如何设计一种在线式不间断逆变电源装置？

前言

在科学技术日益发展的今天，现代化的工业控制设备、通信装置及科研实施等都将以电子计算机、具有微处理器的监控设备等为核心。而这些器件是一种精密电子设备，大部分都需交流供电，且他对交流电源的供电质量、可靠性和连续性（不间断）等都有严格的要求，要求供电间断时间不得大于25%的工频周期。市电的电压波动、脉冲干扰和突然中断，将会导致随机存储器数据丢失和程序破坏，造成极坏的后果。特别是在金融、通信和电力部门等，对市电的要求更加严格。

为了解决以上问题，各种各样的不间断逆变电源（简称UPS）都相继出现。并且成为各系统必不可少的配套设备。因它具有稳压、稳频、滤波和抗干扰等功能，更重要的是在交流断电时能不间断的继续输出交流正弦波，所以UPS在各系统中的作用是可想而知的。按功能可分为在线式和备用式，按输出电压分为方波、准方波和正弦波等。本文介绍的是输出为纯净正弦波的在线式不间断逆变电源的设计。

系统结构及工作原理

在线式不间断逆变电源装置的系统结构如图1所示，它由电子旁路、AC/DC整流电路、用SPWM控制的DC/AC逆变电路、输出切换电路、DSP控制及保护电路、单片机监控及LED和键盘组成的人机界面等部分构成。AC/DC整流电路为全桥二极管整流，将市电整流成逆变所需的直流电压;DC/AC部分主要是把直流转变成交流，靠DSP等控制部分产生可变的SPWM波来控制逆变输出电压的大小等；输出切换开关是利用单片机根据不同的情况切换继电器，使其不间断的输出。

在线式正常工作情况下，市入经输入隔离变压器整流后变为直流电，该直流电经逆变转换为高质量的交流向负载供电，若市电失电时，自动由输入的备用蓄电池向逆变器供电，市电恢复时，自动转为市电整流后逆变供电。若市电正常逆变故障时，则自动通过输出切换开关不间断地将负载切向电子旁路供电，等故障排除后又恢复至逆变供电。

控制部分

目前对逆变部分的控制及产生SPWM波的方式主要有两种，一种是靠传统的模拟集成电路来实现，该种方法较为成熟，鲁棒性好，但电路较复杂，调试极不方便也极不灵活，且无法适应现代数字技术（如并机等）的要求。另一种是用全数字来实现，由高速处理器（如DSP）来运算控制直接产生SPWM波，省去了较多的模拟集成电路，该种方法简单且灵活，但对系统的参数较敏感，对实时性要求很高，鲁棒性较差。鉴于以上原因，本文介绍了一种模拟和数字相结合的控制方式。

正弦波的给定由数字给定，SPWM调节控制由模拟实现。对于SPWM调节控制部分目前也有多种，传统模拟的控制方法是一种单一的电压有效值控制方法，该方法只能保证稳态输出电压有效值恒定，而电压谐波含量大，且电压的波形质量得不到保证，动态响应特性不好。因此，为了克服传统控制方案的不足，目前有许多种“瞬时”反馈调节的方法。主要有：单一的电压瞬时值反馈、带滤波电感电流内环的电压瞬时值反馈、带滤波电流内环的电压瞬时值反馈。本文是选用的是电感电流内环的电压瞬时值反馈的调节方法。电感电流内环的电压瞬时值反馈的调节方法虽动态响应特性较好，但由于采用了瞬时电感电流内环和电压瞬时值反馈，因此在突加载和突减载时输出电压的幅值变化较大，稳压效果差，所以本文在原有的基础上又加了一级输出电压有效值外环。即通过数字部分的高速处理器不停的采集输出电压的有效值。如在突加减载时输出电压有所变化，则在给定的正弦波基础上乘以一个系数以调节输出电压。

综上所述，不间断逆变电源系统的线性化等效模型如图3所示，其中Vo、IL、Ic、Io为图2个部分所示参数。Kp为数字处理器根据采集输出有效值的变化，而相应乘以的系数。ΔUd为调节输出变压器的偏磁问题，主要是由各种非理想因素原因影起在变压器中存在直流分量。Vf为输出电压反馈，Ilf为输出电感电流反馈。

输出切换开关

大多数UPS的输出切换，一般都采用三种方式：第一是用无触点的固态继电器；第二是用有触点的常规继电器；第三则是固态继电器和常规继电器相结合的方式。一般来说固态继电器适用于大电流且切换速度较高的场合，不足之处是其有通态压降和LC电路，所以通态压降损耗会转化为热能，须加散热器散热；而LC电路引起的漏电流则使固态继电器不能完全关断，特别是小电流的情况下;另外大部分固态继电器都需零电压或零电流才能关断，所以切换时间还受负质的影响。常规有触点继电器则与固态继电器则相反，触点电阻小，无需加散热器；无漏电流，关断时间不受负载性质影；但切换时间较长，且有拉弧，影响其寿命。现在好多 UPS都采用两种继电器配合使用，切换瞬间用固态继电器，然后用常规有触点继电器，达到提高切换速度而又无需散热的目的。但对于小功率UPS来说常规继电器的切换速度还是能满足UPS的输出切换要求的。

锁相功能

UPS要达到不间断输出的目的，除了要求切换时间短以外，还必须要求逆变输出电压和电子旁路的电压在频率和相位上必须一致，这样切换的波形才是完美的。以往人们都采用模拟的锁相环来跟踪电子旁路的相位和频率，达到锁相的目的。本文采用DSP外部捕获口，对电子旁路的相位和频率进行高速的采集，跟踪速度快，精度高。

告警和保护功能

在UPS的实际运行中，不管是其本身还是外部有时会出现各种意想不到的问题，因此在UPS装置中告警和保护功能是必不可少的。告警可以提醒运行维护人员及时处理问题，防止事故发生，保护则可以防止设备永久损坏，事故不断扩大。如在交流市电掉电时，由蓄电池逆变供电，但蓄电池的容量是有限的，深度放电将导致蓄电池永久损害。为了避免深度放电故障的发生，在蓄电池逆变供电过程中，必须设有蓄电池电压过低告警和保护功能，只要蓄电池电压达到放电下限电压则停止逆变，并告警通知运行人员及时处理。

另外在UPS的使用过程中，有时会出现输出瞬时短路的情况，因此必须有输出短路保护功能，防止事故扩大。其它如过温、交流输入等都得有告警和保护功能。

实验结果

采用上面所介绍的主电路结构和控制等方法，本文研制了一台1KVA 的UPS、交流输入和输出都有工频变压器进行隔离，输入变压器变比为1：1、输入滤波电感为5mH、输出变压器变比为1：2、输出交流滤波电感为2 mH、输出滤波电容为25uF、输出切换采用有触点和无触点两种继电器配合、数字正弦波给定和控制部分采用美国德州仪器生产的TMS320F240芯片、逆变主电路的功率器件采用富士生产的6MBP50RA060模块（里面直接带驱动和保护）。

该装置的部分的测试结果为：

1）切换时间为《5ms。

2）　谐波失真《3%。

3）　稳压精度《±1%。

4）　稳频精度《±0.5%（直流供电）

结论

本文采用输入输出工频变压器隔离，数字与模拟控制技术相结合，直接采用富士生产的6MBP50RA060模块来设计的1kVA在线式不间断逆变电源装置装置，该装置具有以下优点：

1）IPM全桥逆变，高频SPWM调制，输出为完善的正弦波

2）可靠的输入输出工频变压器隔离

3）高精度稳压稳频

4）较小的谐波失真

5）高速双CPU微处理器，快速的控制，完善的监控，友好的人机接口