（电气工程专业论文）10kva电力专用ups的研制.pdf

a b s t r a c t d e d i c a t e du p sf o re l e c t r i cp o w e rc a l lw o r ka l o n gw i t ha l lk i n d so fd cp o w e r e q u i p m e n t , a n dp r o v i d eh i g hr e l i a b l eu n i n t e r r u p t a b l ea cp o w e rs u p p l y i t i sw i d e l y a p p l i e di nm a n ys i t u a t i o n ss u c ha sp o w e r p l a n t sa n dt r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n a c c o r d i n gt o t h es p e c i a lr e q u i r e m e n to fp o w e rs y s t e m ，t h ed e s i g no ft h e d e d i c a t e du p si sp u tf o r w a r di nt h i sp a p e r i nt h em a i nc i r c u i t , h i 【g hf r e q u e n c ys p w m c o n v e r t e ri su s e d ，i p mm o d u l ei sw o r k e da ss w i t c hd e v i c e ，5 0 h zt r a n s f o r m e ri su s e d f o ri n s u l a t i n g ，v o l t a g ea n dc u r r e n ti sd e t e c t e db yh a l lc o m p o n e n t , a n dt h eo u t p u ti s q u i c k l ys w i t c h e db ys c r i nt h ec o n t r o lc i r c u i t ，t h ei n v e r t e ri sc o n t r o l l e db yt w oc l o s e l o o p s ，o n ei s i n s t a n t a n e o u sv o l t a g ev a l u el o o pa n dt h eo t h e ri s i n s t a n t a n e o u s c a p a c i t a n c ec i r c u i tv a l u el o o p m i c r oc o n t r o l l e ri sa l s ou s e di ni tt om o n i t o r t h es t a t u s a n df a u l t so ft h ed e d i c a t e du p ss y s t e m f i r s t l y , t h ec o n t r o lm o d e so fu p s a r ei n t r o d u c e d s e c o n d i y ，t h em a i nc i r c u i t ，t h e c o n t r o lc i r c u i ta n dt h es w i s hc i c u i ta r ei n t r o d u c e d t h ee x p e r i m e n tw a v e sa r ea l s o p r o v i d e d t h er e s u l t so fe x p e r i m e n t sa n dm e a s u r e m e n t ss h o wt h a tt h ed e d i c a t e du p s p r o v i d e st h e m e r i t so fh i g hq u a l i t yo u t p u tw a v e s ，h i g hr e l i a b i l i t ya n da b i l i t yo f i n t e r f e r e n c er e j e c t i o n i tc o u l db eu s e di np o w e rp l a n t st r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n sa n d o t h e rs k e so ft h ep o w e rs y s t e m k e yw o r d s ：u n i n t e r r u p t a b l ep o w e rs y s t e m ( u p s ) ，d e d i c a t e du p s f o re l e c t r i c p o w e r ，i n v e r t e r ，s p w m 独创性声明 本人声鹱掰呈交熬学位论文是本人在导师指导下逶行鲍研究工作释取褥的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得基显盘鲎或其 盎教育枧梅的学位 或证书丽使焉过的材料。与我一溺工作的闷志对本研究所做的任何贡献均己在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学徒论文作者签签字墨麓： 学位论文版权使思授权书 年7 冀彳嚣 本学链论文佟者完全了解塞鲞盘堂有关保警、搜蘑学霞论文静裁 定。特授权苤鎏盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，并采用影印、缩印或扫攒等复制手段保存、汇编以供查阕秘借瓣。同 意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适髑本授权说嚷) 学位论文作者签名： 导师签名：；帮躺砧 辩? ：丁吲日辩醐删叼翻 天津大学工程硕士学位论文 第一章绪论 随着电力电子技术的发展，对电网的质量要求也不断提高，由于公共电网自 身的原因，以及自然界风沙、雷击等原因，不能满足客户对高精度、高可靠性电 源的要求。市电中常见的问题有u 1 ： 1 持续的高压或低压。 2 浪涌电压高于1 1 0 额定值，持续一个或者多个周期。 3 高压尖脉冲峰值可达6 0 0 0 v ，持续时间一般为o 1 l o m s 。 4 下陷电压低于8 0 一8 5 额定值，持续一个或者多个周期。 5 频率漂移。 6 断电，持续2 个周期以上。 因而，对于精密负载设备及不允许断电的重要设备及工作环境，都必须采用 u p s 作电源断电保护。 。u p s 且l j 不间断电源，是u n i n t e r r u p t a b l ep o w e rs y s t e m l 拘缩写【2 】。最早的u p s 是 依靠飞轮储能使发电机旋转而发电，以维持很短时间的不间断供电，6 0 年代发 展成为发电机和蓄电池结合的旋转式u p s 。目前的u p s 一般是指静止式u p s ，是 含有蓄电池，以逆变器为主要组成部分的恒压恒频不间断电源。当市电输入正常 时，u p s 就将市电供给负载，并同时对蓄电池充电，当市电停电或输入故障时， u p s 立即将机内电池的能量转化为交流电继续供负载使用，使负载正常工作。 电力专用u p s 即电力专用不间断电源口( d e d i c a t e du n i n t e r r u p t a b l ep o w e r s y s t e mf o re l e c t r i cp o w e r ) 。电力专用u p s 主要有整流器和逆变器构成，这里强调 电力专用，主要是指该u p s 的直流输入取自直流操作电源的蓄电池组，并且要求 直流输入、交流输入和交流输出完全隔离，构成示意图如图1 1 。 旁路输入 交流输入 直流输入 静态开关 图1 - 1 电力专用u p s 结构图 输出 第一章绪论 1 1u p s 的发展趋势 当代u p s 是集数字和模拟电路、电力电子技术、微处理器控制、计算机通 讯、高精度检测技术和自动控制原理为一体的电源设备。随着许多相关技术的发 展，u p s 已当之无愧地成为高科技产品。 1 采用全控型开关器件 u p s 必然包含a c d c 及d c a c 两个变换，变换器的核心是开关器件。早期 的u p s 采用可控硅( s c r ) ，以后又相继出现了g t r 和功率m o s f e t 等全控型 开关器件。8 0 年代出现了新型的复合器件一绝缘栅双极型晶体管( 1 g b t ) ，它 具有输入阻抗高、工作速度快、通态电压低、阻断电压高、工作电流大等特点， 因而发展很快，有逐渐取代上述全控型开关器件的趋势。 目前u p s 主要采用m o s f e t 和i g b t 作为开关器件，以高频s p w m 控制的 i g b t 逆变器方式作为主流。另外，智能功率模块( i p m ) 是一种新型的功率集 成电路，包含功率开关、驱动电路、检测保护电路。一般其内部以i g b t 作为开 关器件，可靠性高、使用方便，是适用于中小功率u p s 的一种理想器件。 2 高频化 提高u p s 逆变器的开关频率，有利于提高动态响应速度，减少变压器和滤波 电感的体积。随着功率开关、滤波电容、磁性材料等器件高频性能的发展，以及 变换器电路结构的改进，l i p s 的高频化是一个发展趋势。 3 采用功率因数校正和软开关技术 u p s 的输入功率因数表示u p s 对市电有功功率吸收的能力以及对市电影响 的程度。提高u p s 的输入功率因数具有重要意义，不仅可以减少对电网的污染、 降低市电的无功损耗，以起到环保与节能的效果，而且能减少u p s 配电设备( 变 压器、熔断器、断路器、电缆、进线电容等) 的容量，减少相应的投资，提高运 行可靠性。提高输入功率因数的传统方法是采用无源功率因数校正技术，目前较 先进的方法是：单相输入的采用有源功率因数校正，三相输入的采用s p w m 高频 整流提高u p s 的输入功率因数胪 。 近年来，软开关技术在各类功率变换电路中应用的越来越多，出现了许多电 路拓扑。在u p s 的逆变器中采用软开关技术，可以降低开关损耗、提高开关频 率、减少开关硬力、提高工作可靠性。 4 全数字化和集成化 采用数字信号处理器( d s p ) 和大规模半导体专用集成电路( a s i c ) 对u p s 系统中的变换、控制、反馈、测量、显示、通讯等部分进行全数字控制，可以实 现精确、快速控制、保证波形失真度非常小，动态响应快，具备完善的自动保护， 天津大学工程硕士学位论文 能够稳定、可靠地工作旷加1 。 5 并机冗余技术 已往的u p s 多为单机运行，随着电子设备应用数量的增加，同时有些重要 用户要求u p s 系统的故障率非常低，因此需要考虑如何把多个u p s 组合在一起， 以增加容量、提高可靠性。可以在每个u p s 上增加接口电路，并联时通过这些 接口进行调整，实现多个u p s 的电流均分，也可以采用具有容错功能的冗余配 置，即多个u p s 共同向负载供电。如果有机器故障，u p s 系统自动将故障机器 脱机检修，同时继续给负载提供高质量电能。近年来u p s 的并机冗余技术发展 很快，使平均无故障工作时间( m t b f ) 大幅度提高。 6 智能化及网络管理 在计算机网络和通讯技术迅猛发展的推动下，当前的u p s 都向智能化方向 发展，在u p s 和计算机网络之间建立起双向通信、调控、管理功能。这包括： ( 1 ) 自动报警u p s 系统出现故障时，可通过电子邮件、传呼、计算机屏幕 弹出信息等方式报警，以便于尽快解决问题。 。 ( 2 ) 自动监测能够对u p s 的主要部件如：逆变器、充电器、蓄电池、控制 单元等定期进行自检。 ( 3 ) 远程诊断与控制利用网络和相关的软件，远程检查u p s 的运行参数、 查询报警信息、做电池的校验、控制u p s 的启停等。通过网络可以监控系统中 各台u p s 的运行状况。 ( 4 ) 具有完善的自动保护，可实现无人值守。 总之，新一代的u p s 不仅是一个简单的备用电源，它采用新型电力电子器 件i g b t ，又引入软开关技术、功率因数校正、数字控制、并机冗余及网络技术 等，因而可以节省电能、保护环境、使系统的供电质量和可靠性得到极大提高。 1 2u p s 的工作方式 目前的u p s 按照工作方式来划分主要有三大类：后备式u p s 、在线式u p s 、 准在线式u p s 。 后备式u p s ：当市电正常供电时，市电通过交流旁路通道再经过转换开关被 送到用户负载上。当市电异常时，转换为蓄电池供电，由逆变器向负载提供正弦 交流电输出。 在线式u p s ：当市电正常供电时，u p s 先将交流电整流滤波变成直流电， 逆变器将此直流电转换成纯净的正弦交流电供给负载。当市电异常时，转为蓄电 池供电，经逆变器把直流转换成正弦交流电供给负载。因此无论是由市电还是有 第一章绪论 逆变器供电，总是有逆变器提供输出，市电故障时，切换时间为零。 准在线式u p s - 在这种方式中，逆变器是一个双向变换器，当市电输入正常 时，u p s 的逆变器处于充电方向工作状态给电池组充电，在市电异常时逆变器则 转入逆变工作状态将蓄电池电压转换成交流电输出。 1 3 课题来源 本课题来源于烟台东方电子玉麟电气有限公司的自选研发项目。 烟台东方电子玉麟电气有限公司作为国内生产高频开关电源模块的知名企 业，已有多年从事大功率开关电源研制的历史，试验设备、调试仪器、测试设备 齐全。公司从9 0 年代末期开始从事大功率电力专用u p s 及逆变电源系统的研制 开发，积累了丰富的研制和生产经验，开发了一系列电力专用u p s 产品。 天津大学工程硕士学位论文 第二章u p s 逆变器的控制方式 逆变器是u p s 的核心，它负责把整流滤波后得到的直流电或者蓄电池存储的 直流电转化为用户所需的稳压稳频的交流电能。对于绝大多数u p s 来说，逆变 器输出电压质量的高低，在很大程度上决定了整个u p s 的性能。 目前，u p s 逆变器中广泛采用脉宽调制技术实现对输出电压的控制。脉宽调 制技术，包括可调脉宽调制逆变技术( 多脉宽调制，正弦脉宽调制) 、固定脉宽 调制技术( 改进型正弦脉宽调制、直接确定开关角消谐) 、可调脉宽消除谐波技 术和关联指令分区脉宽调制技术。正弦脉宽调制( s p w m ) 由于谐波含量少，电 路容易实现，成为u p s 逆变器中控制方式的首选。 u p s 逆变器中的闭环控制方式主要有电压瞬时值反馈控制、电压电流双闭环 控制、无差拍控制、重复控制以及神经网络控制和模糊控制等智能控制技术。 2 1 正弦脉宽调制技术 正弦脉宽调制技术简称为s p w m 调制技术n 删，它利用面积等效原理获得谐 波含量很小的正弦波电压输出。其基本原理如图2 1 所示。 图2 1s p w m 原理图 u c，一卜 瓣l海 n ， yyy i il i i | 假定三角载波的角频率为d 。，正弦参考信号波的角频率为功o ，输出脉冲幅 值为e ，采用以载波角频率为基准，考察其边频带波分布情况的方法对图2 1 所 p 。岁 一 胪u_ _川 川- 第二章i j p s 逆变器的控制方式 示的s p w m 脉冲进行谐波分析，其输出表达式为： 皓衄s m 钾+ 伊卜喜筹咖愕的n 刊一扣”吖协， 式中口为正弦信号波幅值与三角载波幅值之比，称为调制度，介于0 - - 一1 。 进一步分析可知，基波的幅值表达式为 u = 衄 ( 2 2 ) 从公式( 2 2 ) 可以得出，当u p s 逆变器采用s p w m 方式时，其基波分量大 小与调制度有关，调制度越大，输出电压基波分量越大。一般说来，三角波的幅 值是固定不变的，因此只要适当调节输入到比较器同相端的正弦信号的幅值大 小，就可以调节逆变器输出电压的大小。 进一步的分析可知，理论上低于载波频率的谐波幅值均为零。在目前的u p s 逆变器中，正弦波的工作频率均为5 0 h z ，三角波的工作频率均为1 0 一 4 0 k h z ， 在采用s p w m 的逆变器电压输出波形中，实际上基本不包含低次谐波，几乎所 有的谐波的频率都在几千赫以上。正因为如此，在正弦波输出的u p s 装置中， 逆变器所需的滤波器的尺寸可以大大减小。 2 2l i p s 逆变器闭环控制方式 早期的u p s 产品都采用开环控制，当环境温度，输入电压以及负载变化时， 输出电压往往达不到要求，为了克服这种问题，通常采用占空比调节控制技术， 它包括脉宽调制( p w m ) 、脉频调制( p f m ) 两类。 按照反馈环路，变换器的控制方式可以分为电压型和电流型n 州埘n 目；按照实 现控制的硬件手段，可以分为模拟控制和数字控制。 单电压环瞬时值控制原理如图2 2 所示，控制结构图如图2 3 所示，将变换 器输出电压反馈信号u o f 与基准电压信号跏进行比较，经误差放大器( p i 调节 器) 后得到误差信号沈，将此信号与载波u c 交截，经适当的逻辑变换和驱动电 路后控制变换器。 天津大学工程硕士学位论文 图2 2 单电压瞬时值控制原理图 控制结构图中，g 口倒为误差放大器的传递函数，g f ( s ) 输出l c 滤波器的传 递函数，d k u e 为s p w m 信号的占空比，n 1 ，n 2 分别为变压器一、二次绕组 匝数，k o f 为输出电压反馈系数。 图2 3 单电压瞬时值控制结构图 其中，阿2 丙r 雨2 够( s ) 2 丽1 则控制系统的开环传递函数g ( s ) h ( s ) 为 g ( s ) 日( s ) 2j 踊g 白( s ) ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) 由公式( 2 4 ) 、( 2 5 ) 可知，该系统为有条件稳定的二阶系统。输出滤波电 感厶和滤波电容c 广般较大，谐振频率再较低。该控制系统幅频特性曲线如图2 - 4 第二章u p s 逆变器的控制方式 所示。系统在中频段是以- 4 0 d b d e c 的斜率穿过横坐标的，不符合稳定性要求。 采用p i 调节器也只是减少稳态误差，零点很低，中频段仍然以- 4 0 d b d e c 的斜率穿 过横坐标n 帅 。 2 0 l g l g ( s ) h ( s ) j 气i 一 图2 - 4 未校正系统相频图 该系统需要进行校正。在中频段加一个串联的超前校正环节( 图2 2 中虚线 部分) ，就能使其开环幅频特性低、中、高频段都能满足要求，如图2 5 所示。 2 0 1 9 l g ( s ) h ( s ) j 汰一 图2 5 校正后系统相频图 设计控制环路时，要仔细设计剪切频率( 穿越频率) 。的大小，如果偏小则 系统的动态响应速度太慢；如果偏大则系统的稳定性就差，谳为开关频率，则 剪切频率。通常为n 力埔1 国。爿者孝j 2 矾 ( 2 6 ) 单电压瞬时值反馈控制技术的特点： ( 1 ) 单闭环反馈控制，所需元件少，较易设计和分析。 ( 2 ) 大幅值的三角波为稳定的调制过程提供了强大的抗干扰能力。 ( 3 ) 动态响应速度慢。 天津大学工程硕士学位论文 ( 4 ) 环路增益随输入电压变化，从而使补偿更加复杂。 ( 5 ) 系统的静态性能、快速性与稳定性之间存在矛盾。 2 3 电压电流双闭环反馈控制 改善u p s 的动态特性的方法之一是采用电流控制策略n 帕。在这种控制策略 中，滤波电感电流五或者滤波电容电流厶作为一个反馈变量引入到控制系统中。 采用电感电流反馈时，由于负载电流全部流过电感，系统自动具有短路保护能力， 无需另加负载电流检测电路。而电容电流是输出电压的微分，代表了输出电压的 的变化趋势，可以提前对输出电压进行校正控制。因此，对于控制而言，电容电 流更具有优势。系统控制结构如图2 - 6 所示。 图2 - 6 电压电流双闭环控制系统结构图 其中外环电压调节器一般采用比例积分调节器( p i ) ，而内环电流调节器既 可以采用比例调节器( p ) 又可以采用滞环电流控制方式。 有常用的电流型控制技术，包括峰谷值电流型控制技术啪2 、平均值电流 型控制技术2 1 1 、电流滞环控制技术2 1 捌等三类。 2 3 1 峰谷值电流型控制技术 峰谷值电流型控制技术位钔，主要包括恒定截止时间峰值电流控制技术、恒定 导通时间谷值电流控制技术、恒定开通时刻峰值电流控制技术和恒定关断时刻谷 值电流控制技术四种。 恒定截止时间峰值电流控制原理，如图2 7 所示。电感电流或功率开关电流 的反馈信号i s , 与电压误差放大器输出的电流给定信号i r ( u e ) 比较，当让升至l j i r 时， 功率开关就关断，汗降。功率开关的截止时间，并不是由电感电流反馈信号的 下降量i 觖定的，而是由单稳态触发器设置的恒定低电平时间决定的。在每个 开关周期内，功率开关的截止时间恒定，导通时间和开关周期( 开关频率) 均变 第二章l i p s 逆变器的控制方式 化。这种电流型控制技术设置了电感电流或功率开关电流的最大值，属于变频 p f m 峰值电流控制技术，特别适用于反激f l y b a c k 变换器。 图2 7 恒定截止时间峰值电流控制原理图 恒定导通时间谷值电流控制原理，如图2 8 所示。在每个开关周期内，功率 开关的导通时间恒定，截止时间、开关周期或开关频率变化。这种电流型控制 技术设置了电感电流或功率开关电流的最小值( 谷值) ，属于变频p f m 谷值电 流控制技术，本质上与恒定截止时间峰值电流控制技术相似。 图2 - 8 恒定导通时间谷值电流控制原理图 恒定开通时刻峰值电流控制原理，如图2 - 9 所示。当恒频时钟信号到来时， r s 触发器置位，功率开关开通，电感电流或功率开关电流反馈研始上升；当i f 及其电流补偿信号i c 之和( i f + i e ) 上升到电压误差放大器输出的电流给定信号 i r ( u e ) 时，r s 触发器复位，功率开关就关断，研始下降。功率开关的开通时刻， 并不是由电感电流反馈信号的下降量a i f 决定的，而是由r s 触发器的恒定置位时 天津大学工程硕士学位论文 刻，即由恒频时钟信号的到来时刻决定的。在每个开关周期内，功率开关的导通 时间和截止时间均变化，而开关频率恒定。 图2 - 9 恒定开通时刻峰值电流控制原理图 恒定开通时刻峰值电流控制技术，设置了电感电流或功率开关电流的最大 值，属于恒频p w m 控制技术。这种控制技术存在一个固有的缺点，就是次谐波振 荡问题。为了确保系统的稳定，需要进行斜坡补偿，然而，斜坡补偿虽然可以 解决系统的稳定性问题，但在一定程度上降低了稳态精度和响应速度。 恒定关断时刻谷值电流控制原理，如图2 1 0 所示。 图2 - 1 0 恒定关断时刻谷值电流控制原理图 第二章l r p s 逆变器的控制方式 在每个开关周期内，功率开关的截止时间和导通时间均变化，而开关频率恒 定。这种电流型控制技术设置了电感电流或功率开关电流的最小值( 谷值) ，属 于恒频p w i - t 谷值电流控制技术，本质上与恒定开通时刻峰值电流控制技术相似， 为了确保系统的稳定工作，同样需要进行斜坡补偿。 2 3 2 平均值电流型控制技术 图2 - 1 1 平均值电流控制原理图 平均值电流型控制技术，将高增益的积分电流误差放大器( c a ) 引入电流环， 提高了电流环的增益，如图2 1 1 所示。它是将电感电流检测电阻r s 上的电压 作为电流内环的反馈信号与电压外环的输出信号( 电流给定) 比较，经电流误差 放大器放大后，并在p w m 比较器的输入端与振荡器产生的幅值较大的锯齿波进 行比较，去控制功率开关的占空比。 平均值电流型控制技术具有如下特点： ( 1 ) 平均电流可以精确地跟踪电流给定，即使在d c m 模式时依然能很好 地起作用。 ( 2 ) 不需斜坡补偿，为了使系统稳定，开关频率处的环路增益要受到限制。 ( 3 ) 噪音免疫力强，当时钟脉冲使功率管开通时，振荡器斜坡立即变为最 低电平，其电压值远离p w m 比较器输入端的电流误差值。 ( 4 ) 可检测、控制变流器任意支路的电流。 ( 5 ) 动态响应速度、控制的简洁程度和应用广泛程度不及峰谷值电流型控 制技术。 平均值电流控制模式应用到u p s 逆变器中时，内环电流环一般设置成p 调 节器。 天津大学工稷硕士学位论文 2 3 3 电流滞环控制技术 电流滞环控制( c u r r e n th y s t e r e s i sc o n t r 0 1 ) ，可以认为是峰俗值电流型控制技 术的特殊情况，是最简单，用途最广泛的一种控制技术，其控制原理如图2 1 2 所示。电感电流或功率开关电流豹反馈信号毒与电压误差放大器输滋的电流给定 信号i r ( u e ) 经迟滞比较器比较。当误差电流i e - - i r - i f h 1 时，功率开关就开通。功率开关的截止时间或开通 时刻，不是出单稳态触发器设蠢的恒定低电平时间或恒频时钟脉冲的到来时刻决 定的，而是豳迟滞比较器设置的恒定或可调迟滞环宽( h i h 2 ) 决定的。开关频率由 输入电压、输出电压、电感l 绷运滞环宽( h l - h 2 ) 等决定，每个开关周期内，功率 开关的导通时间、截止时间和开关频率均变化。这种控制技术无需进行斜坡补偿 【2 鲴 。 电流滞环控制技术按其滞环宽度，可分为恒定迟滞环宽和可调迟滞环宽方 式。恒定迟滞环宽方式，其滞环宽度在电路调制过程中保持不变，开关频率大范 围变化，该类型控制技术也称为d p m ( d i s c r e t ep u l s em o d u l a t i o n ) 电流滞环控制 技术。可调迟滞环宽方式，其滞环宽度在电路调制过程中不断变化，使开关频率 j 以慑定的时钟信号频率为中心左右摆动，变纯范匿大大减小，具有类似p w m 控 制的特征。基于电流滞环控制技术的逆变器按其调制方式，可分为两态调制和三 态调制。两态调制只有输出能量和回馈能量两个状态，在半个输出周麓内，脉冲 调制波双极性变化。互态调制除了有输出能量和回馈能量两个状态外，还有续流 状态，在半个输出周期内，脉冲调制波单极性调制。两态调制与三态调制相比， 调潮频率高，动态响应速度快，僵是电流脉动大，输出频谱特性差，焉且由于没 有续流状态回馈能量较大，对直流母线的影响较大。 鹜2 - 1 2 滞环控制方式系统原理餮 第二章u p s 逆变器的控制方式 基于d p m 电流滞环控制且三态调制的逆变器，称为三态d p m 电流滞环控制 逆变器，相应的控制技术称为三态d p m 电流滞环控制技术。该控制技术使逆变 器具有高变换效率、高可靠性等优良的综合性能，但开关频率的大范围变化，给 逆变器带来了输出频谱特性不佳、输出滤波器设计难、滤波电感噪音较大等缺陷。 基于准p 删电流滞环控制且三态调制的逆变器，称之为三态准p 删电流滞环控 制逆变器，相应的控制技术称为三态准p 硼电流滞环控制技术。这种控制技术 弥补了三态d p m 电流滞环控制技术的不足，给逆变器带来了更优良的综合性能。 天津大学工程硕士学位论文 第三章1 0 k v a 电力专用l i p s 总体结构及主电路设计 根据电力系统的要求，本文制作了一台容量1 0 k v a 的电力专用u p s ，主要 技术指标如下： 直流输入电压： d c l 9 8 2 8 6 v 交流输入电压：三相3 8 0 v 1 5 ，频率5 0 h z 1 0 旁路输入电压：单相2 2 0 v 1 5 ，频率5 0 h z ：l ：1 0 效率： 9 0 交流输出电压： a c2 2 0 v 1 ，5 0 h 殖1 额定输出容量： 1 0 k v a 交流输出电压谐波含量：10 0 线性负载时3 ，1 0 0 非线性负载时5 动态响应：波动不大于5 ，恢复时间不大于2 0 m s 工作方式：在线双变换 旁路切换时间： 4 m s 输出功率因数：感性0 6 5 ，容性o 8 5 过载能力：过载1 2 0 ：1 0 m i n ，过载1 5 0 ：l m i n 绝缘电阻：大于1 0 m 绝缘强度：输入对输出、输入对地、输出对地承受交流2 5 0 0 v 散热方式：风冷 噪音： 5 0 d b ( a ) 3 1 系统的总体技术方案 1 0 k v a 电力专用u p s 屏采用电力行业标准机柜，其中u p s 逆变器部分设计为 模块化结构。电力专用u p s 屏的系统原理图见图3 - 1 ，逆变器原理图见图3 2 。 整个u p s 屏包括整流器、逆变器、s t s 静态切换开关、检修旁路等部分。 u p s 逆变器设计成模块式结构，输入隔离变压器和输出交流变压器置于模块 外，即机柜的底层，便于安装、搬运和运输。逆变器模块采用标准1 9 英寸工业 机箱，高度3 u 。 第三章1 0 k v a 电力专用i p s 总体结构及主电路设计 霎曩 图3 11 0 k v a 电力专用u p s 系统结构图 - 1 6 天津大学工程硕士学位论文 稚 蝼 粼 搬 窿 燃 隶 稠 黎 爨 制 测 鲻 辫 爆 翱 榷 瞪 涮 键 窿 舞 弓| 察 媾 挂 图3 - 21 0 k v a 电力专用u p s 系统原理图 第三章1 0 k v a 电力专用u p s 总体结构及主电路设计 采用的关键技术： 、 1 ) 双闭环控制 逆变器的控制电路采用电压电流双闭环控制策略，其中，电压瞬时值反馈 做为外环，电容电流瞬时值反馈做为内环，可有效地提高逆变器的动态特性，改 善输出电压波形的质量，带非线性负载能力强。 2 ) 完善的保护 保护电路设计包括输出过载保护、短路保护、i p m 故障保护、输出过压保护、 输出欠压保护、输入过压保护、输入欠压保护等功能，除过载保护外，所有保护 均通过硬件电路实现。 3 ) 快速切换 切换部分采用模块式s t s 静态切换开关，通过输出波形与基准波形的比较 来快速判断掉电时间，从而实现逆变供电和旁路供电的快速切换。 4 ) r s 2 3 2 r s 4 8 5 接口 提供与计算机连接的高度智能化监控功能，更加适合无人值守场合，串口可 设置为r s 2 3 2 或r s 4 8 5 接口，接口规约现有f d k 规约，可根据实际情况扩展， 可以实现本机数据远传以及远方控制。 3 。2 主电路结构选择和参数设计 3 2 1 主电路结构选择 u p s 逆变器的主电路结构形式多种多样，有全桥型、半桥型及推挽型等。小 容量后备式方波输出u p s 多采用推挽式逆变结构，结构简单，控制方便。中大 容量u p s 一般采用全桥结构，极少数采用半桥拓扑。为了消除高次谐波，逆变 桥后均接有l c 滤波器。本文采用的主电路如图3 3 所示。 图3 - 3 主电路原理图 - 1 8 - 天津大学工程硕士学位论文 根据电力系统的要求，电力专用u p s 的输入和输出必须隔离，另一方面受 器件水平的限制，目前大容量d c d c 变换器的设计和制造还存在一定的困难， 因此采用高频链或者高频隔离的形式不适合于大中容量u p s 。此外随着电源容量 的加大，工频变压器的体积和重量在整个电源中的所占的比重逐渐减少，而可靠 性却比高频隔离的形式要高的多。同时除了实现u p s 电源输入输出电气隔离功 能外，工频变压器还可以变换逆变器的输出电压，使得直流输入电压与交流电压 互相匹配以及变换滤波参数，减少滤波电路体积和重量。基于以上原因，绝大多 数中大容量u p s 均采用输出接工频变压器来实现系统输入输出的电气隔离。 3 2 2 工频变压器设计 假设逆变桥直流母线输入电压最小值为现m i n ，当调制度口= 1 时，根据公式 ( 2 2 ) ，则逆变桥输出最大电压有效值( 基波) l 为： 驴等 ( 3 - 1 ) 假设系统开关频率瓤，开关死区为乃，死区产生的误差电压的基波有效值 可用下式估算： 咿警 ( 3 2 ) 在最不利的情况下，逆变桥输出s p w m 波中的基波分量与死区引起的基波 分量相差1 8 0 。，于是此时逆变桥输出实际加在变压器原边的基波分量为： u ，= q - 一 ( 3 - 3 ) 如果希望逆变桥输出电压有效值为踟，此电压即为工频变压器副边电压， 所以可得工频变压器的匝比约为： u o 珂 q ( 3 4 ) 在本文中，阮m j n = 1 9 0 v ，工= 1 5 k h z ，t d = 1 u s ，己b = 2 2 0 v ，根据公式( 3 1 ) ( 3 - 4 ) ，可得匝比刀1 7 ，考虑到开关器件导通电阻影响以滤波器电感基波电压 第三章1 0 k v 电力专用t i p s 总体结构及主电路设计 压降，实际取n = 2 。 工频变压器的磁性部分设计根据下式： ： 坠 4 4 4 风a 。 其中f = 5 0 h z 为变压器基本频率，么。为磁性材料的有效截面积 为工作最大磁感应强度，为原边匝数 ( 3 5 ) 同普通的工频变压器不同，用于u p s 逆变器的工频变压器的原边电压为逆变 桥输出的高频s p w m 波形( 基波为工频波) ，由于控制上的不对称以及开关特性 的差异，造成原边电压中不仅有高频谐波，而且还存在较小的直流分量。直流分 量的存在，很有可能引起隔离变压器的原边出现偏磁，导致变压器饱和，严重时 会烧毁功率器件而造成u p s 损坏。因此为了提高变压器的抗偏磁能力，变压器的 工作最大磁感应强度其选择要小于普通变压器。这样虽然在一定程度上降低 了铁心的利用率，但却大大提高了系统的可靠性。 交流输入隔离变压器的设计和普通工频变压器相同，考虑到母线电压不要太 高，原副边变比选择为l ：o 5 。 3 2 3 主功率管的选择 小容量u p s 因为输出容量小，电压电流不大，因此开关器件多选用m o s f e t 。 而中大容量u p s 因其电流一般比较大，因此多选用i g b t 作为它的开关器件。另 外在母线电压电流较大时，线路的杂散参数影响较大，严重时会造成母线电压振 荡，干扰控制电路，因此母线布线方式显得尤其重要嘲。 基于以上原因，本文中主功率器件选用日本三菱公司的智能功率模块( i p m ) ， i p m 是有高速、低损耗的i g b t 和优化的栅极驱动及保护电路构成的先进的混合 集成功率器件。 逆变桥的最高输入电压舣即为每个开关器件的所承受的最高电压，本文中 u r n = = 0 5 3 8 0 1 4 1 4 1 1 5 m - 3 1 0 v ，目前常用的i g b t 耐压有6 0 0 v 和1 2 0 0 v 。 器件的电流等级要根据它所通过的最大电流峰值来确定。假定系统输出功率 为r ，系统的过载系数为1 7 ，在逆变桥中的每个i g b t 通过的电流峰值厶为： = 警刀 ( 3 6 ) 天津大学工程硕士学位论文 根据公式( 3 - 6 ) 可得厶= 2 】8 a ，考虐到电流纹波以以及反并联二极管的反向 恢复尖峰电流等因素的影响，实际选取时要留一定的裕量。 本文中选用三菱公司最新的第五代l 系列i p m 产品p m 2 0 0 c l a 0 6 0 母线电 压为6 0 0 v 额定平均电流2 0 0 a ，峰值电流为4 0 0 a ，外观如图3 _ 4 。 图3 - 4 第五代i p m 外观图 i p m 内部具有短路( s c ) 保护，过温( o t ) 保护，以及控制电源欠压( u v ) 保护。发生故障时有专门的引脚引出，以供控制电路用。 3 2 4 输出滤波器设计 u p s 逆变器的输出一般都采用如图3 - 5 所示的r 型低通滤波器。 输出滤波器作用是滤除逆变桥输出s p w m 的谐波分量；从表面看来，好像l c 滤波参数越大，系统的输出波形越好。实际上滤波时间常数越大，不仅滤波电路 的体积和重量过大成本过高，而且滤波电路引起的相位滞后变大，采用闭环反 馈控制时，整个系统的稳定性越差。相反，滤波参数选得过小，系统中高频分量 得不到很好的抑制输出电压不能满足波形失真度的要求。因此选择滤波器参数 时，要综合考虑这两方面的因素”。 图3 - 5 滤波器原理图 l 筹三章1 0 k v a 电力专熏u p s 总体续构及主电路设诗 i 、型滤波器的特性阻抗p 为 匠 舻避 i 型滤波器的截至频率磊为 五2 而1 u p s 的负载阻抗趣为 r ，2 r 。= 生 。 冀 综合考虑各方面因素，在选取参数时，应遵循以下原则： p = ( o 5 o 8 ) 胤 丘o 1 p w m ( 3 7 ) ( 3 - 8 ) ( 3 9 ) ( 3 _ 1 0 ) ( 3 1 1 ) 其中店p w m 为逆变器s p w m 脉冲的频率，输出滤波电容c f 取2 0 u f ，店p w m 为开 关频率磊的两倍3 0 k h z ( 控制电路采用了倍频原理，具体见第四章) ，p 取0 8 r l ， 将已知量代入公式( 3 7 ) 、( 3 9 ) 可得l f = 3 0 0 u h ，代入公式( 3 8 ) 、( 3 1 1 ) 进 行验算，f n - 2 0 5 6 k h z 6 0 1x3 0 k h z ，满足要求。 所以，本文中滤波器熬参数为滤波瞧感l f = 3 0 0 u h ，滤波电容c f = 2 0 u h ，其 中电容选用聚丙烯薄膜交流电容c b b 6 5 4 5 0 v l o u f 两个并联使用，滤波电感直接 采用输出拜压工频变压器的漏感即可，外协加工时，要求副边的漏感变化不要太 大，以便保证产品批次的一致性。 天津大学工程硕士学位论文 第四章1 0 k v h 电力专用u p s 控制及检测电路的设计 本文中u p s 的控制采用电压电流瞬时值双闭环方式，p w m 比较器采用倍频 方式，提高s p w m 脉冲频率，减小滤波器体积。利用霍尔器件检测电压电流， 具有快速、准确的特点。 4 1 控制电路设计 4 1 1 基准正弦波发生器 根据电力专用u p s 的特点，u p s 逆变器的交流输出当旁路正常时跟踪市电， 当旁路故障时，逆变器输出本身震荡的5 0 h z 。基于以上原因，基准正弦波应能 在跟踪市电和自激振荡中切换汹1 。实现电路框图如图4 1 所示。 图4 1 基准正弦波实现框图 市电通过互感器取样降压，然后再通过过零比较器转换成跟市电同相位的方 波，输入到c d 4 0 6 6 选择器的一个输入端，石英振荡器的输出经过分频电路变为 5 0 h z 方波，输入到选择器的另一个输入端，选通信号由控制电路根据市电状态 来确定。锁相环的输出高频脉冲输入到计数器c d 4 0 4 0 ，计数器的输出形成地址 总线对存储器2 7 c 6 4 进行寻址，存储器的输出再进行d a 转换就可得到基准正 弦波 锁相环采用c d 4 0 4 6 ，c d 4 0 4 6 是通用的c m o s 锁相环集成电路，其特点是电源电 压范围宽( 为3 v 一1 8 v ) ，输入阻抗高( 约1 0 0 mq ) ，动态功耗小c d 4 0 4 6 的内部结 构图如图4 2 所示。主要由相位比较器i 、相位比较器i i 、压控振荡器、源跟随 器等部分构成。比较器i 采用异或门结构，当两个输入信号的电平状态相异时， 第隧章l o k v a 壤力专磊u p s 控制及检测毫路设计 比较器输出信号为高电平；反之，当两个输入信号电平状态相同时，比较器输出 为低电平。相位比较器i 输出信号的频率等于输出信号频率的两倍，并且与两输 入信号之间的中心频率保持9 0 。相移。输出波不一定是对称波形。对相位比较器 i ，它要求两输入信号的占空毙均隽5 麟( 郄方波) ，这样才毵使锬定范匿最大。相 位比较器i i 是一个由信号上升沿控制的数字存储网络。它对输入信号占空比的要 求不高，允许输入菲对称波形，它具有缀宽的捕捉频率范圈，焉且不会锁定在输 入信号的谐波。它提供数字误差信号和锁定信号两种输出，当达到锁定时，在相 位比较器i i 的两个输入信号之间保持零度相移。本文采用了c d 4 0 4 6 中的相位比较 爨i i 嘲。 攘弩输天 p d 反馕鞭入 v c 0 输入 y c o o u r c 王1 ) c l 2 ) r l 1 2 弘k 麓 ，基 圈4 2c d 4 0 4 6 示意图 瓣l 肇毽 p d u 出 耀链鼙挣 解囊出 必了使基准正弦波的谐波含量最少，要优化存储器中的数据，将一个闽赣 的正弦波均分成10 2 4 份，则基准正弦波相当于宥1 0 2 4 个阶梯波合成的，阶梯波 的阶高取每等份内正弦波的平均值，则阶高磁为 = 孚 l + 孚矮n 志商n 卜1 ) 劫 t ) q 取整，固化在存储器中，壶于d 纨电路的输出为电流型，因此必须魏运算 放大器配合使用，经逡放去除直流分量并放大后，输出理想的基准正弦波。运放 本身带宽有限，即低遇滤波器，不必再滤波，避免了滤波电路造成的相位滞后和 幅值变化。采样示意图见图4 3 。 天津大学工程硕士学位论文 2 图4 3 存储器数据采样示意图 4 1 2 三角波发生器 三角波发生器由电压比较器和基本积分器构成，如图4 4 所示。 c 图4 4 三角波发生器原理图 运算放大器a 与电阻r 1 、r 2 、r 3 、r 5 及双向稳压管d z 组成比较器，运算 放大器b 与电阻r 4 、r 6 及电容c 构成反相积分器，积分器和比较器首尾相连 构成闭环，自动产生三角波。 输出三角波的幅值玑和频靴的有下面的公式决定： 吩缸