基于dsp带同步锁相的逆变器控制系统设计_毕业设计(编辑修改稿)

基于dsp带同步锁相的逆变器控制系统设计_毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

iple when over/under voltage or Power Loss 图 11 被动后备式 UPS 的工作原理图 Figl1Passive Standby UPS Running Principle 2 在线互动式 (LineInteractive) 在线互动式 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自藕变压器，如图 12(a)和图 12(b)所示。 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，通过增加或者减少祸合线圈的圈数，提高或者降低变压器的输出电压。 蓄 电 池 组 逆 变 器充 电 器市 电 输 入多 接 头 电 压 可 调式 自 耦 变 压 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) LineInteractive UPS Running Principle when Normal AC Supply or Small over/under Voltage Condition 蓄 电 池 组 逆 变 器充 电 器市 电 输 入多 接 头 电 压 可 调式 自 耦 变 压 器 (b)市电大幅波动时在线互动式 UPS 的工作原理图 (b) LineInteractive UPS Running Principle when Large over/under Voltage Condition 图 12 在线互动式 UPS 的工作原理图 Fig 12 LineInteractive 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。 5 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，逆变器始终处于工作状态，如图 13 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的功率大到几十千瓦，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出信号的幅度和频率。 蓄 电 池 组逆 变 器充 电 器市 电 输 入输 出 到 用 电设 备整 流 器 图 13 双转换式 UPS 结构图 Fig 13 Structure of Double Structure UPS UPS 逆变电源的发展趋势和数字化控制的意义 UPS 逆变电源正朝着高频化、冗余并联化、绿色化和智能化的方向发展。 2 (1)高频化 : 随着半导体技术的迅猛发展， UPS 的功率开关器件经历了从可控硅，大功率场效应管，到 IGBT 的演变。 开关器件的更新换代，使得器件转换时间不断缩短，器件承载的电流强度不断增加。 IGBT 可以使切换速度达到 SOkHz，从而实现了 UPS 电源的高频化。 (2)冗余并联化 : UPS 的一个发展方向就是并联，多 台 UPS 逆变电源并联运行给负载供电。 UPS 逆变电源并联主要应用于小功率的 UPS 逆变电源和大功率用电设备。 多台 UPS 并联工作，既可以随意配置 UPS 的总功率，也提高了系统的可靠性。 即使有一台 UPS 机器发生故障，其他 UPS同样可以保证负载的正常运作。 (3)绿色化 :UPS 逆变电源除了为供电设备提供应急供电之外，也有效地改善了负载供电质量。 输入端高效的滤波电路和输入功率因数校正电路，有效地抑制了电路本身的谐波信号，改善电网电力污染。 (4)智能化 :微处理器的广泛应用推动了 UPS 智能化的进程。 将微处 理器应用在 UPS 逆变电源中，为 UPS 提供了很多智能化的监控和检测，例如实时监控、故障处理、远程遥控等。 这些智能化的理念更加丰富和完善了 UPS 的功能。 传统的 UPS 控制电路采用模拟电路为主的元器件，存在以下不足之处。 (1).模拟电路多采用分立元件，电路板的设计和制作的难度较大，电路制作 的成本较高。 (2).模拟器件容易产生老化，相同器件一致性差，器件的性能容易随着温度的变化而变化。 (3).模拟集成芯片虽然可以帮助降低电路设计的复杂程度，但需要依靠外接电阻电容等元器件实现环路 控制，而这些元器件的不稳定性会影响环路控制的精准度和电路的性能。 (4).以模拟器件为主的电路需要调整参数。 采用 DSP 设计电路的优越性体现 本文采用 TI高性能数字信号处理芯片 TMS320LF2407A作为 UPS逆变电源反馈控制处理器，使得逆变控制系统运算速度快，外围辅助电路少，算法控制精准，系统集成度高。 采用高性能 DSP 设计电路的优越性体现在以下几个方面。 (1).系统设计方便。 可以在 DSP 中植入逆变控制算法，高效智能的控制算法取代了原先繁杂的硬件模拟电路。 系统升级也十分方便，可以在线调 试，在线更新 DSP 算法，而不 7 用修改外围电路。 (2).输出信号质量稳定。 由于采用了 DSP 作为 UPS 的系统控制单元，实时采集逆变之后的电压幅度、相位、频率等信息，根据控制算法调整 SP WM 波形的参数， 使得输出电压波动范围小，波形失真度低。 (3).DSP 通过 ADC 接口与系统相连，采集系统电压、电流、相位等参数，通过 GPIO 和PWM 发出控制信号，控制开关器件，维持系统运作。 (4).系统维护方便。 可以把系统监控模块嵌入在 DSP 中，一旦系统出现问题，可以记录下运行出错时系统的各种信息，方便维护人员排查检修。 (5).通信接口丰富，易于联机。 DSP 芯片自带了多种通信接口，容易实现人机交互界面，也可以实现多个设备的联机监控和调试，易于实现 UPS 网络化运行。 本章小结 简要介绍 UPS 的分类、发展趋势、项目研究的背景和意义，提出了基于 DSP 的数字化 UPS 逆变电源的控制方案。 详细介绍了各类不同 UPS 的运行原理和各自优缺点。 1 2 在线式 UPS 的系统结构 在线式 UPS 系统框图 在线式 UPS 逆变电源一般包含以下组成部分 :输入整流滤波电路，功率因数校正电路，蓄电池组、充电电路、逆变电路、静态开关电路、人机交互 、微控制器。 在线式 UPS的系统框图如图 21 所示。 滤 波 整 流蓄 电 池充 电 器输 入 功 率 因数 矫 正 电 流逆 变转换开关人 机 界 面市 电负 载I / OP W M 通 道通 讯 接 口 D S P电 网 电 压 电 流 频 率逆 变 电 压 电 流 频 率电 池 电 压 电 流 图 21 UPS 系统框图 Fig 21 Block Diagram of UPS System 在线式 UPS 系统组成 (1)输入整流滤波电路 在线式 UPS 的整流电路，是将输入的交流电转换成直流电，为下一步逆变做准备。 同时，整流之后的直流电经过降压处理还可以为蓄电池组充电。 整流的方式有两种，一种是利用可控硅和大功率二极管作为整流器件，有半桥整流、全桥整流、 6 脉冲整流、 12 脉冲整流等方式。 另一种是采用隔离变压器，把市电降压之后再用二极管桥式整流。 前者常用于大功率 UPS，后者用于小功率 UPSo 整流之后的电信号只是一个带有波纹的直流信号，除了直流成分以外，还有交流成分。 滤波电路可以抑制整流之后的交流信号，将带有波纹的直流信号变成平滑的直流信号。 常用的滤波电路有 RC 滤波， LC 滤波等。 2 (2)功率因数校正电路 功率因数 PF ( Power Factor)指的是交流输入有功功率 P 和视在功率 S 的比值， 即 : PPF S 在 UPS 系 统中，交流输入信号经过整流后，直接加到滤波电容和蓄电池两端。 如果交流输入信号的电压幅度高于滤波电容两端的电压时，滤波电容开始充电。 这就在电容器和充电器间形成了脉冲电流，导致了高次谐波的形成，使得功率因数下降，对电网造成干扰。 功率因数校正电路就是为了提高系统输入端的功率因数，抑制高次谐波对电网的干扰，使得电网输入电流和输入电压接近同相位 (3)蓄电池组 蓄电池组作为最为常用的储能装置，广泛应用在 UPS 中。 在市电正常时，通过直流电对蓄电池组充电，将电能转换成化学能。 在市电中断时，蓄电池为 UPS 提供应急能 源，将存储的化学能转换成电能。 当 UPS 正常工作时，蓄电池组是按照连续浮充的方式充电的，整流器和蓄电池组并联工作。 逆变电路的输入直流信号是由整流器供给，同时，整流器也供给一部分电流到蓄电池组，作为电池放电消耗的补偿 [O21。 除此之外，浮充充电的方式还可以改善 UPS 的瞬态响应。 如果 UPS 的负载电流在短时间内增加，蓄电池组可以提供很大的放电电流。 (4)充电电路 UPS 的充电分为两个阶段，在充电初期采用恒流充电的方式， 当蓄电池组的电压达到浮充电压之后，充电器改成恒压充电的方式。 充电电路有采用开关器件的，也有采用可控硅整流器件的，这取决于 UPS 的功率。 充电方式的切换是由控制芯片完成的。 控制芯片在充电过程中检测两个物理量 :电池电压和电池电流。 通常，充电器的工作式独立于逆变器的，只要 UPS 的电源接通，充电电路就处于工作状态，开始为蓄电池充电。 (5)逆变电路 逆变是把整流之后的直流电转换成交流电，传输给负载提供电源。 逆变之后的交流电消除了市电的尖峰、浪涌、谐波干扰等不稳定因素。 逆变的主要器件是 IGBT 大功率器件 ，微处理器通过 SPWM 波驱动 IGBT，输出交流信号，经过滤波之后供给负载使用。 (6)静态开关电路 静态开关作为旁路供电和逆变供电的切换装置，不仅起到了转换的作用，还对负载和逆变器起到了有效的保护作用。 如果 UPS 输出过载，那么静态开关为了保护逆变器，会将 3 负载供电切换成市电供电。 如果逆变器出现故障时，为了保护负载，静态开关也会将负载供电切换到市电。 小功率 UPS 采用继电器作为静态开关，本文采用的是可控硅作为静态开关，一对反向并联的可控硅就可以作为转换器件使用，转换时间为微妙级。 (7)微处理器 微处理器 是 UPS 的核心，在整个 UPS 中起到了控制的作用，是整部机器的控制中心。 本文采用的是 TI 生产的高性能 DSP 芯片 TMS320F2808 作为 UPS 的控制单元， DSP 的ePMW 端口输出 SPWM 波驱动 IGBT } ADC 通道对系统的各种参量进行采样，包括输入信号、反馈信号的电压、电流和频率，电池的充电电压和充电电流等参数。 DSP 的 I/0 通道作为各种开关量的控制端，根据系统的运行状况实时地驱动系统内部各个开关，调节系统正常运作。 DSP 内部的通信单元作为与人机交互界面的通信接口，方便用户更直观的使用UPS 设备。 (8)人机交互 人机交互作为可视化界面，方便用户操作 UPS 设备，实时获取 UPS 的工作状态，设定 UPS 的工作模式。 本文界面采用大屏幕触摸屏，图形化的操作界面，用户可以从中了解到 UPS 设备运行的历史记录和日志 在线式 UPS 的工作原理 在线式 UPS 的开机是一个软启动过程，输出信号平稳变大，避免由于输出信号瞬间变化过大而导致负载损坏或者输出异常。 软启动过程结束后，系统开始正常工作。 UPS 正常工作时有以下几种情况 : (1)当市电正常时，逆变器的工作电压由市电经过整流滤波后提供， DSP 控制电路产生SP WM 信号驱动逆变器，将直流信号转换成纯净的正弦波信号输出给负载。 同时，市电经过整流和滤波之后，送至蓄电池充电电路，给蓄电池充电，蓄电池电压不提供给逆变器。 市电经过整流、逆变、滤波之后，输出波形稳定的高质量正弦波到负载。 DSP 控制器不断地采集输入和输出端电压的幅度和频率，并根据算法实时。