載。3.三端口ups (delta ups, inter

15、active ups)圖1-3 三端口ups原理圖三端口ups如圖1-2所示，它的結(jié)構(gòu)與在線式和后備式不同。市電正常時，市電經(jīng)濾波穩(wěn)壓后通過三端口轉(zhuǎn)換開關(guān)(有的是三端口變壓器)分別給輸出和雙向變換器，雙向變換器整流給電池充電:當(dāng)市電掉電時，雙向變換器逆變經(jīng)三端口轉(zhuǎn)換開關(guān)給負(fù)載供電。三端口ups又分成在線互動式、delta變換型和三端口結(jié)構(gòu)方式。在線互動式當(dāng)電源電壓在180240v時，直接供電，在150180v或240276v時采用變壓器抽頭穩(wěn)壓方式穩(wěn)壓，其余范圍采用逆變器供電；delta 變換型在電源電壓波動小于15%,頻率波動小于3hz時采用串聯(lián)補償變壓器交流穩(wěn)壓控制技術(shù)方式穩(wěn)壓，其他范圍使

16、用逆變器供電；三端口結(jié)構(gòu)方式利用鐵磁諧振變壓器的諧振原理穩(wěn)壓?？梢钥闯鏊鼈冎皇欠€(wěn)壓方式不同，但有一個共同點:都有一個雙向變換器在市電正常時整流給電池充電，市電質(zhì)量差到一定程度時逆變給負(fù)載供電。1. 3 ups的電氣性能指標(biāo)及在線式ups的優(yōu)良電氣特性一個合格的ups產(chǎn)品，要符合一定的性能指標(biāo).了解了ups的各項電氣指標(biāo)，才能根據(jù)要求開發(fā)研制出合格的、高質(zhì)量的ups。具體的ups的電性能分為以下4個：(1)對電網(wǎng)的適應(yīng)能力.所配置的ups必須能夠在當(dāng)?shù)氐碾娋W(wǎng)條件正常工作，并且不對電網(wǎng)產(chǎn)生不良的影響。具體表現(xiàn)在以下幾方面:允許電網(wǎng)電壓幅值變化的范圍；允許電網(wǎng)電壓頻率變化的范圍；允許電網(wǎng)的不平衡度(

17、三相)和波形失真度；ups輸入功率因數(shù)；ups輸入電流的諧波成分。其中1至3項是要求ups適應(yīng)電網(wǎng)的能力，4和5項是要求ups不去干擾電網(wǎng)。(2) ups滿足負(fù)載要求的輸出指標(biāo)。這些指標(biāo)包括:輸出電壓的穩(wěn)定精度；輸出電壓的波形失真度；輸出電壓的不平衡度；輸出電壓的頻率穩(wěn)定度；市電掉電時的轉(zhuǎn)換時間；市電掉電后的繼續(xù)供電維持時間；抗干擾配置和抗干擾功能。(3) ups的輸出能力和可靠性。輸出能力指標(biāo)是負(fù)載的要求，直接反映了ups的可靠性，是ups可靠性的量化指標(biāo)。這些指標(biāo)包括:運行效率；輸出電流峰值系數(shù)(周期性峰值負(fù)載)；輸出電流浪涌系數(shù)(非周期性峰值負(fù)載)；輸出過載能力；輸出功率因數(shù)；冷啟動能力

18、。(4)智能管理和通信功能。自動檢測、顯示、報警，以及運行參數(shù)的設(shè)置功能；本地智能管理接口(串口rs232)；網(wǎng)絡(luò)管理，專用電源監(jiān)控軟件；網(wǎng)絡(luò)通訊，支持基于tcp/ip之上的信息傳遞；基于公用網(wǎng)通訊，支持基于公用電話網(wǎng)的信息傳遞.以上是ups各項性能指標(biāo)及其具體的表現(xiàn)形式。對于一個良好的ups系統(tǒng)必須完全符合以上的標(biāo)準(zhǔn)，否則將給用電設(shè)備和電網(wǎng)造成不利的影響。本論文所關(guān)心的指標(biāo)是輸出電壓穩(wěn)定性、精度和波形的失真度，輸入的功率因數(shù)和波形的諧波含量。以700w功率的ups為例，后文都是指700w的ups.后備式ups要求的輸入電壓和頻率分別是:220v25%, 50hz/60hz10%；在線互動式u

19、ps要求的輸入電壓和頻率分別是:165v280v, 50/60hz10%；在線式ups要求的輸入電壓和頻率分別是:220v25%, 50hz/60hz10%。后備式ups和在線互動式ups在由市電供電時，市電是直接或經(jīng)過變壓器抽頭調(diào)壓后提供給用電設(shè)備，輸入的功率因數(shù)和輸入電流的諧波成分完全由用電設(shè)備的性質(zhì)決定，非線性的負(fù)載，如計算機(jī)，很容易造成大量的諧波；在線式ups在輸入端對市電進(jìn)行的ac/dc控制有功率因數(shù)校正，輸入的功率因數(shù)一般在0.8以上，高的可以達(dá)到0.99。從比較中可以看出，隨著發(fā)展，三種ups對電網(wǎng)的適應(yīng)能力相差不大，但是對電網(wǎng)的諧波污染，在線式ups卻是最小的，體現(xiàn)了“綠色”u

20、ps的思想。后備式ups的輸出電壓為220v20%，由市電供電時輸出頻率是市電的頻率50hz/60hz10 %，由逆變器供電時輸出頻率為50hz/60hz0.5 %，掉電的轉(zhuǎn)換時間是l0ms；在線互動式ups的輸出電壓為220v10%，在由市電供電時輸出的頻率為市電頻率50hz/60hz0.5 %，掉電的轉(zhuǎn)換時間小于l0ms；在線式ups的輸出電壓為220v2%,輸出的頻率為50hz/60hz0.5 %，掉電可以實現(xiàn)零時間轉(zhuǎn)換。在線式ups內(nèi)部采用了高頻spwm技術(shù)(20khz至40khz)，從逆變器所輸出的電壓波形具有非常標(biāo)準(zhǔn)的正弦。輸出波形的諧波成分與spwm波的頻率成反比，高頻的spwm

21、波保證了輸出電壓最少的包含諧波，使輸出的波形失真度最小。從輸出的電壓指標(biāo)看，在線式ups的性能大大優(yōu)于后備式和在線互動式。此外，在線式ups在可靠性方面也有很大的優(yōu)越性。綜合以上諸多方面，可以看出在線式ups優(yōu)越的電氣性能，這在很大程度上對用電設(shè)備起了保護(hù)作用。這是在線式ups應(yīng)用廣泛的原因。 1.4 本文選題的意義電力電子技術(shù)是一門邊緣交叉學(xué)科，它的發(fā)展進(jìn)步是和半導(dǎo)體器件、電力變換技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)以及自動控制技術(shù)等多門學(xué)科的發(fā)展密不可分的，它必須不斷地從其它相關(guān)學(xué)科吸取先進(jìn)的思想、方法和手段，不間斷電源(ups)作為電力電子的一個典型應(yīng)用同樣如此。ups電源系統(tǒng)的主功率拓?fù)涔倘恢匾?，然而?/p>

22、制部分對其整體性能的影響也是關(guān)鍵的，如果說主功率拓?fù)涫枪趋篮图∪?，那么控制電路和軟件則好比是神經(jīng)系統(tǒng)，它們之間是互相依存的。ups主功率拓?fù)浞矫娴难芯考喝遮叧墒?，為了進(jìn)一步增強、提高ups的性能，加強其控制方面的研究十分必要。由于數(shù)字控制較之模擬控制具有很大的優(yōu)越性，ups的控制正在逐漸從模擬控制向數(shù)字控制轉(zhuǎn)變。然而ups的數(shù)字控制作為新生事物還不十分成熟，許多問題還有待研究和解決，要在真正意義上實現(xiàn)對ups的全數(shù)字控制并全面取代模擬控制，還需進(jìn)行大量的研究工作。這些工作包括: (1)對開關(guān)功率變換的離散數(shù)學(xué)模型進(jìn)行更深入的研究；(2)研究適合ups控制的先進(jìn)控制算法；(3)提高數(shù)字控制芯片的

23、運算速度和采樣精度；(4)解決高頻功率開關(guān)帶來的干擾等等。逆變器輸出電壓的質(zhì)量在很大程度上決定了整個ups電源系統(tǒng)的性能，所以逆變器的控制非常關(guān)鍵。ups逆變器控制的基本目標(biāo)是:(1)減少輸出電壓的諧波畸變率，特別是在非線性負(fù)載下的總諧波畸變率；(2)提高輸出電壓的穩(wěn)定度，包括幅值和頻率；(3)提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度；(4)提高系統(tǒng)抗過載能力和抗負(fù)載沖擊能力；(5)可多機(jī)并聯(lián)運行以實現(xiàn)冗余式ups供電系統(tǒng)。目前，國外在ups逆變器的數(shù)字控制方面研究的比較多，并且已經(jīng)將其應(yīng)用到ups產(chǎn)品中去，相對而言，國內(nèi)在這方面的研究比較晚，能將逆變器的數(shù)字控制技術(shù)運用到成熟的ups電源系統(tǒng)中去的幾乎沒有。加

24、強ups逆變器數(shù)字化控制方面的研究，采用先進(jìn)的控制方法，提高ups電源的性能指標(biāo)和可靠性，使其更具市場競爭力，這對于促進(jìn)國內(nèi)ups電源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實意義。 第二章 系統(tǒng)的設(shè)計原理本文主要研究在線式ups的控制方案，以下敘述的ups都是指在線式ups.市電電源首先經(jīng)過濾波器將來自電網(wǎng)的電磁干擾進(jìn)行抑制和衰減，此后對經(jīng)過過濾的市電分四部分進(jìn)行控制:pfc環(huán)節(jié)控制，逆變輸出控制，電池充電控制，電池升壓控制。其中pfc控制環(huán)節(jié)包括功率因數(shù)校正、整流、升壓三個任務(wù)。在線式ups系統(tǒng)中有兩條輸出通道:一條是直接旁路輸出通道，另一通道是要經(jīng)ac-dc. dc-ac兩個變換后的正常輸出通道，在未

25、開機(jī)時旁路通道是閉合的?？刂莆⑻幚砥魍ㄟ^輸入電壓、電流檢測電路得到輸入市電的電壓、電流值，通過相位、頻率檢測電路得到市電波形的當(dāng)前頻率和相位。在市電電壓保持在正常范圍內(nèi):160v280v，且市電的頻率是在正常的范圍：45hz55hz，ups對輸入的市電進(jìn)行功率因數(shù)校正、整流、升壓后得到較高的總線直流電壓，后續(xù)的逆變環(huán)節(jié)利用spwm控制技術(shù)對總線直流電壓進(jìn)行調(diào)制、濾波，最后輸出的是220v的標(biāo)準(zhǔn)交流正弦波。著技術(shù)提供給用戶的高質(zhì)量電源。當(dāng)ups出現(xiàn)故障，嚴(yán)重過載，或電池組電壓過低時，ups工作在旁路方式，市電不經(jīng)過任何變換直接供給用戶。由于要在旁路通道和正常通道之間切換，就要保證輸出電壓的波形在

26、輸出前后能夠很好的銜接起來，不能有突變，包括頻率、相位、銜接點瞬間電壓值的突變。也就是要進(jìn)行鎖相的控制。否則將在電路中出現(xiàn)回流，影響用電設(shè)備的安全。微處理器通過頻率、相位檢測電路測得市電當(dāng)前的頻率大小和相位，確定頻率在正常范圍內(nèi)，然后調(diào)整逆變器的參考電壓波形的頻率和相位，使參考電壓波形的頻率與市電頻率保持一致。由于逆變器的參考電壓波形與逆變器實際輸出的電壓波形間并不是同相位的關(guān)系，兩者之間有相位差，所以在調(diào)整逆變器參考電壓波形和市電波形的相位關(guān)系式時，要有一相位差，這個相位差根據(jù)實際情況確定。這時切換供電通道，不會出現(xiàn)相位、頻率突變的問題。為了防止切換點瞬間電壓值的突變，一般都采用在過零點時切

27、換的方法，也就是當(dāng)輸出的交流波形從正值變化到負(fù)值，或從負(fù)值變化到正值的瞬間，啟動轉(zhuǎn)換開關(guān)，則切換前后的兩個波形就很好的銜接起來了。當(dāng)市電突然中斷、或市電電壓超出ups輸入的規(guī)定范圍、或市電的頻率不正常時，就轉(zhuǎn)換到電池供電方式。電池組是ups必備的一個后備供電設(shè)備。電池組的儲能限制使電池供電時間是有限的，一般在帶滿載時為715分鐘，這一段時間使用戶能夠有充足的時間完成數(shù)據(jù)存儲、關(guān)機(jī)等應(yīng)急措施。由于電池組的電壓較低，需要對其進(jìn)行斬波升壓的dc-dc變換，然后才供給總線電壓，再由逆變器輸出正弦交流電。在電池組的電能釋放到一個較低的值時，為了保證電池組的壽命，就關(guān)閉ups的輸出，此時電池組只提供輔助的

28、直流電源。這以后的一段時間內(nèi)，ups等待市電的重新供電。如果在此段時間內(nèi)市電又重新接通，則ups又自動進(jìn)入到正常的工作方式，同時為電池組充電。如果在規(guī)定的等待時間內(nèi)市電一直沒有重新接通，ups就把整個ups都關(guān)掉，包括微處理器的電源.否則，電池組由于要提供輔助的直流電源，儲存的電能不斷的減少，如果市電一直沒有重新接入，電池組的電能會無限制的釋放，這會嚴(yán)重的損壞電池組。即使以后對電池組充電，也不會恢復(fù)電池的電能，這時，電池己損壞要更換新的電池組。為了保證每次市電中斷時，ups都能夠提供后續(xù)供電，就要保證電池組的正常。這就是一般ups開機(jī)時都要對電池進(jìn)行檢測的原因，如果電池組不正常，啟動時ups不

29、會進(jìn)入工作狀態(tài)，直到更換了電池組。在市電正常的時候，ups通過充電電路對電池組進(jìn)行充電，使電池組保持足夠的電能。利用操作按鈕，用戶可以方便的進(jìn)行開、關(guān)ups的操作。ups還要有一些保證其正常工作的故障診斷及保護(hù)系統(tǒng)。比如，ups溫度過高時，要啟動風(fēng)扇降溫；負(fù)載過大時，要啟動蜂鳴器報警，并閃爍表示負(fù)載過大的發(fā)光二極管，必要時關(guān)閉ups的輸出；電池組不正常時，也要報警；在電池組供電的工作狀態(tài)時，要定時的鳴叫蜂鳴器，不斷的提醒用戶。等等。這些都是一個完善的ups的有機(jī)部分。本文主要研究的是ups的主電路的整流、逆變和電池充電過程，其它的輔助控制不在考慮范圍內(nèi)。 第三章 整流電路 整流是ups中首先遇

30、到的一個重要環(huán)節(jié)。它的作用是將電網(wǎng)提供的交流電壓（通常為220v，50hz）轉(zhuǎn)換成幅值穩(wěn)定的直流電壓，同時提供一定的直流電流。這個轉(zhuǎn)換一般可分為以下幾個部分來實現(xiàn)： 變壓器整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路 因為所需的直流電壓比起電網(wǎng)提供的交流電壓在數(shù)值上相差較大，也因為電網(wǎng)電壓比較高，所以用變壓器降壓（升壓）和作為隔離器保護(hù)安全。整流部分的作用是將經(jīng)過變壓器變壓的交流電變換成單方向的直流電。濾波電路可以將整流出來的脈動大的直流電中的交流成分濾去，只留下直流成分，顯然，需要利用的是截止頻率低于整流輸出電壓基波頻率的低通濾波電路。這樣，經(jīng)過整流濾波電路后可以得到較光滑的脈動小的直流電。最后，在某些情況下，

31、還可以加上穩(wěn)壓電路，使輸出不受電網(wǎng)電壓波動和負(fù)載變化的影響。得到基本上不受外界影響的、穩(wěn)定的直流電。3.1整流部分 pwm整流器根據(jù)主電路中開關(guān)器件的多少可以分為單開關(guān)型和多開關(guān)型；根據(jù)輸入電源相數(shù)可以分為單相pwm整流電路和三相pwm整流電路；根據(jù)輸出要求可以分為電壓源型和電流源型。下面介紹幾種常見的三相pwm整流電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并簡要分析它們的工作特性。3.1.1三相單開關(guān)pwm整流電路三相單開關(guān)pwm整流器的主電路拓樸結(jié)構(gòu)主要有如下幾種:1.單開關(guān)boost型（升壓型）圖3.1 三相單開關(guān)boost型電路如圖3.1所示，其中輸出電壓恒定，工作于電流斷續(xù)模式（dcm），這種電路結(jié)構(gòu)簡單，在p

32、wm整流電路中應(yīng)用廣泛。單開關(guān)buck型（降壓型） 圖3.2三相單開關(guān)buck型 電路如圖3.2所示，與升壓型成對偶關(guān)系，其輸出電流恒定，輸出電壓較低，工作于斷續(xù)電流模式（dcm）。3.1.2三相多開關(guān)pwm整流電路三相多開關(guān)pwm整流器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有如下幾種:六開關(guān)boost型 圖3.3三相多開關(guān)boost型 亦稱為兩電平電壓型整流器或三相橋式可逆pwm整流器。電路如圖3.3所示，每個橋臂上的可關(guān)斷開關(guān)管都帶有反并聯(lián)二極管，可以實現(xiàn)能量的雙向流動。以a相為例予以說明：當(dāng)a相下橋臂中的開關(guān)管導(dǎo)通時，a相儲能電感儲能；當(dāng)其關(guān)斷時，a相電感儲能通過上橋臂的二極管向直流側(cè)釋放磁能。因此，從廣

33、義上講，這種橋式pwm可逆整流器拓?fù)?，仍屬于升壓式結(jié)構(gòu)。六開關(guān)boost型pwm整流器的特點是結(jié)構(gòu)簡單且宜于實現(xiàn)有源逆變，因而是目前應(yīng)用和研究最為活躍的一種類型，也是多開關(guān)pwm整流電路中應(yīng)用最為廣泛的一種。六開關(guān)buck型圖3.4三相多開關(guān)buck型也可稱為兩電平電流型整流器，電路如圖3.4所示，直流側(cè)電抗器一般要求很大。由于電流型變換器的特點，交流側(cè)輸入lc濾波器通常是必不可少的，以改善電流波形和功率因數(shù)。這種電路拓?fù)漭^適合于空間矢量調(diào)制，且有降壓作用。其缺點是直流側(cè)大電感內(nèi)阻較大，消耗功率較大導(dǎo)致其效率略低于六開關(guān)boost型。三電平pwm整流電路圖3.5 三電平pwm整流電路 在大功率

34、pwm變流裝置中，常采用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3.5所示的三點式電路，這種電路也稱為中點鉗位型(neutral point clamped)電路。與兩點式pwm相比，三點式pwm調(diào)制波的主要優(yōu)點，一是對于同樣的基波與諧波要求而言，開關(guān)頻率低得多，從而可以大幅度降低開關(guān)損耗；二是每個主開關(guān)器件關(guān)斷時所承受的電壓僅為直流側(cè)電壓的一半，因此，這種電路特別適合于高電壓大容量的應(yīng)用場合。不過三點式pwm可逆整流器的缺點也是顯而易見的，一方面其主電路拓?fù)涫褂霉β书_關(guān)器件較多，另一方面，控制也比兩點式復(fù)雜，尤其是需要解決中點電位平衡問題。從上面的分析可以知道，單開關(guān)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的共同優(yōu)點在于：控制結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)

35、，且電源可靠性高；缺點在于其應(yīng)用場合受到開關(guān)器件的影響，開關(guān)器件的耐壓水平高低和開關(guān)頻率的高低限制了這種電路的應(yīng)用，其主要應(yīng)用于中小功率的變頻器或ups電源。與單開關(guān)結(jié)構(gòu)的pwm整流器相比，多開關(guān)pwm整流電路的共同優(yōu)點在于功率因數(shù)高，諧波失真小，可實現(xiàn)能量的雙向流動，調(diào)節(jié)速度快，應(yīng)用范圍寬，主要應(yīng)用于中大功率場合。缺點也很突出，諸如電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制難度大，而且需要檢測和控制的點較多，提高了控制成本；器件的增多也降低了系統(tǒng)的可靠性。但由于其性能指標(biāo)要高于單開關(guān)結(jié)構(gòu)的pwm整流器，且可實現(xiàn)能量的雙向流動，是很有發(fā)展前途的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 本文就采用了三相多開關(guān)boost型的整流電路。3.2濾波部分經(jīng)

36、過整流后的輸出電壓離所要求的平滑直流狀態(tài)還相差甚遠(yuǎn)，因此還要有濾波的措施。濾波電路包括有源濾波和無源濾波。由無源元件電阻、電感和電容組成的濾波電路稱為無源濾波電路。由放大電路和rc網(wǎng)絡(luò)組成的為有源濾波。與無源濾波相比，有源濾波的優(yōu)點主要有：1，由于不使用電感元件，因此體積小、重量輕，也不需要加磁屏蔽。2，有源濾波電路中的集成運放可加電壓串聯(lián)負(fù)反饋，使輸入阻抗高，輸出阻抗低，輸入和輸出之間具有良好的隔離，因此只要將幾個低階濾波電路串接起來，就可以得到高階濾波電路，一般不需要像lc無源濾波電路那樣考慮級間相互影響。3，除了起濾波作用外，還可以將信號放大，而且放大倍數(shù)容易調(diào)節(jié)。其缺點主要有：1，由于

37、通用型集成運放的帶寬一般較窄，因此有源濾波電路通常不宜用于高頻范圍，一般使用頻率在幾十赫茲以下。當(dāng)頻率高于10khz時，采用lc無源濾波可以獲得較好的效果。2，因為采用有源器件，所以必須設(shè)置提供能量的直流電源，有源濾波電路才能正常工作。它無法像無源濾波電路那樣容易做成浮置式。3，可靠性較差。4，不適合在高壓或大電流條件下使用。 在電源設(shè)備中的濾波電路是要抑制所有的交流成分只保留直流成分，由于電源設(shè)備經(jīng)常需要提供較大的電流或輸出較高的電壓。而利用集成運放組成的有源濾波不能適應(yīng)，所以使用由無源元件組成的濾波電路。下面介紹一個電容濾波電路：圖3.6電容濾波器 圖3.6為單相橋式整流、電容濾波電路。在

38、分析電容濾波電路時，要特別注意電容器兩端電壓vc對整流元件導(dǎo)電的影響，整流元件只有受正向電壓作用時才導(dǎo)通，否則便截止。負(fù)載rl未接入（開關(guān)s斷開）時的情況：設(shè)電容器兩端初始電壓為零，接入交流電源后，當(dāng)v2為正半周時，v2通過d1、d3向電容器c充電；v2為負(fù)半周時，經(jīng)d2、d4向電容器c充電，充電時間常數(shù)為：其中rint包括變壓器副繞組的直流電阻和二極管d的正向電阻。由于rint一般很小，電容器很快就充電到交流電壓v2的最大值 ，極性如圖3.6所示。由于電容器無放電回路，故輸出電壓（即電容器c兩端的電壓vc）保持在 ，輸出為一個恒定的直流，如圖3.7中wt0（即縱坐標(biāo)左邊）部分所示。接入負(fù)載r

39、l（開關(guān)s合上）的情況：設(shè)變壓器副邊電壓v2從0開始上升（即正半周開始）時接入負(fù)載rl，由于電容器在負(fù)載未接入前充了電，故剛接入負(fù)載時v2 vc時，二極管d1、d3受正向電壓作用而導(dǎo)通，此時v2經(jīng)二極管d1、d3一方面向負(fù)載rl提供電流，另一方面向電容器c充電（接入負(fù)載時的充電時間常數(shù)tc =( rl|rint)crint c很小），vc將如圖2中的bc段，圖中bc段上的陰影部分為電路中的電流在整流電路內(nèi)阻rint上產(chǎn)生的壓降。vc隨著交流電壓v2升高到接近最大值 。然后，v2又按正弦規(guī)律下降。當(dāng)v2 uc時使v4通，v3斷，uo=ud當(dāng)uruc時使v4斷，v3通，uo=0在ur負(fù)半周，v1保

40、持?jǐn)?，v2保持通當(dāng)uruc時使v3斷，v4通，uo=0虛線uof表示uo的基波分量雙極性pwm控制方式（單相橋逆變） 圖4.5 雙極性pwm控制方式波形在ur半個周期內(nèi)，三角波載波有正有負(fù)，所得pwm波也有正有負(fù)。在ur一周期內(nèi)，輸出pwm波只有ud兩種電平。仍在調(diào)制信號ur和載波信號uc的交點控制器件通斷。ur正負(fù)半周，對各開關(guān)器件的控制規(guī)律相同當(dāng)ur uc時，給v1和v4導(dǎo)通信號，給v2和v3關(guān)斷信號如io0，v1和v4通，如io0，vd1和vd4通， uo=ud當(dāng)uruc時，給v2和v3導(dǎo)通信號，給v1和v4關(guān)斷信號如io0，vd2和vd3通，uo=-ud4.4諧波分析pwm逆變電路可以

41、使輸出電壓、電流接近正弦波，但由于使用載波對正弦波調(diào)制，也產(chǎn)生了和載波有關(guān)的諧波分量。這種諧波分量的頻率和幅值是衡量pwm逆變電路性能的重要指標(biāo)之一，因此必須對pwm波形的諧波進(jìn)行分析。分析方法：不同信號波周期的pwm波不同，無法直接以信號波周期為基準(zhǔn)分析，以載波周期為基礎(chǔ)，再利用貝塞爾函數(shù)推導(dǎo)出pwm波的傅里葉級數(shù)表達(dá)式，分析過程相當(dāng)復(fù)雜，結(jié)論卻簡單而直觀。單相的分析結(jié)果 圖4.6 單相pwm橋式逆變電路輸出電壓頻譜圖圖4.6，不同a時單相橋式pwm逆變電路輸出電壓頻譜圖諧波角頻率為 式中，n=1,3,5,時，k=0,2,4, n=2,4,6,時，k=1,3,5, 在上述諧波分量中，幅值最高

42、影響也最大的是角頻率為wc的諧波分量。要濾除輸出波形中的諧波分量，只保留基波分量，采用lc低通濾波?？梢赃_(dá)到目的。三相的分析結(jié)果公用載波信號時的情況，輸出線電壓中的諧波角頻率為 ： 式中，n=1,3,5,時，k=3(2m-1)1，m=1,2,；n=2,4,6,時，圖4.7 三相橋式pwm逆變電路輸出線電壓頻譜圖圖4.7，輸出線電壓頻譜圖和單相比較，共同點是都不含低次諧波，一個較顯著的區(qū)別是載波角頻率wc整數(shù)倍的諧波沒有了，諧波中幅值較高的是wc2wr和2wcwr.spwm波中諧波主要是角頻率為wc、2wc及其附近的諧波，很容易濾除。當(dāng)調(diào)制信號波不是正弦波時，諧波由兩部分組成：一部分是對信號波本

43、身進(jìn)行諧波分析所得的結(jié)果，另一部分是由于信號波對載波的調(diào)制而產(chǎn)生的諧波。后者的諧波分布情況和spwm波的諧波分析一致。4.5數(shù)字spwm的實現(xiàn)4.5.1數(shù)字pwm產(chǎn)生機(jī)制dsp要實現(xiàn)對逆變器的數(shù)字控制，關(guān)鍵是解決數(shù)字pwm的發(fā)生。模擬pwm是用三角波和控制信號進(jìn)行比較產(chǎn)生pwm信號的；數(shù)字pwm采用定時器和數(shù)字比較器來實現(xiàn)，其中定時器用來產(chǎn)生鋸齒波或?qū)ΨQ三角波，數(shù)字比較器決定輸出信號的高低電平。上述兩種方式實現(xiàn)的基本原理是一樣的，但是數(shù)字pwm有其獨特之處，下面對其進(jìn)行分析。 圖4.8 數(shù) 字 pw m 發(fā) 生 原 理圖4.8表明了數(shù)字pwm的發(fā)生原理，其中(a)為非對稱pwm發(fā)生原理圖，高頻

44、載波為鋸齒波；(b)為對稱pwm發(fā)生原理圖，高頻載波為對稱三角波。dsp芯片tms320f240內(nèi)部集成了上述兩種數(shù)字pwm發(fā)生模塊。非對稱pwm的發(fā)生原理是：定時器1從0開始遞增計數(shù)到一個設(shè)定的周期值 t1pr(定時器1的周期寄存器)，然后重新從0開始計數(shù)，如此反復(fù)。dsp程序中可以設(shè)定一個比較值cmprx，當(dāng)定時器的計數(shù)值和比較值相等時，設(shè)定為高有效的pwm口輸出高電平，設(shè)定為低有效的pwm口輸出低電平；當(dāng)定時器計數(shù)到周期值時，高有效的一路輸出低電平，低有效的一路輸出高電平，這樣就產(chǎn)生了兩路互補的pwm信號。對稱pwm的發(fā)生原理是：定時器1從0開始遞增計數(shù)到周期值t1pr，接著從t1pr遞

45、減計數(shù)到0，然后開始下一個周期。對于高有效的那一路pwm輸出口，當(dāng)計數(shù)值上升到比較值cmprx時，輸出高電平；當(dāng)計數(shù)值下降到比較值cmprx時，則輸出低電平，低有效的那一路與之互補。為了避免逆變橋同一組橋臂的上下管共通，兩路互補的pwm信號必須設(shè)置死區(qū)。死區(qū)可以通過外部模擬電路實現(xiàn)，也可以由dsp內(nèi)部的死區(qū)發(fā)生模塊設(shè)定。通過設(shè)定死區(qū)時間寄存，tms320f240可以實現(xiàn)從50ns到102.4u s的死區(qū)時間，它實際上是讓每一路pwm的上升沿時刻延遲一個死區(qū)時間。必須指出的是：tms320f240的全比較動作控制寄存器actr決定了其輸出引腳pwmx(x =1,2,3,4,5,6)的性質(zhì)，這六個

46、引腳中的1,3,5 分別與2,4,6 共享一個比較寄存器cmprx (x=1, 2, 3)，所以一共可以產(chǎn)生三對互補的pwm信號。死區(qū)有效的前提是其中的1,3,5引腳被設(shè)置為高有效，對應(yīng)的2,4,6引腳被設(shè)置為低有效。否則死區(qū)的設(shè)置非但不能起到應(yīng)有的保護(hù)作用，而且會使一對本應(yīng)互補的pwm信號發(fā)生重疊，直接造成破壞。4.5.2數(shù)字pwm分辨率數(shù)字pwm的分辨率指得是其最小變化量與輸出滿幅值的比值，實際上就是pwm信號的最小占空比dmin。假定數(shù)字pwm的頻率為fc，即開關(guān)周期tc=l /fc,再設(shè)dsp芯片的計數(shù)頻率為f0，則計數(shù)一次的的時間to=1/f0，這樣數(shù)字pwm的分辨率： dmin=t

47、0/tc=fc/f0開關(guān)頻率：fc=f0*dmin由此可見，在一定的計數(shù)頻率下，開關(guān)頻 率與數(shù)字pwm的分辨率是成反比的，開關(guān)頻率越高，分辨率越低。在分辨率一定的情況下，要提高開關(guān)頻率，就必須提高dsp芯片的計數(shù)頻率，也就是要提高dsp的速度。就非對稱pwm而言，上述開關(guān)頻率和pwm分辨率的關(guān)系是成立的，至于對稱pwm，情況有些不同。在同樣的開關(guān)頻率下，當(dāng)cmprx的變化幅度為1時，非對稱pwm的有效脈寬變化為to；而對稱pwm由于其中心對稱性，有效脈寬變化為2to。因此對稱pwm的分辨率，即最小占空比：dmin=2fc/f0開關(guān)頻率：fc=f0*dmin/2在同樣的開關(guān)頻率條件下，非對稱pwm的分辨率高于對稱pwm的分辨率，但是與對稱pwm方式相比，采用非對稱pwm方式的逆變橋其輸出電壓諧波含量較高。本文使用的dsp芯片tms320f240的計數(shù)頻率fo=20mhz，逆變器的開關(guān)頻率fc= 20khz，若采用對稱pwm方式其分辨率dmin =2fc/fo=1/500，這樣的pwm分辨率基本上可以滿足ups逆變器的控制精度要求。因此本文的逆變器控制采用了對稱pwm方式。 4.5.3數(shù)字spwm的發(fā)生原理知道數(shù)字pwm的發(fā)