電力系統(tǒng)用三相UPS的設(shè)計(jì)

2.3交流濾波電路[3][4]

高頻SPWM逆變器的輸出是等幅不等寬的一系列矩形波脈沖，其脈寬按正弦規(guī)律變化。開關(guān)器件的轉(zhuǎn)換頻率等于三角波載波的頻率。為了濾除高頻分量，得到低失真的正弦波輸出，可采用圖5所示的低通濾波電路。電路中起主要濾波作用的是變壓器原邊所接的電感L1、L2和變壓器副邊的電容C，一般常用的交流濾波電路中沒(méi)有與電容C串聯(lián)的電阻R，在這種情況下，電感、電容的參數(shù)是由濾波器的諧振頻率ωn決定的，ωn=

其中變壓器的變比n=1/2，通常取ωn≤0.1×2π×f1（f1是逆變器的開關(guān)頻率），這樣可以算出LC的乘積。L、C值的選擇不僅要滿足濾波要求，還要考慮到整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)及系統(tǒng)閉環(huán)零極點(diǎn)配置。試驗(yàn)觀察到，電容C串聯(lián)了合適的電阻R后，可以使濾波效果更好。

2.4EMI濾波器

在各類電源的設(shè)計(jì)中，干擾是經(jīng)常出現(xiàn)的問(wèn)題，UPS也不例外。隨著功率電子技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，UPS已逐漸成為電力與電子、強(qiáng)電與弱電系統(tǒng)融為一體的設(shè)備，因此電磁干擾的問(wèn)題也越來(lái)越復(fù)雜。電網(wǎng)中的諧波可能會(huì)對(duì)逆變器的工作或切換過(guò)程帶來(lái)干擾，高頻PWM變換器產(chǎn)生的射頻干擾也會(huì)對(duì)用電設(shè)備和電網(wǎng)帶來(lái)干擾。

EMI濾波器的主要作用是減小沿交流電網(wǎng)的電源線傳導(dǎo)的電磁干擾，抑制電網(wǎng)紋波對(duì)UPS的影響。濾波器大都采用LC濾波電路，為了使得濾除電磁干擾的效果更好，可采用兩級(jí)LC濾波器。實(shí)際中，常采用三相EMI濾波器模塊。目前EMI濾波器普遍采用模塊化結(jié)構(gòu)，安裝、更換方便，成為一種可更換的標(biāo)準(zhǔn)化電子部件。

輸出濾波器對(duì)UPS內(nèi)部產(chǎn)生的電磁干擾進(jìn)行衰減，防止對(duì)輸出端其他設(shè)備可能造成的危害。通常采用三相交流EMI濾波器作為輸出端的濾波器。另外，為了減小直流電源與逆變器之間的電磁干擾，一般在直流電源輸入端也接入直流EMI濾波器。

3控制電路

用于電力系統(tǒng)的三相UPS核心是三相逆變器，其控制電路主要是對(duì)三相逆變器工作狀態(tài)的控制，主要包括模擬控制電路和數(shù)字監(jiān)控電路兩部分。模擬控制電路的作用是產(chǎn)生SPWM波、對(duì)電壓電流引入反饋調(diào)節(jié)以保證輸出電壓穩(wěn)定且波形失真小、減小輸出電壓中的直流分量、實(shí)現(xiàn)鎖相同步等。數(shù)字監(jiān)控電路檢測(cè)整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)、采集數(shù)據(jù)、處理各種故障、控制靜態(tài)開關(guān)的切換等。

3.1正弦波控制信號(hào)和三角波載波的產(chǎn)生

SPWM逆變器的作用是把直流電變?yōu)榈确坏葘挼木匦尾?，其基波?0Hz正弦波。通常采用基準(zhǔn)正弦波與三角波比較的方法產(chǎn)生PWM控制信號(hào)。本設(shè)計(jì)中，為了產(chǎn)生頻率穩(wěn)定、失真度小、幅度可調(diào)的正弦波控制信號(hào)，把正弦波數(shù)據(jù)存放在EPROM中，通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換即可得到正弦波控制信號(hào)。三角波發(fā)生器采用單片函數(shù)發(fā)生器集成芯片ICL8038，該芯片只要外接少量元器件就能產(chǎn)生頻率穩(wěn)定、輸出波形失真小的三角波。

3.2對(duì)三相SPWM逆變器的控制

如圖6所示，通過(guò)電壓、電流霍爾元件對(duì)輸出電壓、電流取樣，形成反饋信號(hào)，反饋電壓與給定電壓相減形成偏差電壓，送到正弦波發(fā)生器輸出端所接D/A轉(zhuǎn)換器0832的VREF端，這相當(dāng)于偏差電壓與正弦波控制信號(hào)相乘，相乘的結(jié)果與瞬時(shí)值電壓反饋、抗偏磁反饋信號(hào)相減后經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器再與三角波比較得到PWM波，這個(gè)PWM波再經(jīng)死區(qū)形成電路，就產(chǎn)生了兩路互補(bǔ)、留有一定死區(qū)的PWM控制信號(hào)。

圖7數(shù)字監(jiān)控電路框圖

為了使得切換過(guò)程中不出現(xiàn)環(huán)流或負(fù)載斷電，采用同步鎖相技術(shù)實(shí)現(xiàn)UPS和電網(wǎng)電壓的同頻同相。本設(shè)計(jì)中選用單片集成數(shù)字鎖相環(huán)芯片CD4046實(shí)現(xiàn)同步鎖相。

3.3數(shù)字監(jiān)控電路[4]

監(jiān)控電路是以89C52單片機(jī)為核心的數(shù)字系統(tǒng)，主要由單片機(jī)、鍵盤、輸入輸出接口、看門狗電路、通信接口等組成，電路框圖如圖7所示。

設(shè)置三個(gè)按鍵：起動(dòng)/復(fù)位鍵（RESET）、停機(jī)鍵（STOP）和方式鍵（MOD）。各個(gè)按鍵的狀態(tài)被檢測(cè)后送入單片機(jī)，根據(jù)實(shí)際要求決定對(duì)逆變器及系統(tǒng)的控制。輸入接口電路還對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的工作狀況和故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)并輸入單片機(jī)，由單片機(jī)輸出相應(yīng)的控制及報(bào)警信號(hào)。

看門狗電路采用MAX813，對(duì)單片機(jī)進(jìn)行上電復(fù)位和定時(shí)復(fù)位，以防止軟件運(yùn)行失控。用單片機(jī)的一個(gè)I/O口（P1.0）對(duì)定時(shí)器進(jìn)行清零，當(dāng)程序在執(zhí)行過(guò)程中跳飛或進(jìn)入死循環(huán)時(shí)，程序不能在定時(shí)溢出前對(duì)其進(jìn)行清零，就會(huì)使MAX813定時(shí)溢出而產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，使單片機(jī)重新起動(dòng)。

通信接口選用MAX1483芯片，將串行口信號(hào)由TTL電平轉(zhuǎn)換為RS485電平，形成半雙工的RS485通信接口。

在切換過(guò)程中，由主電路中的霍爾元件實(shí)時(shí)檢測(cè)輸出電流的過(guò)零點(diǎn)，給一組固態(tài)繼電器發(fā)關(guān)斷信號(hào)后，當(dāng)輸出電流出現(xiàn)過(guò)零時(shí)，才能給另一組固態(tài)繼電器發(fā)開通信號(hào)。這樣可減少切換時(shí)間，保證可靠切換。

4結(jié)語(yǔ)

本文分析了電力系統(tǒng)對(duì)三相UPS的要求，提出了電力系統(tǒng)用三相UPS的設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)采用高頻SPWM技術(shù)，開關(guān)器件選用IGBT，主電路中采用工頻變壓器隔離，由三個(gè)獨(dú)立的單相逆變器組成三相逆變器，電壓瞬時(shí)值和電壓有效值雙閉環(huán)控制，采用霍爾元件檢測(cè)主電路電壓、電流，單片機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的工作狀態(tài)及故障，固態(tài)繼電器實(shí)現(xiàn)切換。該系統(tǒng)輸出波形質(zhì)量好，可以適應(yīng)100％不平衡負(fù)載，工作可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，完全可以滿足發(fā)電廠、變電站等電力部門的需要。