UPS電源的SPWM控制技術

2010-07-25 08:13:36李珺喬鳴忠

船電技術 2010年11期

李珺喬鳴忠

（海軍工程大學電氣與信息工程學院，武漢 430033）

1 引言

UPS電源又稱不間斷電源，它一般置于市電電網和用電負載之間，目的是改善對負載的供電質量,并在市電故障時，保證對負載設備的正常供電。一般的UPS電源工作原理都是先經過整流部分對輸入電壓進行整流，然后通過逆變單元進行逆變。因此需要UPS電源在經過逆變后提供高品質的電源，這樣逆變部分的控制技術就顯得尤為重要。目前，UPS電源逆變部分大都采用SPWM調制技術，其特點是波形畸變率相較于一般PWM控制技術要低[1]。

SPWM 調制技術的實現主要依賴于數字信號處理芯片，然而數字信號處理芯片對于SPWM調制中的死區控制、窄脈沖處理等軟件實現較為復雜。本文采用了一種控制極其簡單的單片機芯片來實現SPWM的調制技術，并且采用一種簡便的硬件方法實現SPWM的死區控制。

2 逆變電路的基本工作原理

逆變電路部分采取 H橋型結構，S11、S12組成一個橋臂，S21、S22組成另一個橋臂；

當 S11、S22為 1時，Uo=VDC，當 S12、S21為1時，Uo=-VDC。結構原理圖如圖1所示。

圖1 H橋型逆變電路原理圖

3 SPWM波形及死區的產生

3.1 SPWM波形產生原理

三角波載波調制方式原理[2]。

對于H橋型逆變器，有上下兩個載波，本文采用載波為三角波的SPWM方式。

三角波調制是采用三角載波層疊方式[3]。這種方式是由兩電平PWM方式直接擴展而來，由兩組頻率和幅值相同的三角載波上下層疊，且兩組載波對稱分布于同一個調制波的正負半波。以單橋臂為例，當調制波的正半波幅值大于上層載波時，輸出電平為‘P’；輸出電壓為+UD/2；而當調制波的負半波幅值小于下層載波時輸出電平為‘N’，輸出電壓為-UD/2；其它情況下輸出為‘O’，輸出電壓為 0。載波層疊法的原理如圖2所示，圖中采用的是自然采樣方式，Uref表示調制波，Uc表示調制波。

圖2 三角載波層疊 PWM 原理圖

在實際控制過程中，為了便于數字化實現，在一個載波周期Ts（開關周期）內，采用對稱規則采樣方式。所謂規則采樣方式是以每個三角波的頂點或底點所對應的時間作為采樣時刻。過三角波的對稱軸與正弦波的交點，作平行t軸的平行線，該平行線與三角波的兩腰的交點作為SPWM波的“開”和“關”的時刻，這兩個交點是對稱的，這里選擇上下橋臂調制波互差180°。圖3中是表示在同一采樣周期里對上下橋臂的驅動信號進行采樣，Ta為S11導通時間，Tb為S22導通時間，Ts為采樣周期；圖4中Ta為S12導通時間，Tb為S21導通時間。

這種方法實際上是用以多個階梯波去逼近正弦波。由于在每個三角波周期中每個橋臂驅動信號只采樣一次，使得計算大大簡化[4]。

3.2 死區的產生

由于使用硬件產生死區比較方便，同時還可以根據開關管的要求改變死區時間大小，因此在此處使用硬件電路產生死區。

產生死區原理：

產生死區電路原理就是利用RC延時電路和與門產生死區，具體實現原理圖如圖5。

工作原理圖如圖6所示，當信號經過RC延時之后，電壓上升至與門默認高電平UHI有一段時間tp=tb-ta=td-tc；tp即為死區時間，式( 1 )-式( 3 )列出了tp的計算方法，可以得出死區時間可以根據R、C的數值的變化而變化。

圖3 調制波正半周采樣原理圖

圖4 調制波負半周采樣原理圖

圖5 實現死區硬件原理圖

圖6 死區時間計算原理圖

4 軟件設計

軟件設計的總體思路是：利用單片機C0851F的I/O口作為SPWM波形輸出[5]，在采樣周期內根據采樣值從I/O口輸出高低電平，總體設計流程圖如圖7所示。

圖7 程序流程圖

5 仿真及實驗結果分析

為了驗證所設計的方案能正確地產生SPWM波形，本文對設計方案用MATLAB進行了仿真分析及實驗驗證，仿真模型為H橋逆變器模型，直流母線電壓 300 V，調制比 m=0.5，調制波頻率為50 Hz，載波頻率為1 kHz，死區時間為6 μs。圖8為仿真模型輸出電壓波形及其基波電壓波形。圖9為輸出波形各次諧波的大小曲線圖。

為了進一步驗證設計方案的正確性，本文在實驗室進行了實驗，所選參數與仿真參數相同，圖10為輸出電壓波形電壓每格300 V，時間每格10 ms。