如何設計一種在線式不間斷逆變電源裝置？

前言

在科學技術日益發展的今天，現代化的工業控制設備、通信裝置及科研實施等都將以電子計算機、具有微處理器的監控設備等為核心。而這些器件是一種精密電子設備，大部分都需交流供電，且他對交流電源的供電質量、可靠性和連續性（不間斷）等都有嚴格的要求，要求供電間斷時間不得大于25%的工頻周期。市電的電壓波動、脈沖干擾和突然中斷，將會導致隨機存儲器數據丟失和程序破壞，造成極壞的后果。特別是在金融、通信和電力部門等，對市電的要求更加嚴格。

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。并且成為各系統必不可少的配套設備。因它具有穩壓、穩頻、濾波和抗干擾等功能，更重要的是在交流斷電時能不間斷的繼續輸出交流正弦波，所以UPS在各系統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計。

系統結構及工作原理

在線式不間斷逆變電源裝置的系統結構如圖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控制及保護電路、單片機監控及LED和鍵盤組成的人機界面等部分構成。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變成交流，靠DSP等控制部分產生可變的SPWM波來控制逆變輸出電壓的大小等；輸出切換開關是利用單片機根據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，市入經輸入隔離變壓器整流后變為直流電，該直流電經逆變轉換為高質量的交流向負載供電，若市電失電時，自動由輸入的備用蓄電池向逆變器供電，市電恢復時，自動轉為市電整流后逆變供電。若市電正常逆變故障時，則自動通過輸出切換開關不間斷地將負載切向電子旁路供電，等故障排除后又恢復至逆變供電。

控制部分

目前對逆變部分的控制及產生SPWM波的方式主要有兩種，一種是靠傳統的模擬集成電路來實現，該種方法較為成熟，魯棒性好，但電路較復雜，調試極不方便也極不靈活，且無法適應現代數字技術（如并機等）的要求。另一種是用全數字來實現，由高速處理器（如DSP）來運算控制直接產生SPWM波，省去了較多的模擬集成電路，該種方法簡單且靈活，但對系統的參數較敏感，對實時性要求很高，魯棒性較差。鑒于以上原因，本文介紹了一種模擬和數字相結合的控制方式。

正弦波的給定由數字給定，SPWM調節控制由模擬實現。對于SPWM調節控制部分目前也有多種，傳統模擬的控制方法是一種單一的電壓有效值控制方法，該方法只能保證穩態輸出電壓有效值恒定，而電壓諧波含量大，且電壓的波形質量得不到保證，動態響應特性不好。因此，為了克服傳統控制方案的不足，目前有許多種“瞬時”反饋調節的方法。主要有：單一的電壓瞬時值反饋、帶濾波電感電流內環的電壓瞬時值反饋、帶濾波電流內環的電壓瞬時值反饋。本文是選用的是電感電流內環的電壓瞬時值反饋的調節方法。電感電流內環的電壓瞬時值反饋的調節方法雖動態響應特性較好，但由于采用了瞬時電感電流內環和電壓瞬時值反饋，因此在突加載和突減載時輸出電壓的幅值變化較大，穩壓效果差，所以本文在原有的基礎上又加了一級輸出電壓有效值外環。即通過數字部分的高速處理器不停的采集輸出電壓的有效值。如在突加減載時輸出電壓有所變化，則在給定的正弦波基礎上乘以一個系數以調節輸出電壓。

綜上所述，不間斷逆變電源系統的線性化等效模型如圖3所示，其中Vo、IL、Ic、Io為圖2個部分所示參數。Kp為數字處理器根據采集輸出有效值的變化，而相應乘以的系數。ΔUd為調節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

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

鎖相功能

UPS要達到不間斷輸出的目的，除了要求切換時間短以外，還必須要求逆變輸出電壓和電子旁路的電壓在頻率和相位上必須一致，這樣切換的波形才是完美的。以往人們都采用模擬的鎖相環來跟蹤電子旁路的相位和頻率，達到鎖相的目的。本文采用DSP外部捕獲口，對電子旁路的相位和頻率進行高速的采集，跟蹤速度快，精度高。

告警和保護功能

在UPS的實際運行中，不管是其本身還是外部有時會出現各種意想不到的問題，因此在UPS裝置中告警和保護功能是必不可少的。告警可以提醒運行維護人員及時處理問題，防止事故發生，保護則可以防止設備永久損壞，事故不斷擴大。如在交流市電掉電時，由蓄電池逆變供電，但蓄電池的容量是有限的，深度放電將導致蓄電池永久損害。為了避免深度放電故障的發生，在蓄電池逆變供電過程中，必須設有蓄電池電壓過低告警和保護功能，只要蓄電池電壓達到放電下限電壓則停止逆變，并告警通知運行人員及時處理。

另外在UPS的使用過程中，有時會出現輸出瞬時短路的情況，因此必須有輸出短路保護功能，防止事故擴大。其它如過溫、交流輸入等都得有告警和保護功能。

實驗結果

采用上面所介紹的主電路結構和控制等方法，本文研制了一臺1KVA 的UPS、交流輸入和輸出都有工頻變壓器進行隔離，輸入變壓器變比為1：1、輸入濾波電感為5mH、輸出變壓器變比為1：2、輸出交流濾波電感為2 mH、輸出濾波電容為25uF、輸出切換采用有觸點和無觸點兩種繼電器配合、數字正弦波給定和控制部分采用美國德州儀器生產的TMS320F240芯片、逆變主電路的功率器件采用富士生產的6MBP50RA060模塊（里面直接帶驅動和保護）。

該裝置的部分的測試結果為：

1）切換時間為《5ms。

2）　諧波失真《3%。

3）　穩壓精度《±1%。

4）　穩頻精度《±0.5%（直流供電）

結論

本文采用輸入輸出工頻變壓器隔離，數字與模擬控制技術相結合，直接采用富士生產的6MBP50RA060模塊來設計的1kVA在線式不間斷逆變電源裝置裝置，該裝置具有以下優點：

1）IPM全橋逆變，高頻SPWM調制，輸出為完善的正弦波

2）可靠的輸入輸出工頻變壓器隔離

3）高精度穩壓穩頻

4）較小的諧波失真

5）高速雙CPU微處理器，快速的控制，完善的監控，友好的人機接口