毕业设计论文数字化电力UPS系统设计

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1、摘要随着以计算机网络技术、现代全球化通信技术为核心的信息产业的飞速发展，以计算机和通信等设备为代表的非线性负载使用得越来越来广泛。这些非线性负载在运行过程中会对电网造成“谐波污染”，使电网的供电质量恶化，同时，这些非线性负载对供电的质量要求很高。不间断电源装置(UPS)能够为这些设备提供高质量、高可靠性的交流电源。 在各种UPS中，在线式UPS的性能最好，能够提供失真度小、稳定、纯正的正弦波电源。便宜的DSP芯片的飞速发展，简化了电路并且实现了数字化控制。下面主要介绍了基于DSP控制芯片的数字化在线式UPS的设计方法。首先介绍了在线式UPS主电路的结构特点。在线式UPS大致可分为4个控制阶段:

2、交流输入的PFC控制(AC-DC )，逆变输出控制(DC/AC)，电池的充电控制和升压控制。为了安全，在输入和输出端加上隔离器。关键词：UPS DSP数字控制Abstract With the fast development of the information trade based on Internet and the modern global communication, more and more nonlinear loads are used, such as computers and communication devices. These nonlinear loads

3、 will generate “harmonious waves pollution” and deteriorate the power quality of the powernetwork. But these nonlinear loads request high quality of power. Uninterruptible Power Supplies can offer the high quality and dependability AC power for these loads.Among all kinds of UPS the online UPSs capa

4、bility is the best. The online UPS can supply the steady and pure sine wave power with little distortion. The high speed and cheaper DSP control chips make it possible to predigest the circuit and realize the digital control. This paper introduces a method to design a full digital online UPS based o

5、n DSP control chip. The control of the online UPS is can divided into four stages: the PFC control of input (AC to DC), the invert control (DC to AC), the batterys charge and discharge control. For the sake of the safety, Install the Transformer in the input and output. Keywords: Uninterruptible Pow

6、er Supplies digital signal processorfull digital Pulse Width Modulation repetitive control。目 录第一章 绪论 51.1 概述51. 2 UPS的发展和分类51.2.1 UPS的发展 6 1.2.2 UPS的分类 61.3 UPS的电气性能指标及在线式UPS的优良电气特性91.4 本文选题的意义 11第二章 系统的设计原理 12第三章 整流电路 143.1 整流部分 143.2 滤波部分 17第四章 逆变电路 204.1 逆变电路概述 204.2 PWM控制方式 4.3 脉宽调制 224.4谐波分析 23

7、4.5数字SPWM的实现254.5.1数字PWM产生机制254.5.2数字PWM分辨率264.5.3数字SPWM的发生原理 274.6 死区对逆变器输出电压影响分析 284.6.1死区效应分析284.6.2死区效应的补偿29第五章 电池充电环节第六章 结束语和展望谢辞参考文献 第一章 绪论1.1 概述当今时代，计算机技术迅速发展，计算机已广泛地被应用到电力、通信、银行、化工、军事等各行各业。尤其是计算机网络和电信网络有机的结合在一起的第三代互联网的兴起，其必将承担起向国民经济各个重要领域提供365 x 24小时的高可靠、高安全度和高速的信息资源服务(由于高速光纤传输骨干网的建立，当今网络的传输

8、率己从几年前的Mb/s级提高到了Gb/s级)。这些网络数据交换中心必须提供尽可能大的数据吞吐量，必须具有足够的带宽传输性，以便向终端用户提供高速、高效的互联网信息增殖服务。要求网络数据交换中心在执行数据的处理、存储和运输的过程中，其误码率应该尽可能低，以便向终端用户提供连续和准确无误的信息资源。而现代工业的发展使供电网络的负载越来越复杂，特别是大型用电负载的启动和停止，大型可控电力电子设备的应用以及网络内部噪声会使交流正弦波发生畸变。另外，自然界的雷电，电网的接地不良等因素均影响到电网的供电质量。由于以上因素的影响，可能会导致接在电网上的计算机设备，包括通信、医疗等精密的工业仪器设备发生失控、

9、丢失数据、停机、损坏等严重后果，直接影响到用户的正常工作，造成经济损失或其他严重事故。如何解决这些市电问题，正是UPS (Uninterruptible Power Supply)不间断电源的责任所在。UPS不仅具有输出电源的不间断性，同时还具有输出电压稳定、精度高、工作频率稳定、波形纯净等特点。大量运行实践表明，UPS供电系统提供的逆变器电源的质量高低是影响互联网能否向广大用户提供高速，可靠，安全的365x24小时“全天候”的互联网增值服务的关键因素之一。因此，适合现代科技发展的高质量、高可靠性UPS不间断电源的研究就成为人们十分关注的课题。1. 2 UPS的发展和分类1.2.1 UPS的发

10、展最初的UPS电源是在二十世纪六十年代出现的靠电动机所带飞轮惯性提高输出电源的质量和提供后备供电时间(一般不超过5秒)；然后出现了以蓄电池组供电给直流电动机带交流发电机提供后备电源的供电系统，这种方式供电效率较低；再后来是靠内燃机提供后备供电的UPS电源，这种UPS设备庞大笨重、操作不够灵活、而且效率低、噪声大。这些都是动态方式的UPS电源。随着电力电子学的发展，可实现大功率的电能转换，于是出现了静态UPS,这种UPS具有没有振动、噪音低、体积小、控制灵活、效率高等优点，现代UPS基本上都是静止型的。随着电力电子技术微电子技术的飞速发展，UPS技术也正在朝着高频化、绿色化、网络化和智能化的方向

11、不断前进，具体表现在:a)采用IGBT.智能功率模块IPM或IGCT等作为功率器件，改善了逆变器性能，如降低噪声、减小体积。b)采用如SPWM调制技术、空间矢量脉宽调制技术(SVPWM)、提高电压利用率的准优化PWM技术以及用于高压高频的HVSOPWM技术等。c)在主功率部分与控制方式相结合采用软开关技术。软开关技术的应用使逆变器具有更高的效率自身损耗大大降低，更高的功率密度自身体积、重量大大减小，以及更高的可靠性；并可有效地减小电能装置引起的电磁污染(EMI)和环境污染(噪声等)。d)输入端采用功率因数矫正技术(PFC)减小了UPS对电网的污染并提高了效率。e)使用高性能微处理器和信号处理技

12、术控制和监视UPS运行并进行网络通信。全数字化易于实现计算机的处理和控制，便于修改策略、修改控制参数，便于故障监测、自诊断、容错、通信等技术的植入。同时大幅度的减少了元器件的数量，提高了装置的可靠性。f)采用网络化管理，使用户能更方便的、实时的监控UPS系统的运行。g)采用双机或多机并联冗余技术组成UPS系统，大大提高了可靠性。1.2.2UPS的分类现代UPS的型号、品种很多，工作方式也各不完全相同，大体上可分为三大类：在线式、后备式和三端口方式。1.在线式UPS (On-Line UPS, Inverter Preferred UPS) 图1-1在线式UPS原理框图图1-1为在线式UPS的原

13、理框图。在线式UPS无论市电是否正常，其功率流程都是“市电EMI (Electro Magnetic Interference)滤波整流滤波(掉电时为电池) 逆变器静态开关输出”。只有当逆变器发生故障或过负荷时，才通过静态转换开关切换到市电旁路，其功率流程是“市电EMI滤波静态开关输出”。有的用户还备有柴油发电机，可以在市电停电510秒之内投入到UPS电源的输入端，可以在长时间停电的情况下向用户提供高质量的正弦波电源。图1-1只是在线式UPS的大体框架，有几种不同设计:有的UPS将充电器部分和整流滤波部分设计成一个单元，既为逆变器提供负载电流，又为电池充电；有的UPS将进入逆变器的直流电进行D

14、C/DC变换，升压后再经逆变器变换成要得到的220V交流电；有的UPS则在逆变器后加变压器将输出交流电压升到220V.2.后备式UPS (Off-Line UPS, Line Preferred UPS) 图1-2后备式UPS原理框图后备式UPS的原理结构和在线式基本一样，但工作方式不一样。市电电压在170-264V的范围内时，它向用户提供经变压器抽头调压处理的一般市电电源，仅当市电电源电压低于170V或高于264V时，才向用户提供真正的逆变器输出的高质量的正弦波电源。还有一种逆变器输出是方波的后备式UPS,这种电源不允许用户使用电感性负载。3.三端口UPS (Delta UPS, Inter

15、active UPS)图1-3 三端口UPS原理图三端口UPS如图1-2所示，它的结构与在线式和后备式不同。市电正常时，市电经滤波稳压后通过三端口转换开关(有的是三端口变压器)分别给输出和双向变换器，双向变换器整流给电池充电:当市电掉电时，双向变换器逆变经三端口转换开关给负载供电。三端口UPS又分成在线互动式、Delta变换型和三端口结构方式。在线互动式当电源电压在180240V时，直接供电，在150180V或240276V时采用变压器抽头稳压方式稳压，其余范围采用逆变器供电；Delta 变换型在电源电压波动小于15%,频率波动小于3HZ时采用串联补偿变压器交流稳压控制技术方式稳压，其他范围使

16、用逆变器供电；三端口结构方式利用铁磁谐振变压器的谐振原理稳压。可以看出它们只是稳压方式不同，但有一个共同点:都有一个双向变换器在市电正常时整流给电池充电，市电质量差到一定程度时逆变给负载供电。1. 3 UPS的电气性能指标及在线式UPS的优良电气特性一个合格的UPS产品，要符合一定的性能指标.了解了UPS的各项电气指标，才能根据要求开发研制出合格的、高质量的UPS。具体的UPS的电性能分为以下4个：(1)对电网的适应能力.所配置的UPS必须能够在当地的电网条件正常工作，并且不对电网产生不良的影响。具体表现在以下几方面:允许电网电压幅值变化的范围；允许电网电压频率变化的范围；允许电网的不平衡度(

17、三相)和波形失真度；UPS输入功率因数；UPS输入电流的谐波成分。其中1至3项是要求UPS适应电网的能力，4和5项是要求UPS不去干扰电网。(2) UPS满足负载要求的输出指标。这些指标包括:输出电压的稳定精度；输出电压的波形失真度；输出电压的不平衡度；输出电压的频率稳定度；市电掉电时的转换时间；市电掉电后的继续供电维持时间；抗干扰配置和抗干扰功能。(3) UPS的输出能力和可靠性。输出能力指标是负载的要求，直接反映了UPS的可靠性，是UPS可靠性的量化指标。这些指标包括:运行效率；输出电流峰值系数(周期性峰值负载)；输出电流浪涌系数(非周期性峰值负载)；输出过载能力；输出功率因数；冷启动能力

18、。(4)智能管理和通信功能。自动检测、显示、报警，以及运行参数的设置功能；本地智能管理接口(串口RS232)；网络管理，专用电源监控软件；网络通讯，支持基于TCP/IP之上的信息传递；基于公用网通讯，支持基于公用电话网的信息传递.以上是UPS各项性能指标及其具体的表现形式。对于一个良好的UPS系统必须完全符合以上的标准，否则将给用电设备和电网造成不利的影响。本论文所关心的指标是输出电压稳定性、精度和波形的失真度，输入的功率因数和波形的谐波含量。以700W功率的UPS为例，后文都是指700W的UPS.后备式UPS要求的输入电压和频率分别是:220V25%, 50Hz/60Hz10%；在线互动式U

19、PS要求的输入电压和频率分别是:165V280V, 50/60Hz10%；在线式UPS要求的输入电压和频率分别是:220V25%, 50Hz/60Hz10%。后备式UPS和在线互动式UPS在由市电供电时，市电是直接或经过变压器抽头调压后提供给用电设备，输入的功率因数和输入电流的谐波成分完全由用电设备的性质决定，非线性的负载，如计算机，很容易造成大量的谐波；在线式UPS在输入端对市电进行的AC/DC控制有功率因数校正，输入的功率因数一般在0.8以上，高的可以达到0.99。从比较中可以看出，随着发展，三种UPS对电网的适应能力相差不大，但是对电网的谐波污染，在线式UPS却是最小的，体现了“绿色”U

20、PS的思想。后备式UPS的输出电压为220V20%，由市电供电时输出频率是市电的频率50Hz/60Hz10 %，由逆变器供电时输出频率为50Hz/60Hz0.5 %，掉电的转换时间是l0ms；在线互动式UPS的输出电压为220V10%，在由市电供电时输出的频率为市电频率50Hz/60Hz0.5 %，掉电的转换时间小于l0ms；在线式UPS的输出电压为220V2%,输出的频率为50Hz/60Hz0.5 %，掉电可以实现零时间转换。在线式UPS内部采用了高频SPWM技术(20KHz至40KHz)，从逆变器所输出的电压波形具有非常标准的正弦。输出波形的谐波成分与SPWM波的频率成反比，高频的SPWM

21、波保证了输出电压最少的包含谐波，使输出的波形失真度最小。从输出的电压指标看，在线式UPS的性能大大优于后备式和在线互动式。此外，在线式UPS在可靠性方面也有很大的优越性。综合以上诸多方面，可以看出在线式UPS优越的电气性能，这在很大程度上对用电设备起了保护作用。这是在线式UPS应用广泛的原因。 1.4 本文选题的意义电力电子技术是一门边缘交叉学科，它的发展进步是和半导体器件、电力变换技术、现代电子技术以及自动控制技术等多门学科的发展密不可分的，它必须不断地从其它相关学科吸取先进的思想、方法和手段，不间断电源(UPS)作为电力电子的一个典型应用同样如此。UPS电源系统的主功率拓扑固然重要，然而控

22、制部分对其整体性能的影响也是关键的，如果说主功率拓扑是骨骼和肌肉，那么控制电路和软件则好比是神经系统，它们之间是互相依存的。UPS主功率拓扑方面的研究己日趋成熟，为了进一步增强、提高UPS的性能，加强其控制方面的研究十分必要。由于数字控制较之模拟控制具有很大的优越性，UPS的控制正在逐渐从模拟控制向数字控制转变。然而UPS的数字控制作为新生事物还不十分成熟，许多问题还有待研究和解决，要在真正意义上实现对UPS的全数字控制并全面取代模拟控制，还需进行大量的研究工作。这些工作包括: (1)对开关功率变换的离散数学模型进行更深入的研究；(2)研究适合UPS控制的先进控制算法；(3)提高数字控制芯片的

23、运算速度和采样精度；(4)解决高频功率开关带来的干扰等等。逆变器输出电压的质量在很大程度上决定了整个UPS电源系统的性能，所以逆变器的控制非常关键。UPS逆变器控制的基本目标是:(1)减少输出电压的谐波畸变率，特别是在非线性负载下的总谐波畸变率；(2)提高输出电压的稳定度，包括幅值和频率；(3)提高系统的动态响应速度；(4)提高系统抗过载能力和抗负载冲击能力；(5)可多机并联运行以实现冗余式UPS供电系统。目前，国外在UPS逆变器的数字控制方面研究的比较多，并且已经将其应用到UPS产品中去，相对而言，国内在这方面的研究比较晚，能将逆变器的数字控制技术运用到成熟的UPS电源系统中去的几乎没有。加

24、强UPS逆变器数字化控制方面的研究，采用先进的控制方法，提高UPS电源的性能指标和可靠性，使其更具市场竞争力，这对于促进国内UPS电源产业的发展具有十分重要的现实意义。 第二章 系统的设计原理本文主要研究在线式UPS的控制方案，以下叙述的UPS都是指在线式UPS.市电电源首先经过滤波器将来自电网的电磁干扰进行抑制和衰减，此后对经过过滤的市电分四部分进行控制:PFC环节控制，逆变输出控制，电池充电控制，电池升压控制。其中PFC控制环节包括功率因数校正、整流、升压三个任务。在线式UPS系统中有两条输出通道:一条是直接旁路输出通道，另一通道是要经AC-DC. DC-AC两个变换后的正常输出通道，在未

25、开机时旁路通道是闭合的。控制微处理器通过输入电压、电流检测电路得到输入市电的电压、电流值，通过相位、频率检测电路得到市电波形的当前频率和相位。在市电电压保持在正常范围内:160V280V，且市电的频率是在正常的范围：45Hz55Hz，UPS对输入的市电进行功率因数校正、整流、升压后得到较高的总线直流电压，后续的逆变环节利用SPWM控制技术对总线直流电压进行调制、滤波，最后输出的是220V的标准交流正弦波。着技术提供给用户的高质量电源。当UPS出现故障，严重过载，或电池组电压过低时，UPS工作在旁路方式，市电不经过任何变换直接供给用户。由于要在旁路通道和正常通道之间切换，就要保证输出电压的波形在

26、输出前后能够很好的衔接起来，不能有突变，包括频率、相位、衔接点瞬间电压值的突变。也就是要进行锁相的控制。否则将在电路中出现回流，影响用电设备的安全。微处理器通过频率、相位检测电路测得市电当前的频率大小和相位，确定频率在正常范围内，然后调整逆变器的参考电压波形的频率和相位，使参考电压波形的频率与市电频率保持一致。由于逆变器的参考电压波形与逆变器实际输出的电压波形间并不是同相位的关系，两者之间有相位差，所以在调整逆变器参考电压波形和市电波形的相位关系式时，要有一相位差，这个相位差根据实际情况确定。这时切换供电通道，不会出现相位、频率突变的问题。为了防止切换点瞬间电压值的突变，一般都采用在过零点时切

27、换的方法，也就是当输出的交流波形从正值变化到负值，或从负值变化到正值的瞬间，启动转换开关，则切换前后的两个波形就很好的衔接起来了。当市电突然中断、或市电电压超出UPS输入的规定范围、或市电的频率不正常时，就转换到电池供电方式。电池组是UPS必备的一个后备供电设备。电池组的储能限制使电池供电时间是有限的，一般在带满载时为715分钟，这一段时间使用户能够有充足的时间完成数据存储、关机等应急措施。由于电池组的电压较低，需要对其进行斩波升压的DC-DC变换，然后才供给总线电压，再由逆变器输出正弦交流电。在电池组的电能释放到一个较低的值时，为了保证电池组的寿命，就关闭UPS的输出，此时电池组只提供辅助的

28、直流电源。这以后的一段时间内，UPS等待市电的重新供电。如果在此段时间内市电又重新接通，则UPS又自动进入到正常的工作方式，同时为电池组充电。如果在规定的等待时间内市电一直没有重新接通，UPS就把整个UPS都关掉，包括微处理器的电源.否则，电池组由于要提供辅助的直流电源，储存的电能不断的减少，如果市电一直没有重新接入，电池组的电能会无限制的释放，这会严重的损坏电池组。即使以后对电池组充电，也不会恢复电池的电能，这时，电池己损坏要更换新的电池组。为了保证每次市电中断时，UPS都能够提供后续供电，就要保证电池组的正常。这就是一般UPS开机时都要对电池进行检测的原因，如果电池组不正常，启动时UPS不

29、会进入工作状态，直到更换了电池组。在市电正常的时候，UPS通过充电电路对电池组进行充电，使电池组保持足够的电能。利用操作按钮，用户可以方便的进行开、关UPS的操作。UPS还要有一些保证其正常工作的故障诊断及保护系统。比如，UPS温度过高时，要启动风扇降温；负载过大时，要启动蜂鸣器报警，并闪烁表示负载过大的发光二极管，必要时关闭UPS的输出；电池组不正常时，也要报警；在电池组供电的工作状态时，要定时的鸣叫蜂鸣器，不断的提醒用户。等等。这些都是一个完善的UPS的有机部分。本文主要研究的是UPS的主电路的整流、逆变和电池充电过程，其它的辅助控制不在考虑范围内。 第三章 整流电路 整流是UPS中首先遇

30、到的一个重要环节。它的作用是将电网提供的交流电压（通常为220V，50Hz）转换成幅值稳定的直流电压，同时提供一定的直流电流。这个转换一般可分为以下几个部分来实现： 变压器整流电路滤波电路稳压电路 因为所需的直流电压比起电网提供的交流电压在数值上相差较大，也因为电网电压比较高，所以用变压器降压（升压）和作为隔离器保护安全。整流部分的作用是将经过变压器变压的交流电变换成单方向的直流电。滤波电路可以将整流出来的脉动大的直流电中的交流成分滤去，只留下直流成分，显然，需要利用的是截止频率低于整流输出电压基波频率的低通滤波电路。这样，经过整流滤波电路后可以得到较光滑的脉动小的直流电。最后，在某些情况下，

31、还可以加上稳压电路，使输出不受电网电压波动和负载变化的影响。得到基本上不受外界影响的、稳定的直流电。3.1整流部分 PWM整流器根据主电路中开关器件的多少可以分为单开关型和多开关型；根据输入电源相数可以分为单相PWM整流电路和三相PWM整流电路；根据输出要求可以分为电压源型和电流源型。下面介绍几种常见的三相PWM整流电路的拓扑结构并简要分析它们的工作特性。3.1.1三相单开关PWM整流电路三相单开关PWM整流器的主电路拓朴结构主要有如下几种:1.单开关Boost型（升压型）图3.1 三相单开关Boost型电路如图3.1所示，其中输出电压恒定，工作于电流断续模式（DCM），这种电路结构简单，在P

32、WM整流电路中应用广泛。单开关Buck型（降压型） 图3.2三相单开关Buck型 电路如图3.2所示，与升压型成对偶关系，其输出电流恒定，输出电压较低，工作于断续电流模式（DCM）。3.1.2三相多开关PWM整流电路三相多开关PWM整流器的主电路拓扑结构主要有如下几种:六开关Boost型 图3.3三相多开关Boost型 亦称为两电平电压型整流器或三相桥式可逆PWM整流器。电路如图3.3所示，每个桥臂上的可关断开关管都带有反并联二极管，可以实现能量的双向流动。以A相为例予以说明：当A相下桥臂中的开关管导通时，A相储能电感储能；当其关断时，A相电感储能通过上桥臂的二极管向直流侧释放磁能。因此，从广

33、义上讲，这种桥式PWM可逆整流器拓扑，仍属于升压式结构。六开关Boost型PWM整流器的特点是结构简单且宜于实现有源逆变，因而是目前应用和研究最为活跃的一种类型，也是多开关PWM整流电路中应用最为广泛的一种。六开关Buck型图3.4三相多开关Buck型也可称为两电平电流型整流器，电路如图3.4所示，直流侧电抗器一般要求很大。由于电流型变换器的特点，交流侧输入LC滤波器通常是必不可少的，以改善电流波形和功率因数。这种电路拓扑较适合于空间矢量调制，且有降压作用。其缺点是直流侧大电感内阻较大，消耗功率较大导致其效率略低于六开关Boost型。三电平PWM整流电路图3.5 三电平PWM整流电路 在大功率

34、PWM变流装置中，常采用拓扑结构如图3.5所示的三点式电路，这种电路也称为中点钳位型(Neutral Point Clamped)电路。与两点式PWM相比，三点式PWM调制波的主要优点，一是对于同样的基波与谐波要求而言，开关频率低得多，从而可以大幅度降低开关损耗；二是每个主开关器件关断时所承受的电压仅为直流侧电压的一半，因此，这种电路特别适合于高电压大容量的应用场合。不过三点式PWM可逆整流器的缺点也是显而易见的，一方面其主电路拓扑使用功率开关器件较多，另一方面，控制也比两点式复杂，尤其是需要解决中点电位平衡问题。从上面的分析可以知道，单开关主电路拓扑结构的共同优点在于：控制结构简单，易于实现

35、，且电源可靠性高；缺点在于其应用场合受到开关器件的影响，开关器件的耐压水平高低和开关频率的高低限制了这种电路的应用，其主要应用于中小功率的变频器或UPS电源。与单开关结构的PWM整流器相比，多开关PWM整流电路的共同优点在于功率因数高，谐波失真小，可实现能量的双向流动，调节速度快，应用范围宽，主要应用于中大功率场合。缺点也很突出，诸如电路结构复杂，控制难度大，而且需要检测和控制的点较多，提高了控制成本；器件的增多也降低了系统的可靠性。但由于其性能指标要高于单开关结构的PWM整流器，且可实现能量的双向流动，是很有发展前途的拓扑结构。 本文就采用了三相多开关boost型的整流电路。3.2滤波部分经

36、过整流后的输出电压离所要求的平滑直流状态还相差甚远，因此还要有滤波的措施。滤波电路包括有源滤波和无源滤波。由无源元件电阻、电感和电容组成的滤波电路称为无源滤波电路。由放大电路和RC网络组成的为有源滤波。与无源滤波相比，有源滤波的优点主要有：1，由于不使用电感元件，因此体积小、重量轻，也不需要加磁屏蔽。2，有源滤波电路中的集成运放可加电压串联负反馈，使输入阻抗高，输出阻抗低，输入和输出之间具有良好的隔离，因此只要将几个低阶滤波电路串接起来，就可以得到高阶滤波电路，一般不需要像LC无源滤波电路那样考虑级间相互影响。3，除了起滤波作用外，还可以将信号放大，而且放大倍数容易调节。其缺点主要有：1，由于

37、通用型集成运放的带宽一般较窄，因此有源滤波电路通常不宜用于高频范围，一般使用频率在几十赫兹以下。当频率高于10KHz时，采用LC无源滤波可以获得较好的效果。2，因为采用有源器件，所以必须设置提供能量的直流电源，有源滤波电路才能正常工作。它无法像无源滤波电路那样容易做成浮置式。3，可靠性较差。4，不适合在高压或大电流条件下使用。 在电源设备中的滤波电路是要抑制所有的交流成分只保留直流成分，由于电源设备经常需要提供较大的电流或输出较高的电压。而利用集成运放组成的有源滤波不能适应，所以使用由无源元件组成的滤波电路。下面介绍一个电容滤波电路：图3.6电容滤波器 图3.6为单相桥式整流、电容滤波电路。在

38、分析电容滤波电路时，要特别注意电容器两端电压Vc对整流元件导电的影响，整流元件只有受正向电压作用时才导通，否则便截止。负载RL未接入（开关S断开）时的情况：设电容器两端初始电压为零，接入交流电源后，当v2为正半周时，v2通过D1、D3向电容器C充电；v2为负半周时，经D2、D4向电容器C充电，充电时间常数为：其中Rint包括变压器副绕组的直流电阻和二极管D的正向电阻。由于Rint一般很小，电容器很快就充电到交流电压v2的最大值 ，极性如图3.6所示。由于电容器无放电回路，故输出电压（即电容器C两端的电压vC）保持在 ，输出为一个恒定的直流，如图3.7中wt0（即纵坐标左边）部分所示。接入负载R

39、L（开关S合上）的情况：设变压器副边电压v2从0开始上升（即正半周开始）时接入负载RL，由于电容器在负载未接入前充了电，故刚接入负载时v2 Vc时，二极管D1、D3受正向电压作用而导通，此时v2经二极管D1、D3一方面向负载RL提供电流，另一方面向电容器C充电（接入负载时的充电时间常数tc =( RL|Rint)CRint C很小），Vc将如图2中的bc段，图中bc段上的阴影部分为电路中的电流在整流电路内阻Rint上产生的压降。Vc随着交流电压v2升高到接近最大值 。然后，v2又按正弦规律下降。当v2 uc时使V4通，V3断，uo=Ud当uruc时使V4断，V3通，uo=0在ur负半周，V1保

40、持断，V2保持通当uruc时使V3断，V4通，uo=0虚线uof表示uo的基波分量双极性PWM控制方式（单相桥逆变） 图4.5 双极性PWM控制方式波形在ur半个周期内，三角波载波有正有负，所得PWM波也有正有负。在ur一周期内，输出PWM波只有Ud两种电平。仍在调制信号ur和载波信号uc的交点控制器件通断。ur正负半周，对各开关器件的控制规律相同当ur uc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号如io0，V1和V4通，如io0，VD1和VD4通， uo=Ud当uruc时，给V2和V3导通信号，给V1和V4关断信号如io0，VD2和VD3通，uo=-Ud4.4谐波分析PWM逆变电路可以

41、使输出电压、电流接近正弦波，但由于使用载波对正弦波调制，也产生了和载波有关的谐波分量。这种谐波分量的频率和幅值是衡量PWM逆变电路性能的重要指标之一，因此必须对PWM波形的谐波进行分析。分析方法：不同信号波周期的PWM波不同，无法直接以信号波周期为基准分析，以载波周期为基础，再利用贝塞尔函数推导出PWM波的傅里叶级数表达式，分析过程相当复杂，结论却简单而直观。单相的分析结果 图4.6 单相PWM桥式逆变电路输出电压频谱图图4.6，不同a时单相桥式PWM逆变电路输出电压频谱图谐波角频率为 式中，n=1,3,5,时，k=0,2,4, n=2,4,6,时，k=1,3,5, 在上述谐波分量中，幅值最高

42、影响也最大的是角频率为wc的谐波分量。要滤除输出波形中的谐波分量，只保留基波分量，采用LC低通滤波。可以达到目的。三相的分析结果公用载波信号时的情况，输出线电压中的谐波角频率为 ： 式中，n=1,3,5,时，k=3(2m-1)1，m=1,2,；n=2,4,6,时，图4.7 三相桥式PWM逆变电路输出线电压频谱图图4.7，输出线电压频谱图和单相比较，共同点是都不含低次谐波，一个较显著的区别是载波角频率wc整数倍的谐波没有了，谐波中幅值较高的是wc2wr和2wcwr.SPWM波中谐波主要是角频率为wc、2wc及其附近的谐波，很容易滤除。当调制信号波不是正弦波时，谐波由两部分组成：一部分是对信号波本

43、身进行谐波分析所得的结果，另一部分是由于信号波对载波的调制而产生的谐波。后者的谐波分布情况和SPWM波的谐波分析一致。4.5数字SPWM的实现4.5.1数字PWM产生机制DSP要实现对逆变器的数字控制，关键是解决数字PWM的发生。模拟PWM是用三角波和控制信号进行比较产生PWM信号的；数字PWM采用定时器和数字比较器来实现，其中定时器用来产生锯齿波或对称三角波，数字比较器决定输出信号的高低电平。上述两种方式实现的基本原理是一样的，但是数字PWM有其独特之处，下面对其进行分析。 图4.8 数 字 PW M 发 生 原 理图4.8表明了数字PWM的发生原理，其中(a)为非对称PWM发生原理图，高频

44、载波为锯齿波；(b)为对称PWM发生原理图，高频载波为对称三角波。DSP芯片TMS320F240内部集成了上述两种数字PWM发生模块。非对称PWM的发生原理是：定时器1从0开始递增计数到一个设定的周期值 T1PR(定时器1的周期寄存器)，然后重新从0开始计数，如此反复。DSP程序中可以设定一个比较值CMPRx，当定时器的计数值和比较值相等时，设定为高有效的PWM口输出高电平，设定为低有效的PWM口输出低电平；当定时器计数到周期值时，高有效的一路输出低电平，低有效的一路输出高电平，这样就产生了两路互补的PWM信号。对称PWM的发生原理是：定时器1从0开始递增计数到周期值T1PR，接着从T1PR递

45、减计数到0，然后开始下一个周期。对于高有效的那一路PWM输出口，当计数值上升到比较值CMPRx时，输出高电平；当计数值下降到比较值CMPRx时，则输出低电平，低有效的那一路与之互补。为了避免逆变桥同一组桥臂的上下管共通，两路互补的PWM信号必须设置死区。死区可以通过外部模拟电路实现，也可以由DSP内部的死区发生模块设定。通过设定死区时间寄存，TMS320F240可以实现从50ns到102.4u s的死区时间，它实际上是让每一路PWM的上升沿时刻延迟一个死区时间。必须指出的是：TMS320F240的全比较动作控制寄存器ACTR决定了其输出引脚PWMX(x =1,2,3,4,5,6)的性质，这六个

46、引脚中的1,3,5 分别与2,4,6 共享一个比较寄存器CMPRx (x=1, 2, 3)，所以一共可以产生三对互补的PWM信号。死区有效的前提是其中的1,3,5引脚被设置为高有效，对应的2,4,6引脚被设置为低有效。否则死区的设置非但不能起到应有的保护作用，而且会使一对本应互补的PWM信号发生重叠，直接造成破坏。4.5.2数字PWM分辨率数字PWM的分辨率指得是其最小变化量与输出满幅值的比值，实际上就是PWM信号的最小占空比Dmin。假定数字PWM的频率为fc，即开关周期Tc=l /fc,再设DSP芯片的计数频率为f0，则计数一次的的时间To=1/f0，这样数字PWM的分辨率： Dmin=T

47、0/Tc=fc/f0开关频率：fc=f0*Dmin由此可见，在一定的计数频率下，开关频 率与数字PWM的分辨率是成反比的，开关频率越高，分辨率越低。在分辨率一定的情况下，要提高开关频率，就必须提高DSP芯片的计数频率，也就是要提高DSP的速度。就非对称PWM而言，上述开关频率和PWM分辨率的关系是成立的，至于对称PWM，情况有些不同。在同样的开关频率下，当CMPRx的变化幅度为1时，非对称PWM的有效脉宽变化为To；而对称PWM由于其中心对称性，有效脉宽变化为2To。因此对称PWM的分辨率，即最小占空比：Dmin=2fc/f0开关频率：fc=f0*Dmin/2在同样的开关频率条件下，非对称PW

48、M的分辨率高于对称PWM的分辨率，但是与对称PWM方式相比，采用非对称PWM方式的逆变桥其输出电压谐波含量较高。本文使用的DSP芯片TMS320F240的计数频率fo=20MHz，逆变器的开关频率fc= 20kHz，若采用对称PWM方式其分辨率Dmin =2fc/fo=1/500，这样的PWM分辨率基本上可以满足UPS逆变器的控制精度要求。因此本文的逆变器控制采用了对称PWM方式。 4.5.3数字SPWM的发生原理知道数字PWM的发生原理后，数字SPWM的发生原理也就比较容易理解了。数字SPWM发生的基本原理如下：在每个开关周期(定时器的中断周期)，DSP程序根据查表指针从参考正弦波表获得相应

49、数字量，并将它赋值给比较寄存器CMPRx，同时查表指针加一，在一个正弦波周期结束时将查表指针复位至参考正弦波表的首地址。值得注意的一点是，由于定时器的计数值始终是正的数值，因此，正弦波数字量必须加上一个直流偏移量。举个例子，假设定时器工作在0-500-0的连续增减方式，如果SPWM的幅度调制比为0.9，则正弦波的峰峰值为500* 90 % =450，标准正弦波的变化范围为:-225-0-255，加上偏移量500/2=250，偏移后的正弦波的变化范围为:25-250-475，在程序空间中可以预先存储加了偏移后的正弦波数据表，这样就可以方便地实现SPWM波形。参考正弦波数据表的产生可以通过一个简单

50、的C语言程序实现，此处不再赘述。参考正弦波数据表的长度N在数值上与频率调制比mf相等，本文逆变器采用的开关频率为20kHz，调制波的频率即输出电压的频率为50Hz，因此N=400.4.6死区对逆变器输出电压影响分析在全桥结构逆变器中采用倍频单极性SPWM调压方法，每一桥臂的上、下管互补导通。考虑到主开关器件有一个关断时间，为了防止同一桥臂的两只开关管同时导通造成短路，必须人为地设置控制死区，即在上、下管切换时关断信号立即给出，而开通信号滞后关断信号一段时间才给出。死区时间的长短一般根据主开关器件的开通、关断时间而变化。控制死区的设置有助于全桥逆变器安全可靠的运行，然而也给输出电压的波形质量带来

51、了负面影响，有时需要采取措施减少这种影响。4.6.1死区效应分析死区对输出电压的影响是与逆变桥输出电流的方向直接相关的，为了说明它们之间的关系，画单相全桥逆变器如图4.9所示 图4.9 单相全桥逆变器 为了简单起见，先分析左边一个桥臂，在死区发生期间，若iAO，则电流流经二极管DA-,uAN=O;若iAO时，在一个开关周期内uAN的高电平占用时间与理想条件下相比减少了一个死区时间，而uBN的高电平占用时间与理想条件下相比却增加了一个死区时间:当iAO时或uAN=-Td/Ts * Ud uBN=Td/Ts * Ud, 当iAO时或 uo =uAN - uBN=-2 * T d /T s* U d

52、 , 当iA0时的补偿方法，右半部分表示io0时，有效控制脉冲的上升沿滞后理想控制脉冲上升沿一个死区时间，造成阴影部分的高电平丢失；当io0时，在比较寄存器CMPRx值的原有基础上增加一个修正量，使控制脉冲增加一个死区时间;当输出电流io0时，在比较寄存器CMPRx值的原有基础减去一个修正量，使控制脉冲减少一个死区时间。(d)为经过补偿后的有效控制脉冲，与理想控制脉冲相比，它的占空比不变，只是在相位上延迟了半个死区时间。图4.12死区效应的补偿(a)无死区补偿时波形(死区时间为3us)(b)加死区补偿后波形(死区时间为3us)图4.13死区效应补偿前后的逆变器输出电压波形比较利用上面的补偿方法

53、，用MATLAB进行仿真，得到带载条件下死区效应补偿前后的逆变器输出电压波形如图3-16所示。通过比较可以看出：对死区效应进行补偿后，逆变器输出电压波形有了较明显的改善。第五章 电池充电环节UPS在交流电网停电或严重故障时，其内部蓄电池放电，经逆变器输出能量。在市电恢复后，再转为市电为蓄电池充电，典型的充电过程如图5.1所示:从图中可以看出，充电过程一般分以下三个阶段：恒流充电:即阶段0 t1，其意义是在市电刚恢复时，对蓄电池强充电。恒压充电:即t1t2 阶段，是在强充电之后对蓄电池进行补充充电，或叫次强充电，保持充电电压不变，充电电流下降很快。 饱和充电:也叫浮充，从t2时刻开始，充电电流己很小，蓄电池能量