基于DSP技術的在線式UPS設計與研究

徐圣杰

（雅安職業技術學院，四川 雅安 625000）

1 在線式UPS原理

在線式UPS工作原理如圖1所示。其中，EMI濾波器作為輸入濾波器使用，起到了兩方面的作用。一方面能夠濾除干擾，隔離市電，防止對UPS電路板的信號傳輸產生共模和差模干擾，另一方面防止UPS在逆變時產生的高頻開關信號產生諧波，干擾市電。在線式UPS的輸出功率始終由逆變器提供，由于UPS逆變器使用的是高頻開關，因此無論市電是否正常，切換時間都可忽略[1]。市電經AC-DC整流再后經DC-AC逆變為正弦電壓為負載供電，旁路電池由AC-DC轉換器充電，電源異常時由蓄電池供電，逆變器進行交直流轉換，將直流電轉換為正弦交流供電負載。如果逆變器發生故障，靜態開關將直接由市電供電[2]。

2 SVPWM調制算法分析

對于UPS逆變方式，簡單的正弦波SPWM不能保證電流和電壓在同一相位，控制效果比較一般，因此本文提出了SVPWM調制方式。空間矢量脈寬調制（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）是在交流電機變頻調速的基礎上發展而來的，通過改變PWM逆變器的不同開關狀態組合輸出波形近似正弦。與方波調制技術相比，SVPWM有許多優點，最為突出的優勢就是其占空比接近于1，運行起來更加平穩，且易實現數字化。

SVPWM通過對6個開關管進行適當的PWM控制，使3個分矢量合成1個大小不變的旋轉總矢量[3,4]。取開關函數為Sk，其表達式如下：

為便于分析，建立如圖2所示的坐標系圖，其合成空間矢量為：

圖1 在線式UPS工作原理圖

式中，定子三相電壓ua、ub、uc與開關函數Sk的關系為：

式中，UDC為SVPWM逆變器輸出的線電壓峰值。

圖2 合成矢量與各坐標系之間的關系示意圖

根據開關函數Sk的取值不同，6個開關管可以產生8種不同的狀態組合，分別對應8個空間矢量。SVPWM技術在進行扇區判斷時，需要用到合成的電壓矢量在α軸和β軸上的投影uα和uβ，根據Clarke變換可得：

求取其投影，可得不同的開關組合與電壓矢量的投影分量，8種開關狀態下的矢量及其分量的對應關系如表1所示。

表1 8種開關狀態下的矢量及其分量

由式（4）和表1可知，矢量V1～V6為6個不為零的開關向量，輸出線電壓峰值相等，均為：

V0和V7都是零矢量，電壓矢量空間由6個非零開關矢量劃分為6個扇區。電壓矢量空間的分布用圖形表示如圖3所示，零向量V0和V7位于扇區的中心。

圖3 電壓空間矢量

設某合成矢量位于第一扇區，其相位為θ，模長度為Vr，一個完整的PWM周期為Ts，則其作用效果可用開關向量V1持續時間T1和開關向量V2持續時間T2來等效，即：

要使PWM逆變器工作在線性調制范圍內，則要求T1+T2≤Ts且T0≥0，將其代入式（8）可得：

對于任意θ值，式（9）都應成立，其右邊取下限值后可得：

3 UPS系統的硬件設計

本文采用DSP數字處理器設計UPS控制板電路。系統的主要模塊可分為母線電壓檢測模塊、幅值檢測模塊、SVPWM產生模塊以及過電壓過流保護模塊。總線電壓檢測模塊如圖4所示，總線電壓經RC低通濾波器分壓后送入DSP的ADCINA2，另一條總線的電壓通過逆變器和RC濾波器分接到ADCINA3引腳上進行AD轉換。

圖4 總線電壓檢測模塊

幅值檢測模塊如圖5所示。該模塊的功能是檢測輸入輸出電壓和電流的幅值，設計了一種正向單向有源精密探測器，其目的是獲得輸出和輸入信號的幅值，并驗證這兩個信號是否具有明顯的線性關系，從而避免普通二極管電路引起的非線性失真。

圖5 幅值檢測模塊

SVPWM生成模塊如圖6所示。本文中的UPS采用SVPWM調制方式來實現脈寬調制，利用比較器對三角波和正弦波進行比較，得出三角波與正弦波的時間間隔作為脈沖寬度。

4 實驗結果

實驗過程中，利用示波器檢測市電正常與市電突然掉電情況下的波形。若電網異常，系統自動切換為電池逆變狀態，切換時間小于10 ms，因此可忽略，表明該UPS對電網狀態檢測響應速度快，切換時間短。電網欠壓小于190 V時，UPS輸出由電網轉換為電池逆變狀態，通過逆變器對負載供電，并利用軟開關技術縮短了切換過程，減小了電壓波動。由此可見，UPS系統動態響應速度快，能夠滿足穩定性和動態性能的要求。

圖6 SVPWM產生模塊

5 結 論

文章完成了基于DSP技術的在線式UPS設計。在線式UPS電源在市電正常時先進行AC-DC變換，然后進行SVPWM調制和濾波，將直流電逆變為交流電向回路的負載供電，同時利用軟開關技術縮短了切換過程，減小了電壓波動。