基于DSP技術(shù)的在線式UPS設(shè)計與研究

徐圣杰

（雅安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 雅安 625000）

1 在線式UPS原理

在線式UPS工作原理如圖1所示。其中，EMI濾波器作為輸入濾波器使用，起到了兩方面的作用。一方面能夠濾除干擾，隔離市電，防止對UPS電路板的信號傳輸產(chǎn)生共模和差模干擾，另一方面防止UPS在逆變時產(chǎn)生的高頻開關(guān)信號產(chǎn)生諧波，干擾市電。在線式UPS的輸出功率始終由逆變器提供，由于UPS逆變器使用的是高頻開關(guān)，因此無論市電是否正常，切換時間都可忽略[1]。市電經(jīng)AC-DC整流再后經(jīng)DC-AC逆變?yōu)檎译妷簽樨?fù)載供電，旁路電池由AC-DC轉(zhuǎn)換器充電，電源異常時由蓄電池供電，逆變器進(jìn)行交直流轉(zhuǎn)換，將直流電轉(zhuǎn)換為正弦交流供電負(fù)載。如果逆變器發(fā)生故障，靜態(tài)開關(guān)將直接由市電供電[2]。

2 SVPWM調(diào)制算法分析

對于UPS逆變方式，簡單的正弦波SPWM不能保證電流和電壓在同一相位，控制效果比較一般，因此本文提出了SVPWM調(diào)制方式。空間矢量脈寬調(diào)制（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）是在交流電機(jī)變頻調(diào)速的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，通過改變PWM逆變器的不同開關(guān)狀態(tài)組合輸出波形近似正弦。與方波調(diào)制技術(shù)相比，SVPWM有許多優(yōu)點，最為突出的優(yōu)勢就是其占空比接近于1，運行起來更加平穩(wěn)，且易實現(xiàn)數(shù)字化。

SVPWM通過對6個開關(guān)管進(jìn)行適當(dāng)?shù)腜WM控制，使3個分矢量合成1個大小不變的旋轉(zhuǎn)總矢量[3,4]。取開關(guān)函數(shù)為Sk，其表達(dá)式如下：

為便于分析，建立如圖2所示的坐標(biāo)系圖，其合成空間矢量為：

圖1 在線式UPS工作原理圖

式中，定子三相電壓ua、ub、uc與開關(guān)函數(shù)Sk的關(guān)系為：

式中，UDC為SVPWM逆變器輸出的線電壓峰值。

圖2 合成矢量與各坐標(biāo)系之間的關(guān)系示意圖

根據(jù)開關(guān)函數(shù)Sk的取值不同，6個開關(guān)管可以產(chǎn)生8種不同的狀態(tài)組合，分別對應(yīng)8個空間矢量。SVPWM技術(shù)在進(jìn)行扇區(qū)判斷時，需要用到合成的電壓矢量在α軸和β軸上的投影uα和uβ，根據(jù)Clarke變換可得：

求取其投影，可得不同的開關(guān)組合與電壓矢量的投影分量，8種開關(guān)狀態(tài)下的矢量及其分量的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 8種開關(guān)狀態(tài)下的矢量及其分量

由式（4）和表1可知，矢量V1～V6為6個不為零的開關(guān)向量，輸出線電壓峰值相等，均為：

V0和V7都是零矢量，電壓矢量空間由6個非零開關(guān)矢量劃分為6個扇區(qū)。電壓矢量空間的分布用圖形表示如圖3所示，零向量V0和V7位于扇區(qū)的中心。

圖3 電壓空間矢量

設(shè)某合成矢量位于第一扇區(qū)，其相位為θ，模長度為Vr，一個完整的PWM周期為Ts，則其作用效果可用開關(guān)向量V1持續(xù)時間T1和開關(guān)向量V2持續(xù)時間T2來等效，即：

要使PWM逆變器工作在線性調(diào)制范圍內(nèi)，則要求T1+T2≤Ts且T0≥0，將其代入式（8）可得：

對于任意θ值，式（9）都應(yīng)成立，其右邊取下限值后可得：

3 UPS系統(tǒng)的硬件設(shè)計

本文采用DSP數(shù)字處理器設(shè)計UPS控制板電路。系統(tǒng)的主要模塊可分為母線電壓檢測模塊、幅值檢測模塊、SVPWM產(chǎn)生模塊以及過電壓過流保護(hù)模塊。總線電壓檢測模塊如圖4所示，總線電壓經(jīng)RC低通濾波器分壓后送入DSP的ADCINA2，另一條總線的電壓通過逆變器和RC濾波器分接到ADCINA3引腳上進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。

圖4 總線電壓檢測模塊

幅值檢測模塊如圖5所示。該模塊的功能是檢測輸入輸出電壓和電流的幅值，設(shè)計了一種正向單向有源精密探測器，其目的是獲得輸出和輸入信號的幅值，并驗證這兩個信號是否具有明顯的線性關(guān)系，從而避免普通二極管電路引起的非線性失真。

圖5 幅值檢測模塊

SVPWM生成模塊如圖6所示。本文中的UPS采用SVPWM調(diào)制方式來實現(xiàn)脈寬調(diào)制，利用比較器對三角波和正弦波進(jìn)行比較，得出三角波與正弦波的時間間隔作為脈沖寬度。

4 實驗結(jié)果

實驗過程中，利用示波器檢測市電正常與市電突然掉電情況下的波形。若電網(wǎng)異常，系統(tǒng)自動切換為電池逆變狀態(tài)，切換時間小于10 ms，因此可忽略，表明該UPS對電網(wǎng)狀態(tài)檢測響應(yīng)速度快，切換時間短。電網(wǎng)欠壓小于190 V時，UPS輸出由電網(wǎng)轉(zhuǎn)換為電池逆變狀態(tài)，通過逆變器對負(fù)載供電，并利用軟開關(guān)技術(shù)縮短了切換過程，減小了電壓波動。由此可見，UPS系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)速度快，能夠滿足穩(wěn)定性和動態(tài)性能的要求。

圖6 SVPWM產(chǎn)生模塊

5 結(jié) 論

文章完成了基于DSP技術(shù)的在線式UPS設(shè)計。在線式UPS電源在市電正常時先進(jìn)行AC-DC變換，然后進(jìn)行SVPWM調(diào)制和濾波，將直流電逆變?yōu)榻涣麟娤蚧芈返呢?fù)載供電，同時利用軟開關(guān)技術(shù)縮短了切換過程，減小了電壓波動。