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基于DSP的UPS逆变电源控制系统设计 逆变器的环路建模,双环控制理论分析和环路建立
ABSTRACT UPS (Uninterrupted Power Supply) is an electrical equipment that can provide emergent power supply by use of storage battery when power failure. In addition, UPS can improve the quality of mains power supply. Our country has large demand for UPS. The annual sales of UPS reach to 6 billion yuan. The demand is continuously large in the field of telecommunication and finance and begins to rise in the field of manufacturing, transportation and energy source This dissertation introduces the structure of UPS, analyzes the function and operation principle of each part of UPS and studies the key technique for UPS inversion control. The UPS inversion control system based on dsP is put forward. The system is combined with hardware design and software design and is suitable for digital accurate control In terms of the hardware design of UPS inversion control system, TMS320F2808, the 32-bit DSP manufactured by Tl, is used to control inverter and generate drive signal for IGBT and SCr EPM240T100C, the high performance and low power consumption manufactured by altera, is used for interface extension and phase shift of drive signal. The schematics and printed circuit board are designed in the environment of Altium Designer, Anti-interference methods are adopted to enhance system stability The software design focuses on programming for dSP and CPLD. dsP generates SPWM signal and SCr rectification signal, samples analog parameter of input and output to monitor system state. CPLd shifts the signal generated by dsP. The software achieves soft start, drive signal generation, analog parameter acquisition and system protection After hardware design and software design, the control board is joint-tested with UPS. The waveform is recorded in the state of open- loop and close -loop The result shows that undcr the coordination of uPS inversion control system designed in this dissertation, IGBT drive signal and SCR control signal can be correctly generated so that UPS can work normally. The output signal can accurately trace the frequency of mains power supply, keeping the phase consistent. What's more,the output signal improves the quality of mains power supply by reducing high harmonic wave. The UPS inversion control system designed in this dissertation is general to various types of UPS. The control board can be used in both three-phase-input three-phase-output UPS and three-phase-input one-phase-output UPS, while the software should be modified only a little. The control system is not restricted by the power of UPS and can be applicable for both large-power UPS and small-power UPS. KEY WORD: SPWM, TMS320F2808, Digital Accurate Control, Large-Power Inverter Power Electronics System 潘祺锋硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名 职称 单位 备注 李明 教授 华东师范大学 主席 薛燕陵 教授 华东师范大学 劳五一 副教授 华东师范大学 第一章绪论 1.1选题的背景和意义 随着信息科技和电子电力技术的迅猛发展,各式各样的用电设备层出不穷,而绝大多 数用电设备是非线性负载,它们从电网获取的电流和电压波形不一致,因此给电网带来的 极大的谐波危害,造成供电质量愈来愈差。在一些重要公用事业单位,诸如医院、机场、 高架、隧道银行等,对供电质量的要求越来越高。还有些特殊的电力设备,比如服务器、 数据中心、通信基站等,不仅要求365×24连续供电,还对电源信号的电压、幅度、频率等 参数提出了精准的要求,以确保设备的正常运行。UPS( Uninterruptible power supply)正是 在这种背景下应运而生。 UPS逆变电源是一种电力投备,当输入电源,尤其是电网供电出现故降时,为负载提 供应急供电。UPS与应急电力设备、备用电源的区别在于UPS在电源故障发生的同一时刻 或者几乎同一时刻为负载供电。对于小功率负载,UPS利用挂载的电池和相关电子电路产 生电源,对于大功率负载,UPS使用内燃机发生器和调速轮发电。一般来说,UPS的蓄电 池可以维持UPS在市电掉电情况下继续工作5-15分钟,但在这段时间内换上备用发电机或 是关闭用电设备已经足够充裕了。在UPS系统中,结合高质量的逆变器和精准的数字控 制技术,UPS在某些程度上也解决了市电电网中存在的种种问题,例如电压浪涌、尖峰电 压、欠压、频率不稳定、谐波干扰等 在我国,UPS的需求量不断攀升,UPS的应用范围也越来越广泛。根据相关统计,在 2007年和2008年中,中国UPS电源市场的总体销售额分别达到了60亿元、655亿元的。 从使用UPS的行业分布来看,除电信、金融、通信等行业依旧规模巨大之外,一些以往在 市场上份额不大的行业,例如制造业、交通业、能源业等行业,对UPS的需求量呈现逐年 增加的趋势吲。特别是一些中小型企业的大规模崛起,带动了UPS的市场进一步繁荣。2008 奧运会的举办推动了UPS的发展。尽管金融危机一度使得UPS的生产和销售规模下滑,但 是UPS的生产企业通过融资、自身的技术创新和管理改革等于段,从容面对,把对市场的 影响降到最低。 12UPS逆变电源的分类 UPS逆变电源的分类方式有很多,按照工作原理分,有动态式和静态式;按照输入输 出方式分,有单相输入、单相输出,三相输入、单相输出,三相输入、三相输岀;按照功 率大小分,有小功率型(kVA以下),中功率型(5kVA~30kVA),大功率型(30kVA以) 在国际电工委员会(IEC, International electrotechnical Commission)于1999年制定标 准IEC62040中,根据UPS不同的结构和性能,把UPS分成3类:被动后备式,在线互动 式和双转换式的。 (1)被动后备式( Passive Standby) 被动后备式UPS是最基本的不问断电源形式,在这种形式下,市电直接连接 到用电设备,在市电正常的情况下,用电设备的供电由市电直接提供,充电电路为 蓄电池充电。当市电降低到UPS预先设定的阈值时,被动后备式UPS开启DC-AC 逆变器,逆变器由内部蓄电池组供电。然后UPS调节输出端的开关,将用电设备 的供电由市电直接供电改成了DC-AC逆变器的输出供电。这一转换过程的时间通 常是几十个亳秒,时间长短取决于UPS对于市电供电不足的反应快慢。图1-1(a) 和图1-1(b)分别表明了被动后备式UPS在市电正常情况下和市电过压、欠压及功率 不足情况下的工作原理 (2)在线互动式(Line- Interactive) 在线可动式UPS的工作原理和被动后备式UPS的工作原理大致相同,但前者 比后者增加了多接头电压可调式白藕变压器,如图1-2(a)和图1-2(b所小。这种变 压器是一种特殊的电力变压器,它可以根据输入电压的大小,通过增加或者减少耦 合线圈的圈数,提髙或者降低变压器的输出电压。 市电输入 输出到 用电设备 充电器 蓄电池组 逆变器 (a)市电正常时被动后备式UPS的工作原理图 (a Passive Standby UPS Running Principle when Normal AC Supply 市电输入 输出到 用电设备 充电器 蓄电池组 逆变器 (b)过压、欠压和功率不足时被动后备式UPS的工作原理图 (b)Passive Standby UPS Running Principle when over/under voltage or Power Loss 图1-1被动后备式UPS的工作原理图 Fig1-1Passive Standby UPS Running Principle 市电输入 多接头电压可调 式自藕交压器 输出到 用电设备 充电器 蓄电池组 逆变器 a)市电正常或稍有波动时在线互动式UPS的工作原理图 (a) Line- Interactive UPS Running Principle when Normal AC Supply or Small over/under Voltage Condition 市电输入 多接头电压可调 式自藕变压器 输出到 用电设备 充电器 蓄电池组 逆变器 b)市电大幅波动时在线互动式UPS的工作原理图 (b) Line-Interactive UPS Running Principle when Large over/under Voltage Condition 图12在线互动式UPS的工作原理图 Fig 1-2 Line-Interactive UPS Running Principle 在线互动式UPS允许输入电压在小范围内波动,无论电压偏高还是偏低,只 市电输入 输出到 用电设备 充器 蓄电池组 逆变器 (b)过压、欠压和功率不足时被动后备式UPS的工作原理图 (b)Passive Standby UPS Running Principle when over/under voltage or Power Loss 图1-1被动后备式UPS的工作原理图 Figl-lPassive Standby UPS Running Principle 市电输入 多按头电压可调 式白藕变压器 输出到 用电设备 充电器 蓄电泡组 逆变器 (a)市电正常或稍有波动时在线互动式UPS的工作原理图 (a Line-Interactive UPS Running Principle when Normal AC Supply or Small over/under Voltage Condition 市电输入 多接头电压可调 式自藕变压器 输出到 用电设备 充电器 蓄电池组 逆变器 (b)市电大幅波动时在线互动式UPS的工作原理图 (b)Line-Interactive UPS Running Principle when Large over/under Voltage Condition 图12在线互动式UPS的工作原理图 Fig 1-2 Line-Interactive UPS Running Principle 在线互动式UPS允许输入电压在小范围内泼动,无论电压偏高还是偏低,只 要在变压器允许的范围之内,UPS就不会切换成蓄电池逆变供电,以节省有限的蓄 电池能量。系统通过自动改变输入电压的接头补偿输入电压的偏差。 (3)双转换式( Double conversion) 双转换式UPS又称为在线式( Online)UPS,之所以称为在线式,是因为无论 市电质量如何,用电设备的供电都要经过逆变器,也就是说,逆变器始终处于T作 状态,如图1-3所示。双转换指的是整流和逆变,即电网电压经过了交流到直流, 再从直流到交流的两次变换。即使在市电电网完全正常的情况下,整流器的输出电 压直接驱动逆变器。双转换式UPS增加了旁路电路,如果系统出现故障时,可将 输出端切换到旁路供电,便于系统的检修而不影响用电设备的供电。 双转换式UPS通常用于要求电气隔离的环境和对功率浮动敏感的设备。双转 换式UPS的功率大到儿十千瓦,小到几百瓦,可以满足各种应用的需要。双转换 式UPS的价格比较昂贵,常用于工业设备、数据中心等电力环境嘈杂的大型负载。 双转换式UPS的蓄电池组始终和逆变器相连接,以至于不需要转换开关。如 果市电电网供电不足,蓄电池组可以维持电压的稳定性,这时候整流器不起作用 当电压恢复时,整流器输出电压重新驱动给逆变器,市电通过充电器给蓄电池充电 双转换式UPS经过ACDC和DCAC两次变换之后,在输入电网和电器设备 间树立了一道隔离护栏,使得电器设备不受电网电压波动的影响。与被动后备式和 在线互动式相比,双转换式有效的改变了电网质量不稳的问题,不论输入信号如何, 都可以根据需求改变输岀信号的幅度和频率 旁路 整流器 逆变器 市电输入 输出到 用电设备 充电器蓄电池组 图13双转换式UPS结构图 Fig 1-3 Structure of Double Structure UPS

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