单相在线式数字化UPS的设计.docx
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单相在线式数字化UPS的设计
单相在线式数字化UPS的设计
1.引言
UPS是不间断电源(UninterruptiblePowerSupply)的英文简称,是能够提供持续、稳定、不间断的电源供应的重要外部设备。
从原理上来说,UPS是一种集数字和模拟电路,自动控制逆变器与免维护贮能装置于一体的电力电子设备;
从功能上来说,UPS可以在市电出现异常时,有效地净化市电;还可以在市电突然中断时持续一定时间给电脑等设备供电,使你能有充裕的时间应付;
从用途上来说,随着信息化社会的来临,UPS广泛地应用于从信息采集、传送、处理、储存到应用的各个环节,其重要性是随着信息应用重要性的日益提高而增加的。
2.UPS的分类:
UPS按工作原理分成后备式、在线式与在线互动式三大类:
后备式UPS是我们最常用的,它具备了自动稳压、断电保护等UPS最基础也最重要的功能,虽然一般有10ms左右的转换时间,逆变输出的交流电是方波而非正弦波,但由于结构简单而具有价格便宜,可靠性高等优点,因此广泛应用于微机、外设、POS机等领域;
在线式UPS结构较复杂,但性能完善,能解决所有电源问题,其显著特点是能够持续零中断地输出纯净正弦波交流电,能够解决尖峰、浪涌、频率漂移等全部的电源问题;由于需要较大的投资,通常应用在关键设备与网络中心等对电力要求苛刻的环境中;
[4]模块化UPS与传统UPS相比有诸多优点,代表UPS的发展方向之一,但目前还存在成本高,部分产品实际的可靠性并不如理论计算值高,但安全系数已经远远超过传统UPS;对模块化UPS的研究将有利于促进模块化的可靠性提高,从而提高模块化UPS在客户中的认可度,加快模块化UPS的发展。
EAST(易事特)模块化UPS每个模块就是一台独立工作的UPS,功率段齐全可选,高效率低干扰,环保节能,安全系数高。
从上面介绍的UPS种类来看,在线式UPS的性能是最好的,下面设计就选用在线式结构:
<三>系统设计
3.1系统技术性能指标
系统容量系统设计功率3.35KVA
带负载能力系统过载120%运行一分钟
交流输入标称电压220V110%
标称频率50Hz
5%
相数1相
旁路输入标称电压220V
110%
标称频率50Hz
5%
DC系统标称DC电压218V
截止电压165
相数1相
标称电压220V
5%
标称频率50Hz
0.5
交流输出输出波形正弦波
3.2总体设计方案
系统主要由UPS主电路拓扑结构、主控单元、各种系统信号检测电路、保护电路、充电器、逆变驱动、辅助电源、键盘和显示、远程通信接口等电路组成。
3.2.13.75kVA数字化在线式单相UPS的系统总体设计方案:
3.2.2UPS主电路拓扑结构方案:
UPS电源主电路拓扑结构是UPS的功率组成部分。
其山市电输入整流桥B1.直流母线BUS.直流母线限流电阻R1、直流稳压滤波电容C1.1GBT功率逆变桥,输出变压器T1及输出滤波电容C2等电路组成。
其中由四个绝缘栅极型晶体管IGBT组成的逆变桥(S1-S4)和输出变压器T1及输出滤波电容C2组成的UPSiE
弦逆变电源是UPS设计中的主要被控对象
3.2.3主控制单元组成方案
其相应的功能组成如下:
(1)产生驱动IGBT模块的脉冲信号
(2)对IGBT模块进行瞬时保护
(3)使UPS输出电压稳定、改善UPS输出波形
(4)对电池状态及充放电参数进行监控
(5)与外围接口电路(CPLD)一起共同完成键盘输入与LCD显示功能
(6)提供UPS系统运行状态的远程监控接口
3.3系统主要元、部件参数选择与设计
3.3.1电力电子模块
电力电子模块是构成UPS逆变器的关键部件之一,它的质量优劣对系统性能影响较大。
以本设计功率335KVA计算,输出功率因数为0.8,直流母线电压大约为220V,则需选择的电力电子模块的主要参数如下:
(1)BVceo(器件击穿电压)
BVceo=(3-4)V,
=(3-4)x11OV
=330-440V
上面等式前的系数是考虑了系统3-4倍的裕量,,Va取110V是因为一个桥臂上有两只电力电子器件串联共同分压。
根据计算,选择BVceo为V600.
(2)Icat(最大通流电流)
1cm=Po/&E
考虑到蓄电池放电终了时,仍能维持满载输出:
另外考虑到占空比S为0.3时,也能维持满载输出,则
Icm=3xl000/(0.3xl6xl0.5)=60A
3.3.2主控芯片模块
考虑到数字化控制系统的快速性,方案中所选DSP主控芯片为TI(Texas
Instruments)公司的TMS320LF2407芯片,它具有高速信号处理和数字控制功能所必须的结构特点:
(1)40MHz的内部时车.下卜,指令周期仅为25ns;
(2)高达32K的FLASH程序存储空间;
(3)16K字x16位的闪速EEPROM(FLASHEEPROM);
(4)两个事件管理模块(Event-ManagerModule)
。
12路CMP(PWM输出);
。
3个16位定时器;
。
3个具有死区控制的16位全比较单兀,3个16位单比较单元;
(5)十位A/D转换器(最小转换时间仅为500ns);
3.4控制器的设计原理与设计过程
3.4.1控制结构原理:
为了结合实际设计的情况、简化设计,我在上述分析上述各控制器策略的
基础上,将数字伺服系统的控制原理运用于单相UPS正弦逆变器控制设计中,设
计了自己的单相UPS正弦逆变控制器。
其设计的基本思想是:
将UPS的逆变电源看作一个参考正弦波的随动系统,即其输出始终跟随标准正弦波,设计中将控制系统中分为内、外两环。
在被控对象数学模型分析中,将输出负载电流视为对系统的扰动,通过内环状态反馈来消除扰动.实现输出的稳定,减少输出电压的总谐波畸变率(THD),同时根据数字无差拍控制的原理通过状态反馈将系统极点配置在零点,以实现输出对参考正弦波的快速跟随,从而提高系统的动态响应性能,实现系统的无差拍响应
.在三外环路的控制中,利一个简单的积分器来消除系统输出的睁态误差,从而提高了系统的静态响应性能。
综合上述,单相UPS逆变控制器结构原理图如图:
图中的E为直流母线电压和输出变压器的变比之积,相当于全桥逆变模块(此时的输入为PWM平均电压输入)和输出变压器对控制量的功率放大单元。
将反馈电压衰减220万倍一方面是为了作归一化处理,另一方面相当于逆变输出电压检测中对反馈信号进行的降压处理。
r(k)为单位参考正弦波。
图中可以看出,此控制器由两部分组成。
一是由状态反馈组成的内环,它的作用在于对系统的镇定(无负载的情况下)和减少负载电流对输出电压的影响,从而达到稳定输出电压,提高系统动态响应性能的目的;系统的外环是由输出反馈与一个误差积分器组成的。
积分器的作用相当重复控制器的作用,用以减少系统的静态误差同时稳定系统输出频率及相位。
之所以没有使用重复控制器,是因为积分器的结构简单却能得到令人满意的效果。
由闭环状态反馈系统图可得,系统的输入方程为:
令
则积分器的方程为:
于是:
同理可推得:
对于整个闭环系统,可以得到下列状态方程和输出方程
式中
所以,如何来确定参数K和K:
是控制系统设计的关键.对于阶跃输入r(k)=r响应,当k趋向无穷大时,x(k),v(k),io(k)趋向常数。
将k=
。
代入上述状态方程,可得
定义:
则由式3,27和式3.29可得
定义:
则3.31式可以改写为
式中
方程式333与3.34表现为标准的状态空间方程形式,如图3.12所示。
其有两个输入端,一个是系统自身的状态反馈;另一个是负载误差电流,其相当于系统的干扰输入项。
根据状“态反馈IC矩阵是基于由干扰引起的误差很快减小到零的原则建立的
”这一原理,增益矩阵K可以用极点配置方法求出。
闭环状态反馈系统图
数字控制系统的无差控制原理指出,当将系统的极点配置在原点时,系统的响应是无差拍的
。
这样,期望的状态反馈增益矩阵无可以由Ackermann公式得到:
进而可以求得UPS正弦逆变控制系统的参数K,Ki.
3.4.2系统控制执行电路
UPS系统组成中,为完成一定的控制功能,必须备有一套系统控制执行电路。
系统电源启动电路图
图5.9为系统电源启动电路.当图中RUN与OFF相互短接时,引起Q9导通
进而Q4,Q5导通,系统工作电源启动。
二极管D23送出直流电池电压。
系统电源关断电路图
由于UPS在电池供至电放电终了时,整个系统必须关机;因此系统电源开启后应能被控制关断。
当控制器检Aa到电池电压低时(低于165v),送出BATLL电池电压低信号,经比较器U15放大触发U13复位。
触发器U13的友泣将使月图cnGti的光祸U1TLP521的3,4脚导通从而关断Q9关断,进而Q4,Q5也被关断,系统供电中止。
3.5小结:
本文基于数字伺服控制算法的UPS正弦逆变器控制策略,进而提出了一套基于DSP的单相在线式数字化UPS的设计方案与设计方法.为提高UPS正弦逆变输出的静态响应性能,在系统外环控制中加入积分控制以降低UPS逆变输出与参考指令正弦波之间的静态误差、改善和提高UPS系统输出的静态响应性能,,以提出的控制算法为基础,提出了以DSP芯片TMS320LF2407,芯片、UPS正弦逆变伺服控制算法为主控制算法的UPS正弦逆变控制器的硬件实现方案,并对控制器的硬件设计过程作了详尽的描述.
<四>总结:
通过这次电力电子技术的课程设计,增强了自己利用internet检索文献资料的能力,以及独立思考,分析和筛选对自己有用的资源的能力,在这一周的设计中,我拜读了很多的优秀的论文,从中学习了相当多的思想和理念,进而提高了自己的课程设计报告撰写水平,为以后在撰写论文表达能力上打下了坚实的基础.
<五>附录:
UPS总体结构电路图
<六>参考文献
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重庆大学出版社,2003
[7]童诗白等.模拟电子技术基础(第3版).北京:
高等教育出版社,2003
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TheSecondPowerInternationalConferenceonMachineLearningandCybernetics(ICMLC2003).Xi'anCHINA:
IEEE,Nov.2003,888-892
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机械工业出版社,1997,254-271
[33]冯国楠.现代伺服系统的分析与设计.北京:
机械工业出版社1990,63-68
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