數(shù)控UPS不間斷電源技術(shù)原理及典型應(yīng)用

摘要：數(shù)字控制UPS是近年發(fā)展起來的新型電源技術(shù)，本文分析了數(shù)字控制UPS的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，介紹了基于DSP的數(shù)字控制UPS的工作流程和組成結(jié)構(gòu)，深入剖析了關(guān)鍵電路的結(jié)構(gòu)功能，對(duì)于數(shù)字控制UPS的設(shè)計(jì)應(yīng)用具有重要的實(shí)踐指導(dǎo)意義。

傳統(tǒng)的UPS采用模擬電路控制，對(duì)于生產(chǎn)廠家和用戶而言，無論是相控技術(shù)還是SPWM技術(shù)，模擬控制存在諸多局限性。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，高速數(shù)字信號(hào)處理芯片(Digital Signal Processor，DSP)的出現(xiàn)，使得數(shù)字化的控制在更廣闊電氣控制領(lǐng)域中應(yīng)用有了可能性，也成為主要發(fā)展趨勢(shì)之一。

一、數(shù)字控制UPS的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

有了高速數(shù)字信號(hào)處理芯片的支持，采用數(shù)字化的控制策略不僅可以較好的解決UPS電源模擬控制里的有關(guān)問題，而且還增加了UPS電源模擬控制中很難實(shí)現(xiàn)的一些控制功能，其主要應(yīng)用優(yōu)勢(shì)有：

(1)數(shù)字化控制可采用先進(jìn)的控制方法和智能控制策略，使得UPS的智能化程度更高，性能更加完美。智能化控制代表了自動(dòng)控制的最新發(fā)展階段，繼承了人腦的定性、變結(jié)構(gòu)、自適應(yīng)等思維模式，也給電力電子控制帶來了新的活力。在高頻開關(guān)工作狀態(tài)下，逆變電源的模型更加復(fù)雜化，這是模擬控制或經(jīng)典控制理論難以有良好控制效果的，而采用先進(jìn)、智能化的數(shù)字控制策略，就可以從根本上提高系統(tǒng)的性能指標(biāo)。

(2)控制靈活，系統(tǒng)升級(jí)方便，甚至可以在線修改控制算法，而不必對(duì)硬件電路做改動(dòng)。數(shù)字控制系統(tǒng)的控制方案體現(xiàn)在控制程序上，一旦相關(guān)硬件資源得到合理的配置，只需要通過修改控制軟件，就可以提高原有系統(tǒng)的控制性能，或者根據(jù)不同的控制對(duì)象實(shí)時(shí)、在線更換不同控制策略的控制軟件。

(3)控制系統(tǒng)可靠性提高，易于標(biāo)準(zhǔn)化。由于數(shù)字控制的高可靠性，必然使得整個(gè)控制系統(tǒng)可靠性的提高，而且可以針對(duì)不同的系統(tǒng)(或不同型號(hào)的產(chǎn)品)，采用統(tǒng)一的控制板，而只需要對(duì)控制軟件做一些修改即可，這對(duì)生產(chǎn)廠家而言是有著巨大的吸引力的。

(4)系統(tǒng)維護(hù)方便，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，可以很方便地通過RS-232或RS-485接口或USB接口進(jìn)行調(diào)試，故障查詢，歷史記錄查詢，軟件修復(fù)，甚至控制參數(shù)的在線修改、調(diào)試。這樣就可以以較低的成本完成自我校正及遠(yuǎn)程服務(wù)，給廠家的售后服務(wù)帶來了極大的方便。

(5)系統(tǒng)一致性好，成本低，生產(chǎn)制造方便。由于控制軟件不會(huì)像模擬器件那樣存在差異，所以對(duì)于同一控制程序的控制板，其一致性是很好的，也沒有模擬系統(tǒng)中模擬器件調(diào)試帶來的差異問題，那么同一控制板的一致性就會(huì)比模擬系統(tǒng)高很多。采用了軟件控制，就實(shí)現(xiàn)了硬件軟件化，使控制板的體積大大減小，生產(chǎn)成本下降。

(6)易于組成并聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)。由于單位UPS系統(tǒng)均是數(shù)字控制，有相應(yīng)的控制變量代表系統(tǒng)中的狀態(tài)量，那么就可以較方便地獲得均流所需要的信息，利用相應(yīng)的均流算法實(shí)現(xiàn)UPS的并聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)。

二、DSP控制的UPS工作流程

DSP控制的數(shù)字式UPS電源的工作流程是：當(dāng)市電正常，輸入電壓、頻率在允許的范圍時(shí)，PFC部分對(duì)輸入進(jìn)行功率因數(shù)校正，使得該系統(tǒng)的輸入功率因數(shù)為0.98左右，同時(shí)避免對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生污染，輸入的市電經(jīng)PFC環(huán)節(jié)變換得到400V直流輸出電壓，為后面的逆變電路提供能量。同時(shí)DC/DC部分仍然在正常工作，只是由于電池電壓經(jīng)過DC/DC電路變換得到360V輸出電壓，略小于市電經(jīng)PFC變換得到的直流母線電壓，這樣通過二極管就將它和直流母線隔離，DC/DC部分空載運(yùn)行，處于熱備用狀態(tài)。當(dāng)市電不正常時(shí)，市電掉電或者輸入電壓、頻率不在允許的范圍時(shí)，市電經(jīng)PFC得到直流母線電壓迅速降低，當(dāng)?shù)陀?60V時(shí)，二極管導(dǎo)通，使得直流母線電壓維持在360V，此時(shí)逆變器得到的能量是由電池電壓經(jīng)由DC/DC電路變化得到的直流母線電壓。無論市電是否正常逆變部分均可以正常的工作。一般蓄電池可提供幾分鐘到幾十分鐘的后備供電時(shí)間，大容量的電池組的后備供電時(shí)間可以達(dá)幾個(gè)到幾十個(gè)小時(shí)，對(duì)于備有柴油發(fā)電機(jī)的用戶，可以在市電停電5~10秒之內(nèi)把柴油發(fā)電機(jī)投入到UPS電源的輸入端，可以在長(zhǎng)時(shí)間停電的情況下向用戶提供高質(zhì)量的正弦波電源。經(jīng)處理以后的市電同時(shí)還送給市電電壓/流相位測(cè)量電路，產(chǎn)生市電電壓信號(hào)和相位信號(hào)，供微處理器電壓/流測(cè)量和同步鎖相之用。這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)負(fù)載的不間斷供電功能。

三、DSP控制的UPS組成結(jié)構(gòu)

UPS要實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制，那么用更多的模擬器件才能實(shí)現(xiàn)的控制功能和算法就可以通過DSP的軟件的編程來實(shí)現(xiàn)，所以整個(gè)UPS的結(jié)構(gòu)就相比較用模擬器件的實(shí)現(xiàn)的UPS的整體結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單得多。如圖1所示下面就是數(shù)字化的UPS的整體框圖。主要由輸入功率因數(shù)校正、逆變部分、DC/DC等組成。

圖1基于DSP控制的UPS原理框圖

四、DSP控制的UPS關(guān)鍵電路結(jié)構(gòu)

(1)UPS的功率校正電路

輸入功率因數(shù)校正電路如圖2所示主要由功率管T5、電感L1、二極管D1、電容C1組成。它為輸入部分提供功率因數(shù)校正功能，并且提升電壓至400V。

圖2輸入功率因數(shù)校正電路圖

輸入功率因數(shù)校正因數(shù)電路的工作原理，UPS市電通過功率因數(shù)校正模塊，來進(jìn)一步減少來自電網(wǎng)上的干擾，也同時(shí)使整個(gè)UPS系統(tǒng)的功率因和轉(zhuǎn)換效率得到提高。功率校正模塊是一個(gè)AC/DC變換器，它完成輸入的整流，同時(shí)控制輸入電流為正弦波，從而達(dá)到很高的輸入功率因數(shù)。功率因數(shù)校正部分還必須保持直流電壓恒定，不隨輸入的變化而改變。直流電壓又在逆變部分變換成幅值、頻率合適的交流電源。當(dāng)UPS工作在蓄電池方式時(shí)，該直流電源經(jīng)過DC/DC變換隔離后得到逆變部分所需的直流電壓。

(2)正弦逆變電路結(jié)構(gòu)

正弦逆變電路如圖3所示主要是由電容C1，功率管T1、T2、T3、T4組成的逆變橋，電感L2，電容C2等組成。PFC模塊的輸出經(jīng)由逆變部分能夠產(chǎn)生負(fù)載所需的純正弦波交流電壓。

圖3正弦逆變器電路圖

數(shù)字UPS的正弦逆變器是時(shí)刻處于工作過程中，其工作原理是通過采樣電路對(duì)逆變電路輸出電壓和電流進(jìn)行采樣，得到的采樣信號(hào)輸入到DSP中，對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行處理，依照一定的算法和程式來實(shí)現(xiàn)正弦逆變電路控制的功能。

(3)DC/DC電路結(jié)構(gòu)

DC/DC電路的構(gòu)成如圖4所示，主要是由高頻變壓器、功率管T6、T7，整流二極管D33、D34、D35、D36，電容C31等組成。該部分采用直流電壓環(huán)反饋控制，變換后的電壓通過二極管D6與PFC的輸出端相連。

圖4DC/DC電路的結(jié)構(gòu)圖

由于電池電壓比較低，逆變器對(duì)直流電壓的利用率又不高，所以需要DC/DC電路來轉(zhuǎn)換電池的電壓。DC/DC的電路結(jié)構(gòu)有很多，但是各有優(yōu)缺點(diǎn)，最常用的就是推挽式直流變換電路這種電路的優(yōu)點(diǎn)就是驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，輸出功率大。一般被功率要求比較高的負(fù)載選作直流變換電路。

(4)UPS其他結(jié)構(gòu)功能

同時(shí)通過SCI和SPI來實(shí)現(xiàn)整臺(tái)UPS的監(jiān)控程序，通過SCI口和微機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控是全數(shù)化UPS的重要結(jié)構(gòu)功能。

一方面，在UPS運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)市電故障或停電時(shí)，UPS會(huì)利用上述通訊通道向由它供電的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳送因市電故障產(chǎn)生的報(bào)警信號(hào)。當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間停電，而電池組的供電電壓要低于臨界放電電壓時(shí)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)會(huì)在UPS電源發(fā)出自動(dòng)關(guān)閉命令的驅(qū)動(dòng)下，完成數(shù)據(jù)的保存和設(shè)備的保護(hù)。

另一方面，提供一個(gè)友好的人機(jī)界面，可實(shí)時(shí)監(jiān)視UPS的運(yùn)行參數(shù)，方便用戶的參數(shù)修改，同時(shí)便于用戶查詢UPS運(yùn)行的歷史記錄。還可在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上對(duì)UPS進(jìn)行定時(shí)的開機(jī)/自動(dòng)關(guān)機(jī)操作。為實(shí)現(xiàn)上述控制功能，還可以提供RS-232和RS-485通信接口，用戶可根據(jù)實(shí)際情況任選一種。對(duì)于要求執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)管理功能的UPS，應(yīng)配置有簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議(SNMP)適配器或適配卡。

隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，DSP技術(shù)已經(jīng)被許多UPS廠商在產(chǎn)品中使用。DSP技術(shù)的使用提高了UPS產(chǎn)品輸出電壓的穩(wěn)定性和純凈程度，同時(shí)也提高了UPS產(chǎn)品自身的可靠性。而IGBT技術(shù)和高頻技術(shù)的應(yīng)用，大大提高了電源效率，降低了系統(tǒng)噪音和電源自身的電力損耗，也提高了系統(tǒng)的可靠性。UPS的數(shù)字化并不是簡(jiǎn)單的指在系統(tǒng)中應(yīng)用了數(shù)字器件，如單片機(jī)及FPGA等，而是指整個(gè)系統(tǒng)的控制應(yīng)用數(shù)字器件的計(jì)算能力和離散控制方法來完成。隨著數(shù)字處理硬件技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算速度的提高，必然促使UPS向數(shù)字化方向發(fā)展。