基于DSP帶同步鎖相的逆變器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)說(shuō)明

1、中文題目 ：基于DSP帶同步鎖相的逆變器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 外文題目 ：A Design of Phase Locked Inversion Control System Based on DSP畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）共 ×× 頁(yè)（其中：外文文獻(xiàn)與譯文××頁(yè)） 圖紙共×完成日期 20××年×月 答辯日期 20××年×月宋體四號(hào)居中摘要UPS ( Uninterruptible Power System)是一種電力設(shè)備，當(dāng)電網(wǎng)供電出現(xiàn)緊急故障時(shí)：UPS逆變電源可以利用蓄電池為負(fù)載提供應(yīng)急供電。同時(shí)U

2、PS也具有改善電網(wǎng)電力質(zhì)量的作用。我國(guó)UPS市場(chǎng)需求巨大，每年UPS的市場(chǎng)銷售量大約在80億元人民幣。除了電信、金融等行業(yè)對(duì)UPS的需求居高不下之外，制造業(yè)、交通業(yè)、能源業(yè)對(duì)于UPS的需求量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。 本文介紹了UPS逆變電源的組成，分析了各部分的作用與其工作原理，研究了實(shí)現(xiàn)UPS逆變控制的關(guān)鍵技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于DSP的UPS逆變控制系統(tǒng)，提出了一套融合軟硬件的適用于UPS逆變電源的數(shù)字化精準(zhǔn)控制方案。 UPS逆變電源的控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)采用TI公司的32位TMS320LF2407A作為逆變控制信號(hào)和驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)產(chǎn)生的主芯片。本文在Album Designer軟件環(huán)境下繪制電

3、路原理圖和PCB電路板。在電路板設(shè)計(jì)中加入了各種抗干擾措施，提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 在完成UPS逆變電源控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，本文將控制系統(tǒng)和UPS整機(jī)進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試。調(diào)試結(jié)果表明，在本文設(shè)計(jì)的UPS逆變電源控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)下，可以使得UPS整機(jī)正常工作，IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)和可控硅控制信號(hào)正常，輸出信號(hào)可以精確地跟蹤市電頻率，并且保持相位一致，同時(shí)輸出電壓抑制了輸入電壓中的高次諧波，改善了電網(wǎng)的質(zhì)量。關(guān)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(zhǔn)控制ABSTRACT UPS (Uninterrupted Power Supply) is an ele

4、ctrical 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 supply.Our country has large demand for UPS. The annual sales of UPS reach to 8 billion yuan. The demand is continuously large in the field o

5、f telecommunication 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 control. The UPS in

6、version control system based on DSP is put forward. The system is combined 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 32-bit DSP manufactured by TI, is used to control inve

7、rter 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. Anti-int

8、erference methods are adopted to enhance system stability. After hardware design and software design, the control board is joint-tested 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 b

9、e correctly generated so that UPS can work normally. The output signal can accurately trace the frequency of mains power supply, keeping the phase consistent. What's more, the output signal improves the quality of mains power supply by reducing high harmonic wave.KEY WORD:SPWM；TMS320LF2407A；Digi

10、tal Accurate Control；Large-Power Inverter；Power Electronics System 7 / 47目錄0 前言11 緒論11.1 選題的背景和意義11.2 UPS逆變電源的分類11.2.1被動(dòng)后備式(Passive Standby)21.2.2在線互動(dòng)式(Line-Interactive)31.2.3雙轉(zhuǎn)換式(Double Conversion )41.3 UPS逆變電源的發(fā)展趨勢(shì)和數(shù)字化控制的意義41.3.1采用DSP設(shè)計(jì)電路的優(yōu)越性體現(xiàn)51.4本章小結(jié)62 在線式UPS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)12.1 在線式UPS系統(tǒng)框圖12.2在線式UPS系統(tǒng)組成12.

11、3 在線式UPS的工作原理32.4本章小結(jié)43 功率因數(shù)校正13.1 概述13.1.1 諧波的產(chǎn)生與危害13.1.2 功率因數(shù)的定義23.1.3 提高功率因數(shù)的方法23.2 BOOST型PFC電路的分析23.2.1 主電路與DSP的連接33.2.2 采樣電路43.2.3 主電路分析53.2.3 主電路與PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)選擇84 逆變器部分94.1 主電路（逆變部分）分析94.2 正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)（SPWM）104.2.1 單極性正弦波脈寬調(diào)制114.2.2 雙極性正弦波脈寬調(diào)制124.3 SPWM波形的實(shí)現(xiàn)134.4 DSP在逆變器中的應(yīng)用134.4.1 帶死區(qū)信號(hào)的產(chǎn)生134.4.2 逆變

12、器部分的采樣時(shí)序與A/D轉(zhuǎn)換144.5 基于DSP的逆變器的實(shí)現(xiàn)154.5.1 逆變器控制方法的發(fā)展154.5.2 逆變器電路分析164.5.3 主電路與DSP的連接184.6 主電路參數(shù)選擇195 DC/DC變換部分15.1 DC/DC主電路15.2 基于DSP控制的DC/DC實(shí)現(xiàn)25.2.1 兩路PWM波形的實(shí)現(xiàn)方法35.2.2 主電路與DSP的連接45.3 主電路參數(shù)選擇46 其它重要電路76.1 輔助電路設(shè)計(jì)76.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)76.3 旁路開(kāi)關(guān)選擇86.4正弦波發(fā)生器80 前言 隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展和計(jì)算機(jī)的日益普與，對(duì)電源系統(tǒng)供電質(zhì)量和可靠性的要求越來(lái)越高，不間斷電源（UPS）

13、的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。它可以保障計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在停電之后繼續(xù)工作一段時(shí)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)。UPS是一種含有儲(chǔ)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。主要用于給單臺(tái)計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)或其它電力電子設(shè)備提供不間斷的電力供應(yīng)。當(dāng)市電輸入正常時(shí)，UPS 將市電穩(wěn)壓后供應(yīng)給負(fù)載使用，此時(shí)的UPS就是一臺(tái)交流市電穩(wěn)壓器，同時(shí)它還向機(jī)電池充電；當(dāng)市電中斷（事故停電）時(shí)， UPS 立即將機(jī)電池的電能，通過(guò)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(hù)負(fù)載軟、硬件不受損壞。UPS設(shè)備通常對(duì)電壓過(guò)大和電壓太低都提供保護(hù)。由于在線式UPS需要

14、在旁路電源供電與逆變供電之間進(jìn)行切換，為了實(shí)現(xiàn)連續(xù)切換，需要通過(guò)同步鎖相器實(shí)現(xiàn)逆變器輸出電壓與旁路電壓同步。同步鎖相控制完成以下功能：在旁路電源頻率滿足要求時(shí)，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(shí)，逆變器輸出與自身部基準(zhǔn)頻率同步；在鎖相輸出與自同步兩種狀態(tài)間切換時(shí)，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(dòng)。 鎖相可分為模擬鎖相和數(shù)字鎖相。與傳統(tǒng)的模擬鎖相相比，數(shù)字鎖相不僅可以簡(jiǎn)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(wèn)題，提高了鎖相的精度。1 緒論1.1 選題的背景和意義隨著信息科技和電子電力技術(shù)

15、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(lái)的極大的諧波危害，造成供電質(zhì)量愈來(lái)愈差。在一些重要公用事業(yè)單位，諸如醫(yī)院、機(jī)場(chǎng)、高架、隧道銀行等，對(duì)供電質(zhì)量的要求越來(lái)越高。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(duì)電源信號(hào)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(yùn)行。UPS(Uninterruptible Power System)正是在這種背景下應(yīng)運(yùn)而生。 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(shí)，為負(fù)載提供應(yīng)急供電。UPS與

16、應(yīng)急電力設(shè)備、備用電源的區(qū)別在于UPS在電源故障發(fā)生的同一時(shí)刻或者幾乎同一時(shí)刻為負(fù)載供電。對(duì)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(duì)于大功率負(fù)載，UPS使用燃機(jī)發(fā)生器和調(diào)速輪發(fā)電。一般來(lái)說(shuō)，UPS的蓄電池可以維持UPS在市電掉電情況下繼續(xù)工作5-15分鐘，但在這段時(shí)間換上備用發(fā)電機(jī)或是關(guān)閉用電設(shè)備己經(jīng)足夠充裕了。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(wèn)題，例如電壓浪涌、尖峰電壓、欠壓、頻率不穩(wěn)定、諧波干擾等。 在我國(guó)，UPS的需求量不斷攀升，UPS的應(yīng)用圍也越來(lái)越廣泛。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，在2011年和2012年中，

17、中國(guó)UPS電源市場(chǎng)的總體銷售額分別達(dá)到了80億元、87億元。從使用UPS的行業(yè)分布來(lái)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(chǎng)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(duì)UPS的需求量呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì)。特別是一些中小型企業(yè)的大規(guī)模崛起，帶動(dòng)了UPS的市場(chǎng)進(jìn)一步繁榮。2008奧運(yùn)會(huì)的舉辦推動(dòng)了UPS的發(fā)展。盡管金融危機(jī)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(guò)融資、自身的技術(shù)創(chuàng)新和管理改革等手段，從容面對(duì)，把對(duì)市場(chǎng)的影響降到最低。1.2 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(dòng)態(tài)式和靜態(tài)式;按照輸入輸出方式分，有單相

18、輸入、單相輸出，三相輸入、單相輸出，三相輸入、三相輸出;按照功率大小分，有小功率型(5KVA以下)，中功率型(5KVA-30KVA)，大功率型(30KVA以上)。在國(guó)際電工委員會(huì)(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(dòng)后備式，在線互動(dòng)式和雙轉(zhuǎn)換式。1.2.1被動(dòng)后備式(Passive Standby)被動(dòng)后備式UPS是最基本的不間斷電源形式。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。當(dāng)

19、市電降低到UPS預(yù)先設(shè)定的閥值時(shí)，被動(dòng)后備式UPS開(kāi)啟DC-AC逆變器，逆變器由部蓄電池組供電。然后UPS調(diào)節(jié)輸出端的開(kāi)關(guān)，將用電設(shè)備的供電由市電直接供電改成了DC-AC逆變器的輸出供電。這一轉(zhuǎn)換過(guò)程的時(shí)間通常是幾十個(gè)毫秒，時(shí)間長(zhǎng)短取決于UPS對(duì)于市電供電不足的反應(yīng)快慢。圖1-1(a)和圖1-1(b)分別表明了被動(dòng)后備式UPS在市電正常情況下和市電過(guò)壓、欠壓與功率不足情況下的工作原理。(a)市電正常時(shí)被動(dòng)后備式UPS的工作原理圖 (a)Passive Standby UPS Running Principle when Normal AC Supply(b)過(guò)壓、欠壓和功率不足時(shí)被動(dòng)后備式UP

20、S的工作原理圖(b) Passive Standby UPS Running Principle when over/under voltage or Power Loss圖1-1被動(dòng)后備式UPS的工作原理圖Figl-1Passive Standby UPS Running Principle1.2.2在線互動(dòng)式(Line-Interactive)在線互動(dòng)式UPS的工作原理和被動(dòng)后備式UPS的工作原理大致一樣，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1-2(a)和圖1-2(b)所示。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(guò)增加或者減少禍合線圈的圈數(shù)，提高或者降

21、低變壓器的輸出電壓。 (a)市電正?；蛏杂胁▌?dòng)時(shí)在線互動(dòng)式UPS的工作原理圖 (a) Line-Interactive UPS Running Principle when Normal AC Supply or Small over/under Voltage Condition(b)市電大幅波動(dòng)時(shí)在線互動(dòng)式UPS的工作原理圖(b) Line-Interactive UPS Running Principle when Large over/under Voltage Condition 圖1-2在線互動(dòng)式UPS的工作原理圖Fig 1-2 Line-Interactive UPS Runni

22、ng Principle在線互動(dòng)式UPS允許輸入電壓在小圍波動(dòng)，無(wú)論電壓偏高還是偏低，只要在變壓器允許的圍之，UPS就不會(huì)切換成蓄電池逆變供電，以節(jié)省有限的蓄電池能量。系統(tǒng)通過(guò)自動(dòng)改變輸入電壓的接頭補(bǔ)償輸入電壓的偏差。1.2.3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?yàn)闊o(wú)論市電質(zhì)量如何，用電設(shè)備的供電都要經(jīng)過(guò)逆變器，也就是說(shuō)，逆變器始終處于工作狀態(tài)，如圖1-3所示。雙轉(zhuǎn)換指的是整流和逆變，即電網(wǎng)電壓經(jīng)過(guò)了交流到直流，再?gòu)闹绷鞯浇涣鞯膬纱巫儞Q。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(dòng)逆變器。雙轉(zhuǎn)換

23、式UPS增加了旁路電路，如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，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)換式UPS通常用于要求電氣隔離的環(huán)境和對(duì)功率浮動(dòng)敏感的設(shè)備。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的價(jià)格比較昂貴，常用于工業(yè)設(shè)備、數(shù)據(jù)中心等電力環(huán)境嘈雜的大型負(fù)載。 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(kāi)關(guān)。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(shí)候整流器不起作用。當(dāng)電壓恢復(fù)時(shí)，整流器輸出電壓重新驅(qū)動(dòng)給逆變器，市電通過(guò)充電器給蓄電池充電。 雙轉(zhuǎn)換式UPS經(jīng)過(guò)AC-DC和DC-AC兩次變換之后，在輸

24、入電網(wǎng)和電器設(shè)備間樹(shù)立了一道隔離護(hù)欄，使得電器設(shè)備不受電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響。與被動(dòng)后備式和在線互動(dòng)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(wèn)題，不論輸入信號(hào)如何，都可以根據(jù)需求改變輸出信號(hào)的幅度和頻率。圖1-3雙轉(zhuǎn)換式UPS結(jié)構(gòu)圖Fig 1-3 Structure of Double Structure UPS1.3 UPS逆變電源的發(fā)展趨勢(shì)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。 (1)高頻化: 隨著半導(dǎo)體技術(shù)的迅猛發(fā)展，UPS的功率開(kāi)關(guān)器件經(jīng)歷了從可控硅，大功率場(chǎng)效應(yīng)管，到IGBT的演變。開(kāi)關(guān)器件的更新?lián)Q代，使得器件轉(zhuǎn)換時(shí)間不斷縮短，器件承載的電

25、流強(qiáng)度不斷增加。IGBT可以使切換速度達(dá)到SOkHz，從而實(shí)現(xiàn)了UPS電源的高頻化。 (2)冗余并聯(lián)化: UPS的一個(gè)發(fā)展方向就是并聯(lián)，多臺(tái)UPS逆變電源并聯(lián)運(yùn)行給負(fù)載供電。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。多臺(tái)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。即使有一臺(tái)UPS機(jī)器發(fā)生故障，其他UPS·同樣可以保證負(fù)載的正常運(yùn)作。 (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。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(hào)，改善電網(wǎng)電力污染。 (4)智能化:微處理

26、器的廣泛應(yīng)用推動(dòng)了UPS智能化的進(jìn)程。將微處理器應(yīng)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(cè)，例如實(shí)時(shí)監(jiān)控、故障處理、遠(yuǎn)程遙控等。這些智能化的理念更加豐富和完善了UPS的功能。 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。 (1).模擬電路多采用分立元件，電路板的設(shè)計(jì)和制作的難度較大，電路制作的成本較高。 (2).模擬器件容易產(chǎn)生老化，一樣器件一致性差，器件的性能容易隨著溫度的變化而變化。 (3).模擬集成芯片雖然可以幫助降低電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，但需要依靠外接電阻電容等元器件實(shí)現(xiàn)環(huán)路控制，而這些元器件的不穩(wěn)定性會(huì)影響環(huán)路控制的精準(zhǔn)度和電路的性能。(4).以模

27、擬器件為主的電路需要調(diào)整參數(shù)。1.3.1采用DSP設(shè)計(jì)電路的優(yōu)越性體現(xiàn) 本文采用TI高性能數(shù)字信號(hào)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(yùn)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。采用高性能DSP設(shè)計(jì)電路的優(yōu)越性體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。(1).系統(tǒng)設(shè)計(jì)方便?？梢栽贒SP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。系統(tǒng)升級(jí)也十分方便，可以在線調(diào)試，在線更新DSP算法，而不用修改外圍電路。(2).輸出信號(hào)質(zhì)量穩(wěn)定。由于采用了DSP作為UPS的系統(tǒng)控制單元，實(shí)時(shí)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

28、 WM波形的參數(shù)，使得輸出電壓波動(dòng)圍小，波形失真度低。(3).DSP通過(guò)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(guò)GPIO和PWM發(fā)出控制信號(hào)，控制開(kāi)關(guān)器件，維持系統(tǒng)運(yùn)作。(4).系統(tǒng)維護(hù)方便。可以把系統(tǒng)監(jiān)控模塊嵌入在DSP中，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題，可以記錄下運(yùn)行出錯(cuò)時(shí)系統(tǒng)的各種信息，方便維護(hù)人員排查檢修。(5).通信接口豐富，易于聯(lián)機(jī)。DSP芯片自帶了多種通信接口，容易實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面，也可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)設(shè)備的聯(lián)機(jī)監(jiān)控和調(diào)試，易于實(shí)現(xiàn)UPS網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)行。1.4本章小結(jié) 簡(jiǎn)要介紹UPS的分類、發(fā)展趨勢(shì)、項(xiàng)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。詳細(xì)介紹了各類

29、不同UPS的運(yùn)行原理和各自優(yōu)缺點(diǎn)。2 在線式UPS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.1 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(kāi)關(guān)電路、人機(jī)交互、微控制器。在線式UPS的系統(tǒng)框圖如圖2-1所示。 圖2-1 UPS系統(tǒng)框圖 Fig 2-1 Block Diagram of UPS System2.2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。同時(shí)，整流之后的直流電經(jīng)過(guò)降壓處理還可以為蓄電池組充電。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

30、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。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。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(hào)只是一個(gè)帶有波紋的直流信號(hào)，除了直流成分以外，還有交流成分。濾波電路可以抑制整流之后的交流信號(hào)，將帶有波紋的直流信號(hào)變成平滑的直流信號(hào)。常用的濾波電路有RC濾波，LC濾波等。 (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:在UPS系統(tǒng)中，交流輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)整流后，直接加到濾波電容和蓄電池兩端。如果交流輸入信號(hào)的電壓幅度高于濾波電容兩端的電壓時(shí)，濾波

31、電容開(kāi)始充電。這就在電容器和充電器間形成了脈沖電流，導(dǎo)致了高次諧波的形成，使得功率因數(shù)下降，對(duì)電網(wǎng)造成干擾。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(duì)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(chǔ)能裝置，廣泛應(yīng)用在UPS中。在市電正常時(shí)，通過(guò)直流電對(duì)蓄電池組充電，將電能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能。在市電中斷時(shí)，蓄電池為UPS提供應(yīng)急能源，將存儲(chǔ)的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能。當(dāng)UPS正常工作時(shí)，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。逆變電路的輸入直流信號(hào)是由整流器供給，同時(shí)，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(bǔ)償O

32、21。除此之外，浮充充電的方式還可以改善UPS的瞬態(tài)響應(yīng)。如果UPS的負(fù)載電流在短時(shí)間增加，蓄電池組可以提供很大的放電電流。 (4)充電電路 UPS的充電分為兩個(gè)階段，在充電初期采用恒流充電的方式，當(dāng)蓄電池組的電壓達(dá)到浮充電壓之后，充電器改成恒壓充電的方式。充電電路有采用開(kāi)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。充電方式的切換是由控制芯片完成的?？刂菩酒诔潆娺^(guò)程中檢測(cè)兩個(gè)物理量:電池電壓和電池電流。通常，充電器的工作式獨(dú)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(kāi)始為蓄電池充電。 (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。逆

33、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)定因素。逆變的主要器件是IGBT大功率器件，微處理器通過(guò)SPWM波驅(qū)動(dòng)IGBT，輸出交流信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波之后供給負(fù)載使用。(6)靜態(tài)開(kāi)關(guān)電路靜態(tài)開(kāi)關(guān)作為旁路供電和逆變供電的切換裝置，不僅起到了轉(zhuǎn)換的作用，還對(duì)負(fù)載和逆變器起到了有效的保護(hù)作用。如果UPS輸出過(guò)載，那么靜態(tài)開(kāi)關(guān)為了保護(hù)逆變器，會(huì)將負(fù)載供電切換成市電供電。如果逆變器出現(xiàn)故障時(shí)，為了保護(hù)負(fù)載，靜態(tài)開(kāi)關(guān)也會(huì)將負(fù)載供電切換到市電。小功率UPS采用繼電器作為靜態(tài)開(kāi)關(guān)，本文采用的是可控硅作為靜態(tài)開(kāi)關(guān)，一對(duì)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(shí)間為微妙級(jí)。 (7)微處理器微處理器是UPS

34、的核心，在整個(gè)UPS中起到了控制的作用，是整部機(jī)器的控制中心。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(dòng)IGBT ADC通道對(duì)系統(tǒng)的各種參量進(jìn)行采樣，包括輸入信號(hào)、反饋信號(hào)的電壓、電流和頻率，電池的充電電壓和充電電流等參數(shù)。DSP的I/0通道作為各種開(kāi)關(guān)量的控制端，根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況實(shí)時(shí)地驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)部各個(gè)開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)正常運(yùn)作。DSP部的通信單元作為與人機(jī)交互界面的通信接口，方便用戶更直觀的使用UPS設(shè)備。 (8)人機(jī)交互 人機(jī)交互作為可視化界面，方便用戶操作UPS設(shè)備，實(shí)時(shí)獲取UPS的工作狀態(tài)，設(shè)定UPS的工作模式。

35、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(yùn)行的歷史記錄和日志2.3 在線式UPS的工作原理在線式UPS的開(kāi)機(jī)是一個(gè)軟啟動(dòng)過(guò)程，輸出信號(hào)平穩(wěn)變大，避免由于輸出信號(hào)瞬間變化過(guò)大而導(dǎo)致負(fù)載損壞或者輸出異常。軟啟動(dòng)過(guò)程結(jié)束后，系統(tǒng)開(kāi)始正常工作。UPS正常工作時(shí)有以下幾種情況:(1)當(dāng)市電正常時(shí)，逆變器的工作電壓由市電經(jīng)過(guò)整流濾波后提供，DSP控制電路產(chǎn)生SP WM信號(hào)驅(qū)動(dòng)逆變器，將直流信號(hào)轉(zhuǎn)換成純凈的正弦波信號(hào)輸出給負(fù)載。同時(shí)，市電經(jīng)過(guò)整流和濾波之后，送至蓄電池充電電路，給蓄電池充電，蓄電池電壓不提供給逆變器。市電經(jīng)過(guò)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)

36、載。DSP控制器不斷地采集輸入和輸出端電壓的幅度和頻率，并根據(jù)算法實(shí)時(shí)修正輸出信號(hào)的波形。(2)當(dāng)市電發(fā)生故障時(shí)(市電超過(guò)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。UPS將蓄電池的電壓轉(zhuǎn)換成正弦信號(hào)輸出，負(fù)載端用電的能量全部來(lái)自于蓄電池存儲(chǔ)的能量。(3)逆變器發(fā)生故障時(shí)，或者由于某些原因輸出過(guò)載，系統(tǒng)將切換到旁路工作模式，這時(shí)，負(fù)載由市電直接供電。通常情況下，逆變器出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警報(bào)，提醒管理人員即時(shí)修復(fù)?？偟膩?lái)說(shuō)，對(duì)于在線式UPS，除了逆變器發(fā)生故障之外，輸出端的信號(hào)總是由逆變器提供。在市電出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)迅速將逆變器的供電轉(zhuǎn)換成蓄電池供電，UPS的

37、輸出不會(huì)有任何間斷。在UPS的輸出端，以與整流器之后，通常都會(huì)接濾波電路，這樣設(shè)計(jì)可以最限度地降低來(lái)自于市電的干擾，而逆變器的開(kāi)關(guān)信號(hào)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(hào)的幅度和相位不斷調(diào)整逆變器驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(hào)，確保負(fù)載工作電源穩(wěn)定。2.4本章小結(jié)本章對(duì)在線式UPS系統(tǒng)進(jìn)行了介紹。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(kāi)關(guān)電路、微控制器、人機(jī)交互。對(duì)這些組成部分進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。同時(shí)介紹了UPS正常工作時(shí)的幾種模式。最后指出逆變器、可控硅和同步鎖相在UPS系統(tǒng)中的重要作用。3 功率因數(shù)校

38、正3.1 概述功率因數(shù)是衡量電器設(shè)備性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。功率因數(shù)低的電器設(shè)備，不僅不利于電網(wǎng)傳輸功率的充分利用，而且往往這些電器設(shè)備的輸入電流諧波含量較高，實(shí)踐證明，較高的諧波會(huì)沿輸電線路產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾和輻射干擾，影響其它用電設(shè)備的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。如對(duì)發(fā)電機(jī)和變壓器產(chǎn)生附加功率損耗，對(duì)繼電器、自動(dòng)保護(hù)裝置、電子計(jì)算機(jī)與通訊設(shè)備產(chǎn)生干擾而造成誤動(dòng)作或計(jì)算誤差。因此防止和減小電流諧波對(duì)電網(wǎng)的污染，抑制電磁干擾，已成為全球性普遍關(guān)注的問(wèn)題。國(guó)際電工委與之相關(guān)的電磁兼容法規(guī)對(duì)電器設(shè)備的各次諧波都做出了限制性的要求，世界各國(guó)尤其是發(fā)達(dá)國(guó)家已開(kāi)始實(shí)施這一標(biāo)準(zhǔn)。 3.1.1 諧波的產(chǎn)生與危害目前比較流行的ACD

39、C的方法如下：圖3-1 全波整流電路Figure.3-1 full-wave rectifier circuit(1)電容輸入式濾波電路適用小功率電源中。電容輸入式：電容接在最前面。(2)接濾波電路的目的是消除電壓紋波。分析：交流電源經(jīng)全波整流后接一個(gè)大電容器，可以得到較為平滑的直流電壓。使用這種電路的結(jié)果是雖然輸入電壓是正弦波，但輸入電流波形卻嚴(yán)重畸變，呈脈沖狀。脈沖狀的輸入電流，除含有基波外，還含有大量的諧波，一方面使諧波噪聲水平提高，同時(shí)也降低了用電的效率。大量的諧波電流分量倒流入電網(wǎng)，造成對(duì)電網(wǎng)的諧波污染，一方面產(chǎn)生“二次效應(yīng)”，即電流流過(guò)線路阻抗造成諧波電壓降，反過(guò)來(lái)使電網(wǎng)電壓也發(fā)生

40、畸變；另一方面，會(huì)造成電路故障使變電設(shè)備損壞。例如，線路和配電變壓器過(guò)熱；諧波電流還會(huì)引起電網(wǎng)LC諧振，或高次諧波電流流過(guò)電網(wǎng)的高壓電容，使之過(guò)熱而爆炸；在三相電路中，中線流過(guò)三相三次諧波電流的疊加，使中線過(guò)流而損失，等等。3.1.2 功率因數(shù)的定義功率因數(shù)的定義：線性電路的功率因數(shù)習(xí)慣定義為cos,為正弦電壓與正弦電流之間的相位差。 當(dāng)電壓與電流均為正弦波時(shí)，該分式是適用的，但當(dāng)電壓或電流含有諧波分量時(shí)，該定義無(wú)效。功率因數(shù)（Power Factor）：PF定義：PF=有功功率/視在功率=P/VI在AC/DC電路中，輸入電壓為正弦波，輸入電流為非正弦波，電流有效值。其中，為基波分量，二次諧波

41、，n次諧波分量的有效值。3.1.3 提高功率因數(shù)的方法(1).無(wú)源功率因數(shù)校正 采用無(wú)源功率因數(shù)校正時(shí)，在輸入端加入電感量很大的低頻電感，以使減小濾波電容充電的尖峰電流，增加二極管的導(dǎo)通時(shí)間。這種方法簡(jiǎn)單，成本低。可靠性高，但是體積大，笨重，校正的效果不理想，通常經(jīng)無(wú)源功率因數(shù)校正可達(dá)0.85。而且，工作性能與頻率，負(fù)載變化與輸入電壓變化有關(guān)。(2).有源功率因數(shù)校正器 有源PFC技術(shù)是在整流器和濾波電容之間增加一個(gè)DC/DC開(kāi)關(guān)變換器。其主要思想是：選擇輸入電壓為一個(gè)參考信號(hào)，使得輸入電流跟蹤參考信號(hào)，實(shí)現(xiàn)輸入電流的波形與輸入電壓為同頻同相的正弦波，以提高PF和抑制諧波；有源功率因數(shù)校的另一

42、個(gè)功能就是為后一級(jí)電路產(chǎn)生穩(wěn)定的直流電壓。有源PFC的主要優(yōu)點(diǎn)：可得到較高的功率因數(shù)，有0.970.99左右。THD低，可在較寬的輸入電壓圍工作，體積小，重量輕。（THD：總諧波畸變）3.2 BOOST型PFC電路的分析功率因數(shù)校正器主要有兩個(gè)功能：首先控制電感電流波形，使它能跟蹤輸入電壓的波形，從而得到高功率因數(shù)；同時(shí)，它必須為后一級(jí)電路提供平滑的直流電壓。電路的工作原理：輸出電壓和基準(zhǔn)電壓送入電壓控制環(huán)，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制算法，以控制和的值相等，電壓控制環(huán)的輸出信號(hào)與輸入電壓值相乘，該信號(hào)作為電感電流的參考信號(hào)。電感電流經(jīng)過(guò)霍爾元件采樣后與參考信號(hào)進(jìn)行比較，送入到電流控制環(huán)中以實(shí)現(xiàn)電感電流能時(shí)

43、刻跟蹤，在穩(wěn)定工作時(shí)，電壓控制環(huán)的輸出基本不變，所以乘法器的輸出也基本上是和輸入電壓成比例的波形，這樣就實(shí)現(xiàn)了輸入電流對(duì)輸入電壓的跟蹤。 BOOST型有源功率因數(shù)校正原理圖如下：圖3-2 BOOST型有源功率因數(shù)校正原理圖3.2.1 主電路與DSP的連接基于DSP的功率因數(shù)校正的原理圖（見(jiàn)圖3-3）。(1)傳統(tǒng)的功率因數(shù)校正都是用模擬控制的方法，運(yùn)用專用芯片3854等，外圍再加上運(yùn)放電路實(shí)現(xiàn)模擬PI調(diào)節(jié)器，這種方法需要外接電阻電容，運(yùn)放等元件，電路較復(fù)雜。而且元件有老化，溫漂等現(xiàn)象。(2)通過(guò)高性能的數(shù)字信號(hào)處理芯片，我們可以用數(shù)字控制代替模擬控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正，它的電路簡(jiǎn)單，PI控制在

44、芯片部用軟件實(shí)現(xiàn)，升級(jí)方便。而且與逆變的控制部分等綜合在一起，容易實(shí)現(xiàn)UPS單芯片控制。工作原理：輸出電壓，輸入電壓和輸入電流經(jīng)隔離采樣后送到DSP的ADC模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，這些值在一定時(shí)間經(jīng)過(guò)一系列數(shù)字PI控制后，給全比較單元產(chǎn)生一個(gè)新的比較值，該比較值將在下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期改變PWM波形的占空比，這樣就達(dá)到了控制輸出電壓為400V和控制輸入電流為正弦波的目的。圖3-3 基于DSP的功率因數(shù)校正原理圖Figure.3-3 DSP-based power factor correction diagram3.2.2 采樣電路利用霍爾元件在磁場(chǎng)中產(chǎn)生感應(yīng)電壓的霍爾效應(yīng)，可以將原邊主電路中的電壓、電流

45、轉(zhuǎn)變?yōu)楦边叺碾妷海瑫r(shí)霍爾元件具有電氣隔離功能，我們可以通過(guò)使用霍爾元件實(shí)現(xiàn)主電路與控制電路的隔離，以避免主電路帶來(lái)的干擾?；魻栯妷涸脑恚寒?dāng)電流流過(guò)霍爾元件時(shí)，在它的副邊會(huì)產(chǎn)生與原邊電流一定比例的電流。該電流流過(guò)電阻產(chǎn)生一定的壓降便可得知主電路的電流信息。電壓霍爾元件的原理：將大電阻串入電壓霍爾元件的原邊，得到原邊電流，該電流能在副邊產(chǎn)生一定比例的副邊電流，副邊電流流過(guò)電阻產(chǎn)生的壓降能夠反映主電路的電壓值。本設(shè)計(jì)選用集成霍爾傳感器，該集成器件有以下的特點(diǎn)：1. 可以測(cè)量任意波形的電壓和電流。2. 一次側(cè)與二次側(cè)電路間完全隔離。3. 精度高，動(dòng)態(tài)性能好，其相應(yīng)時(shí)間小于1s靈敏度。4. 線性

46、度好，工作頻帶寬，過(guò)載能力強(qiáng)，尺寸小。輸入輸出端電壓傳感器選擇：昆峰電子公司的磁補(bǔ)償式電壓傳感器JT50-PC，其工作電源電壓：穩(wěn)壓±15V；測(cè)量精度：±0.6%；工作環(huán)境溫度：+25；二次側(cè)直流阻：90。應(yīng)用電路圖如下：RO+15VV+AC/DC逆變器RmU-HT+HT-15VV-圖3-4霍爾集成器件電壓測(cè)量電路Fig.3-4 Hall's integrated device voltage measurement circuit輸出端電流傳感器選擇：昆峰電子公司的磁補(bǔ)償式電流傳感器JT100-PC。工作電源：穩(wěn)壓±15V；測(cè)量帶寬直流：10KHz；跟蹤

47、測(cè)試電流速度：di/dt50A/s。此型號(hào)傳感器采用完全絕緣式外殼封裝，測(cè)量頻率圍寬，相應(yīng)速度快。應(yīng)用電路圖如下：+15VV+AC/DC變換器微機(jī)口A/DV-Rm-15VJT100-PC圖3-5 霍爾集成器件電流測(cè)量電路Fig.3-5 Hall's integrated device electric current measures the circuit經(jīng)過(guò)霍爾元件的隔離與運(yùn)放的處理后，送入到DSP的AD轉(zhuǎn)換的電壓不但滿足015V的圍；還與主電路隔離了，因此提高了整個(gè)電路的抗干擾能力。3.2.3 主電路分析首先我們假設(shè)：1）輸入為正弦波電壓Umsin1t，Um是交流電壓的幅度，1為

48、交流電壓的角頻率。2）功率管S工作在恒定頻率下，頻率為，它遠(yuǎn)大于輸入電壓的頻率。3）電感L是線性的，而且不會(huì)工作的飽和狀態(tài)。4）功率開(kāi)關(guān)管為理想模型，導(dǎo)通時(shí)電阻為零，關(guān)斷時(shí)電阻為無(wú)窮大。5）不計(jì)功率損耗。在此選擇BOOST作為功率因數(shù)校正的主電路，采用電流連續(xù)工作方式，使用平均電流控制。圖3-5 功率因數(shù)校正主電路圖Fig.3-5 main circuit power factor correction電路狀態(tài)方程： (3-1)其中 ，是功率管S的開(kāi)關(guān)函數(shù)。當(dāng)S導(dǎo)通時(shí)，=0；當(dāng)S關(guān)斷時(shí)，=1；。（注：為功率管導(dǎo)通的時(shí)間。）為了獲得電路連續(xù)狀態(tài)方程，我們可以對(duì)（1）式中各變量的傅立葉系數(shù)寫成：式

49、中下標(biāo)（l）表示該變量的低頻分量；下標(biāo)（h）表示該變量的高頻分量。固由狀態(tài)方程（1）可得到兩個(gè)狀態(tài)方程：（低頻狀態(tài)方程） (3-2)（高頻狀態(tài)方程）(3-3)經(jīng)分析可得：如果要滿足在市電一半周期的所有時(shí)間都保持連續(xù)導(dǎo)電，必須滿足：。（是連續(xù)導(dǎo)電模式電感的臨界值。）電感越大則交越失真的時(shí)間越長(zhǎng)，如果要求交越失真的時(shí)間減少，電感值不能選得過(guò)大。當(dāng)功率因數(shù)校正電路工作在穩(wěn)定狀態(tài)，輸入平均電流應(yīng)當(dāng)跟隨輸入電壓，它的波形為，所以電感電流為。在市電的半個(gè)周期中，假設(shè)時(shí)間從開(kāi)始，則有故低頻狀態(tài)方程可改寫 （3-4）解上面的方程第一式可以得到一般情況下輸出電容C取得足夠大，輸出電壓的紋波比直流電壓小得多，可以

50、忽略。這時(shí)有 () （3-5）為電容的直流輸出電壓，忽略紋波?？梢员硎緸?，后一項(xiàng)我們表示為。將（3）式代入（2）式中的第二個(gè)方程，則有可以看出，輸出電壓由三部分組成：直流分量、遠(yuǎn)低于開(kāi)關(guān)頻率的交流分量、等于或高于開(kāi)關(guān)頻率的交流分量。輸出電容足夠大時(shí)，第三部分可以忽略，所以輸出電壓的諧波主要在第二部分。故有 (3-6)由上式可知，輸出電壓的諧波比率近似與輸出功率成正比，與濾波電容大小成正比。3.2.3 主電路與PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)選擇本PFC電容的最大功率為1KW，此時(shí)輸入電流的有效值為5A左右，若要滿足電感電流連續(xù)則有：在此部分設(shè)計(jì)輸出電壓為400V，滿功率運(yùn)行時(shí)，負(fù)載電阻RS=160,根據(jù)前面的

51、分析有若要使紋波小于1%，將各量的值代人可得C1000×10-6。故我們選擇PI調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇：我們可以通過(guò)MATLAB建立仿真模型，并初步估計(jì)、的值，（注：電壓、電流PI調(diào)節(jié)器的形式均為：。）再將程序下載到DSP中，并不斷調(diào)節(jié)、的值，直到輸出波形令人滿意為止。由于時(shí)間與條件有限，在此暫不討論。4 逆變器部分4.1 主電路（逆變部分）分析分析：?jiǎn)蜗嗄孀儤虻碾娐酚型仆炷孀冸娐?，半橋逆變電路，全橋逆變電路等。推挽逆變電路?huì)帶來(lái)不平衡現(xiàn)象，導(dǎo)致變壓器飽和，功率管電流過(guò)大。半橋逆變電路的直流電壓全增加功率管的應(yīng)力，要輸出220V的交流電壓就要使用至少620V直流電壓會(huì)增加功率管的應(yīng)力。全橋逆

52、變電路比較適合用于大功率的場(chǎng)合，故選擇的主電路是全橋逆變電路。圖4-1 單相全橋逆變電路Fig.4-1 single-phase full-bridge inverter circuit工作過(guò)程分析：1）當(dāng)，為高電平時(shí)，不妨設(shè)電流為正，導(dǎo)通，電流流向?yàn)椋弘娫凑龢O電源負(fù)極,此時(shí)電壓。2）一段時(shí)間后，變?yōu)榈碗娖剑優(yōu)楦唠娖?。（i）若電流為正，電流流向?yàn)椋弘娫簇?fù)極電源正極，此時(shí)電壓。（ii）若電流為負(fù)，電流流向?yàn)椋弘娫凑龢O電源負(fù)極，此時(shí)電壓。 其中， ，別是四個(gè)功率管的驅(qū)動(dòng)電壓波形，其中 、與，的波形是互補(bǔ)的。圖4-2 全橋逆變電路的主要波形圖Fig. 4-2 full-bridge inverte

53、r circuit main waveforms的波形圖見(jiàn)上，虛線為的平均電壓。4.2 正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)（SPWM）對(duì)于逆變器的輸出電壓，基本要求就是輸出電壓的基波分量大小可控，逆變器輸出電壓波形的諧波分量盡可能小。本文采用正弦脈沖寬度調(diào)制技術(shù)(SPWM)，通過(guò)調(diào)節(jié)SPWM的控制信號(hào)的頻率和脈沖寬度，達(dá)到調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的基波電壓幅度，改善輸出電壓的質(zhì)量。這種調(diào)控方法屬于逆變器通過(guò)改變開(kāi)關(guān)信號(hào)自身調(diào)節(jié)其輸出波形的方法，是一種高效的控制手段。經(jīng)典的采樣控制理論中，有一條很重要的原理:沖量等效原理。大小、波形不同的窄脈沖變量，例如電壓v(t)，作用于慣性系統(tǒng)(例如LR電路)時(shí)，只要他們的沖量，即變量

54、對(duì)時(shí)間的積分相等，其作用效果一樣，形成的電流響應(yīng)也一樣。這就是SPWM技術(shù)的理論基礎(chǔ)。也就是說(shuō)，只要對(duì)逆變電路的開(kāi)關(guān)器件進(jìn)行適時(shí)的控制，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候開(kāi)通或者斷開(kāi)逆變電路的開(kāi)關(guān)，每個(gè)時(shí)間段的電壓脈沖足夠窄，輸出的脈沖波形可以與正弦波的效果一樣。正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）波形：就是與正弦波等效的一系列等幅不等寬的矩形脈沖波形。原理：把正弦波分成N等份，然后把每一等份的正弦曲線與橫軸包圍的面積用一個(gè)與此面積相等的矩形脈沖來(lái)代替，矩形脈沖的幅值量不變，各脈沖的中點(diǎn)與每一等分的中點(diǎn)重合。 這樣，由N個(gè)等幅不等寬的矩形脈沖組成的波形與正弦波形等效，稱作SPWM波形。SPWM波有兩種：?jiǎn)螛O性SPWM和雙極性

55、SPWM。4.2.1 單極性正弦波脈寬調(diào)制圖4-3 單級(jí)性SPWM波形圖Fig.4-3 Single-stage waveform of SPWM分析：?jiǎn)螛O性SPWM波形產(chǎn)生是由逆變器上橋臂中兩個(gè)功功率開(kāi)關(guān)T1和T2反復(fù)導(dǎo)通和關(guān)斷形成的（T3恒導(dǎo)通）。其等效正弦波為,而SPWM脈沖系列波的副值為，各脈沖寬度不等，但中心間距一樣，都等于，N為正弦波半個(gè)周期的脈沖數(shù)。令第個(gè)矩形波形寬度為，中心點(diǎn)相角為。則有根據(jù)面積相等的等效原則，有當(dāng)N時(shí)，,于是有。設(shè)基波分量的角頻率為，幅值為，K次諧波分量的幅值為。則有 對(duì)于各次諧波，顯然K，N越大，越小。上式表明，單極性SPWM逆變器中的諧波分量除了隨K的次數(shù)

56、增大而自然消除外，對(duì)低次諧波還可以通過(guò)脈沖數(shù)的增加來(lái)減少。當(dāng)K=1，且令 ，則可以得到基波分量的幅值將的表達(dá)式代入有再將的表達(dá)式代入有由此可見(jiàn)，輸出電壓的基波電壓正是調(diào)制時(shí)所要求的正弦波。4.2.2 雙極性正弦波脈寬調(diào)制圖4-4 雙極性SPWM波形圖Fig.4-4 bipolar SPWM waveform分析：在單極性正弦波脈寬調(diào)制過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn)，脈沖電壓要么是0，要么是 。電壓只在“正”和“零”之間變換，主電路 每次只有T1，T2管反復(fù)導(dǎo)通與關(guān)斷。如果讓T1，T2，T3，T4交替導(dǎo)通與關(guān)斷，則輸出脈沖在“正”和“負(fù)”之間變化，就可得到雙極性SPWM波形。與單極性SPWM分析類似，我們可以得到總結(jié)：根據(jù)以上分析我們可以發(fā)現(xiàn)，這種脈寬調(diào)制技術(shù)的一個(gè)重要特點(diǎn)：輸出波形中基本不包括低次諧波，在脈寬輸出波中僅存在與載波頻率相近的高次諧波。當(dāng)載波頻率為20KHZ時(shí)