一種在線式不間斷逆變電源裝置的設(shè)計(jì)

前言

在科學(xué)技術(shù)日益發(fā)展的今天，現(xiàn)代化的工業(yè)控制設(shè)備、通信裝置及科研實(shí)施等都將以電子計(jì)算機(jī)、具有微處理器的監(jiān)控設(shè)備等為核心。而這些器件是一種精密電子設(shè)備，大部分都需交流供電，且他對(duì)交流電源的供電質(zhì)量、可靠性和連續(xù)性(不間斷)等都有嚴(yán)格的要求，要求供電間斷時(shí)間不得大于25%的工頻周期。市電的電壓波動(dòng)、脈沖干擾和突然中斷，將會(huì)導(dǎo)致隨機(jī)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)丟失和程序破壞，造成極壞的后果。特別是在金融、通信和電力部門等，對(duì)市電的要求更加嚴(yán)格。

為了解決以上問題，各種各樣的不間斷逆變電源(簡稱UPS)都相繼出現(xiàn)。并且成為各系統(tǒng)必不可少的配套設(shè)備。因它具有穩(wěn)壓、穩(wěn)頻、濾波和抗干擾等功能，更重要的是在交流斷電時(shí)能不間斷的繼續(xù)輸出交流正弦波，所以UPS在各系統(tǒng)中的作用是可想而知的。按功能可分為在線式和備用式，按輸出電壓分為方波、準(zhǔn)方波和正弦波等。本文介紹的是輸出為純凈正弦波的在線式不間斷逆變電源的設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

在線式不間斷逆變電源裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由電子旁路、AC/DC整流電路、用SPWM控制的DC/AC逆變電路、輸出切換電路、DSP控制及保護(hù)電路、單片機(jī)監(jiān)控及LED和鍵盤組成的人機(jī)界面等部分構(gòu)成。AC/DC整流電路為全橋二極管整流，將市電整流成逆變所需的直流電壓;DC/AC部分主要是把直流轉(zhuǎn)變成交流，靠DSP等控制部分產(chǎn)生可變的SPWM波來控制逆變輸出電壓的大小等；輸出切換開關(guān)是利用單片機(jī)根據(jù)不同的情況切換繼電器，使其不間斷的輸出。

在線式正常工作情況下，市入經(jīng)輸入隔離變壓器整流后變?yōu)橹绷麟?，該直流電?jīng)逆變轉(zhuǎn)換為高質(zhì)量的交流向負(fù)載供電，若市電失電時(shí)，自動(dòng)由輸入的備用蓄電池向逆變器供電，市電恢復(fù)時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)為市電整流后逆變供電。若市電正常逆變故障時(shí)，則自動(dòng)通過輸出切換開關(guān)不間斷地將負(fù)載切向電子旁路供電，等故障排除后又恢復(fù)至逆變供電。

控制部分

圖2為逆變部分主回路原理圖，目前對(duì)逆變部分的控制及產(chǎn)生SPWM波的方式主要有兩種，一種是靠傳統(tǒng)的模擬集成電路來實(shí)現(xiàn)，該種方法較為成熟，魯棒性好，但電路較復(fù)雜，調(diào)試極不方便也極不靈活，且無法適應(yīng)現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)(如并機(jī)等)的要求。另一種是用全數(shù)字來實(shí)現(xiàn)，由高速處理器(如DSP)來運(yùn)算控制直接產(chǎn)生SPWM波，省去了較多的模擬集成電路，該種方法簡單且靈活，但對(duì)系統(tǒng)的參數(shù)較敏感，對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高，魯棒性較差。鑒于以上原因，本文介紹了一種模擬和數(shù)字相結(jié)合的控制方式。

正弦波的給定由數(shù)字給定，SPWM調(diào)節(jié)控制由模擬實(shí)現(xiàn)。對(duì)于SPWM調(diào)節(jié)控制部分目前也有多種，傳統(tǒng)模擬的控制方法是一種單一的電壓有效值控制方法，該方法只能保證穩(wěn)態(tài)輸出電壓有效值恒定，而電壓諧波含量大，且電壓的波形質(zhì)量得不到保證，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性不好。因此，為了克服傳統(tǒng)控制方案的不足，目前有許多種“瞬時(shí)”反饋調(diào)節(jié)的方法。主要有：單一的電壓瞬時(shí)值反饋、帶濾波電感電流內(nèi)環(huán)的電壓瞬時(shí)值反饋、帶濾波電流內(nèi)環(huán)的電壓瞬時(shí)值反饋。本文是選用的是電感電流內(nèi)環(huán)的電壓瞬時(shí)值反饋的調(diào)節(jié)方法。電感電流內(nèi)環(huán)的電壓瞬時(shí)值反饋的調(diào)節(jié)方法雖動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性較好，但由于采用了瞬時(shí)電感電流內(nèi)環(huán)和電壓瞬時(shí)值反饋，因此在突加載和突減載時(shí)輸出電壓的幅值變化較大，穩(wěn)壓效果差，所以本文在原有的基礎(chǔ)上又加了一級(jí)輸出電壓有效值外環(huán)。即通過數(shù)字部分的高速處理器不停的采集輸出電壓的有效值。如在突加減載時(shí)輸出電壓有所變化，則在給定的正弦波基礎(chǔ)上乘以一個(gè)系數(shù)以調(diào)節(jié)輸出電壓。

綜上所述，不間斷逆變電源系統(tǒng)的線性化等效模型如圖3所示，其中Vo、IL、Ic、Io為圖2個(gè)部分所示參數(shù)。Kp為數(shù)字處理器根據(jù)采集輸出有效值的變化，而相應(yīng)乘以的系數(shù)。ΔUd為調(diào)節(jié)輸出變壓器的偏磁問題，主要是由各種非理想因素原因影起在變壓器中存在直流分量。Vf為輸出電壓反饋，Ilf為輸出電感電流反饋。輸出切換開關(guān)

大多數(shù)UPS的輸出切換，一般都采用三種方式：第一是用無觸點(diǎn)的固態(tài)繼電器；第二是用有觸點(diǎn)的常規(guī)繼電器；第三則是固態(tài)繼電器和常規(guī)繼電器相結(jié)合的方式。一般來說固態(tài)繼電器適用于大電流且切換速度較高的場(chǎng)合，不足之處是其有通態(tài)壓降和LC電路，所以通態(tài)壓降損耗會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能，須加散熱器散熱；而LC電路引起的漏電流則使固態(tài)繼電器不能完全關(guān)斷，特別是小電流的情況下;另外大部分固態(tài)繼電器都需零電壓或零電流才能關(guān)斷，所以切換時(shí)間還受負(fù)質(zhì)的影響。常規(guī)有觸點(diǎn)繼電器則與固態(tài)繼電器則相反，觸點(diǎn)電阻小，無需加散熱器；無漏電流，關(guān)斷時(shí)間不受負(fù)載性質(zhì)影；但切換時(shí)間較長，且有拉弧，影響其壽命?，F(xiàn)在好多 UPS都采用兩種繼電器配合使用，切換瞬間用固態(tài)繼電器，然后用常規(guī)有觸點(diǎn)繼電器，達(dá)到提高切換速度而又無需散熱的目的。但對(duì)于小功率UPS來說常規(guī)繼電器的切換速度還是能滿足UPS的輸出切換要求的。