一種在線式不間斷逆變電源裝置的設計

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

圖2為逆變部分主回路原理圖，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。現在好多 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。