霍國存

（山西焦煤霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 霍州 031400）

0 引言

隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展和逆變技術(shù)在許多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，人們對(duì)逆變電源性能的要求，不僅要有很好的輸出波形質(zhì)量，而且對(duì)其穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)性能的要求也日益提高。逆變器輸出波形質(zhì)量主要包括三方面:一是穩(wěn)態(tài)精度要高；二是動(dòng)態(tài)性能要好；三是電路結(jié)構(gòu)和控制方法要簡(jiǎn)單優(yōu)良。筆者提出了一種適用于5kVA電力專用UPS中的基于DSP控制的逆變電源系統(tǒng)。該系統(tǒng)可將190～286V的直流電轉(zhuǎn)換成50Hz、220V的穩(wěn)定交流電。在控制方案上采用重復(fù)控制與PI雙閉環(huán)控制相結(jié)合的方法，其中重復(fù)控制能夠很好地解決逆變輸出的穩(wěn)態(tài)性能；而PI控制有很好的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力，同時(shí)DSP控制芯片又有很高的數(shù)據(jù)處理能力以及豐富的接口電路，方便了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，同時(shí)也降低了開發(fā)成本和周期。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1是逆變電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)采用單相全橋逆變電路，選擇IGBT作為主控器件?？刂苹芈酚蒁SP控制芯片電路、采樣電路、驅(qū)動(dòng)電路、輔助電源電路等構(gòu)成。其中DSP控制芯片電路是系統(tǒng)的核心，可產(chǎn)生SPWM波形控制信號(hào)，從而控制驅(qū)動(dòng)電路完成IGBT主控器件的驅(qū)動(dòng)，同時(shí)監(jiān)控逆變電源輸出電壓，并通過采樣電路實(shí)現(xiàn)電源的閉環(huán)控制。

2 系統(tǒng)主電路

系統(tǒng)主電路如圖2所示。采用電壓型逆變電路，換向在同橋臂開關(guān)管之間進(jìn)行，可以通過控制輸出電壓的幅值和波形來控制其輸出電壓。

系統(tǒng)的開關(guān)元件選擇某公司生產(chǎn)的六單元L系列IGBT模塊。若直流輸入電壓范圍為190～286V，則加在逆變器上的最大電壓為：

式中：KA=1.5，過載因數(shù)；KR=1.2，安全系數(shù)；PNV—逆變輸出功率（W）；UNV=220（1-1%）V。 又：

由式（1）、 式（2）可得：

考慮到系統(tǒng)的安全性和工作的可靠性，在選擇模塊時(shí)留有一定的余量，最終選擇100A/600V的逆變模塊，其型號(hào)PM100CLA060，開關(guān)頻率為20kHz。主電路中由L1、C2構(gòu)成的低通濾波器又叫常數(shù)K型Γ型低通濾波器，為了使濾波的濾波效果更好，根據(jù)系統(tǒng)要求取L1、C2的值分別為1mH、30μF。

3 控制電路及工作原理

控制電路以TMS320F2812數(shù)字信號(hào)處理芯片為核心并充分利用其硬件資源，如PWM管腳的輸出用于驅(qū)動(dòng)信號(hào)；ADC采集口用來進(jìn)行模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換；CAP捕獲引腳用來檢測(cè)頻率和相位等，從而完成波形的產(chǎn)生、控制算法的實(shí)現(xiàn)及數(shù)據(jù)處理等功能。

3.1 采樣電路

由于系統(tǒng)為實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，對(duì)采樣的精度和快速性要求比較高，所以采用電壓、電流傳感器來得到低壓信號(hào)。直流檢測(cè)使用霍爾傳感器LV25；交流檢測(cè)使用交流傳感器SPT204A，其電路如圖3、4所示。

3.2 頻率、相位檢測(cè)調(diào)理電路

由于設(shè)計(jì)的是UPS中的逆變器，要想實(shí)現(xiàn)市電輸入與逆變器輸出之間的準(zhǔn)確切換，對(duì)市電和逆變器輸出電壓的頻率和相位的檢測(cè)是必不可少的。其檢測(cè)電路如圖5所示。圖中U1及其外圍元件構(gòu)成放大環(huán)節(jié)，可將檢測(cè)到的電壓信號(hào)進(jìn)行放大；U2及其外圍元件構(gòu)成比較電路。

當(dāng)輸入的電壓低于或高于某一電壓值（一般設(shè)置為0V）時(shí)，LM339的輸出就會(huì)反轉(zhuǎn)。所以LM339的輸出為高、低電平，DSP通過對(duì)高、低電平在一個(gè)工頻周期內(nèi)的計(jì)數(shù)，即可計(jì)算出輸入電壓的頻率，同時(shí)也可得到對(duì)應(yīng)的相位。如果逆變器輸出電壓的頻率和相位與市電電壓的頻率和相位的差值在規(guī)定的范圍內(nèi)，便可以進(jìn)行切換，否則不能進(jìn)行切換。

由于電壓傳感器的使用會(huì)使檢測(cè)到的相位偏離輸入電壓的相位，這將對(duì)UPS系統(tǒng)在切換時(shí)產(chǎn)生影響，嚴(yán)重時(shí)可使系統(tǒng)受到破壞。為了解決該問題，電路中用電容C7和可調(diào)電阻RP1構(gòu)成相位補(bǔ)償電路，從而消除相位偏離的問題。

3.3 IPM驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路采用智能功率IPM模塊。該模塊集成了IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)電路、故障檢測(cè)和保護(hù)電路等。

來自DSP的SPWM信號(hào)經(jīng)過限流電阻R，再經(jīng)高速光耦隔離放大后送入IPM內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電路并控制開關(guān)管工作。IPM中的FO引腳通過低速光耦連接到DSP的PDP INT引腳，當(dāng)該引腳為低電平時(shí)，DSP發(fā)出中斷指令，所有的事件管理器輸出引腳均被硬件設(shè)置為高阻態(tài)，此時(shí)沒有PWM信號(hào)的輸出，從而達(dá)到保護(hù)的功能。

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用C語言和匯編語言相結(jié)合的方式，主要完成PI雙閉環(huán)控制、重復(fù)控制、A/D轉(zhuǎn)換、SPWM脈沖的生成等。主程序主要完成系統(tǒng)的初始化、協(xié)調(diào)和控制其他子程序模塊的任務(wù)。PI控制模塊完成電壓、電流的雙閉環(huán)控制功能，使輸出電壓、電流穩(wěn)定在設(shè)定值上，重復(fù)控制模塊可將反饋回來的電壓或電流信號(hào)與給定值求差，得到當(dāng)前誤差量，此誤差量和上周期輸出量的和作為本周期的輸出，即每隔一個(gè)周期輸出量獲得一次累加，當(dāng)累加到一定值時(shí)，重復(fù)控制器開始作用，直到輸出的波形，達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，重復(fù)控制器停止調(diào)節(jié)。SPWM脈沖生成模塊可產(chǎn)生規(guī)定的正弦波。A/D轉(zhuǎn)換模塊將采樣的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

5 仿真分析

應(yīng)用Matlab的動(dòng)態(tài)仿真工具Simulink對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真模型參數(shù)：直流電壓UDC=280V、逆變額定輸出電壓UO=220V、輸出頻率f=50Hz、濾波電容C2=30μF、濾波電感L1=1mH、負(fù)載RL=5Ω、開關(guān)管的頻率f=10kHz；內(nèi)環(huán) KpI=4.49×10-4、 KiI=5.63；外環(huán) KpO=0.0936、KiO=57.8448。 重復(fù)控制器的各參數(shù) Q（z）=0.95、N=200、k=4。

仿真結(jié)果顯示，該系統(tǒng)可獲得50Hz的220V的穩(wěn)定交流電，且系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，超調(diào)量小，穩(wěn)態(tài)誤差較小，逆變輸出電壓波形的總諧波失真THD小于3%，能夠滿足5kVA電力專用UPS中逆變電源系統(tǒng)的使用要求。

6 結(jié)論

逆變電源系統(tǒng)可將190～286V的直流電轉(zhuǎn)換成50Hz的220 V的穩(wěn)定交流電，并有較好的穩(wěn)、動(dòng)態(tài)性能。各電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、成本低，達(dá)到了5kVA電力專用UPS中逆變電源系統(tǒng)的使用要求。

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