雙變換在線式UPS同步鎖相控制系統的工作原理

尹國強

中國民用航空華北地區空中交通管理局 北京100621

一、同步鎖相控制系統的必要性

首先,我們都應明白,UPS不間斷電源是專門應用在對供電級別要求高的場合中。在各類的UPS設備中,只有在線式UPS才真正具有不間斷供電的功能,因其高可靠性被廣泛應用于大型數據中心。不論是一體化UPS高頻機還是大容量模塊化UPS,也都是在在線式UPS的基礎之上發展而來。與靜態轉換開關STS和ATS-16 A設備的兩路輸入電源“先斷后合”的切換方式不同,在線式UPS在需要進行切換操作時采用“先合后斷”的工作方式,即先將逆變器電源與靜態旁路電源并聯輸出后,再切斷原路輸出電源。這就要求UPS在旁路市電正常情況下,逆變器電源能緊密跟蹤靜態旁路電源并與之保持同步,否則UPS在逆變器電源和靜態旁路之間進行切換時,輸出電壓的跳變不僅會帶來較大的諧波,也可能會給后端負載的正常運行造成不利影響。在線式UPS設備內部用到同步鎖相控制電路,可時刻控制逆變器電源的輸出,達到與靜態旁路電源同步鎖相的目的。

二、UPS設備中鎖相環的工作原理

鎖相環(PLL)是在線式UPS設備內各控制電路中的一個同步鎖相電路模塊。傳統鎖相環通常是由鑒相器(PD)、環路濾波器(LF)和壓控振蕩器(VCO)三部分組成,其鎖相環基本結構如下圖1。

圖1 鎖相環基本結構框圖

其中,是靜態旁路電壓采集信號;是壓控振蕩器輸出信號;是誤差電壓信號;是濾波后的控制電壓信號。鎖相環是一個負反饋的閉環控制系統,能夠自動跟蹤輸出信號的相位和頻率。

當控制電路采集到旁路電壓信號時,和同時被送入鑒相器進行相位比較,檢測兩信號之間的相位角,將檢測出的相位差轉換成輸出,若兩信號的角頻率相等,則其輸出的信號為恒定值;環路濾波器濾除中的高頻成分和噪聲后,輸出直流控制電壓(t);壓控振蕩器在(t)的作用控制下將調整它的輸出信號的頻率和相位,使與之間的相位和頻率差逐漸趨近于零,此時控制系統實現相位和頻率的鎖定。

壓控振蕩器的輸出信號的頻率迅速跟的頻率變化。所有UPS設備對旁路市電電源的頻率都有明確的跟蹤范圍,當旁路電壓采集信號缺失或者工作頻率超過UPS設備所規定的頻率范圍時,鎖相環會進入失鎖工作狀態,此時壓控振蕩器送出的的頻率只受控于本機振蕩的工作頻率。經分頻器處理后會形成50 Hz的控制信號,該信號進入正弦波發生器后形成工頻基準正弦波調制信號,該調制信號與三角波載波一起控制PWM波電路工作,產生的PWM信號控制逆變器開關器件IGBT的通斷,最后逆變器輸出等效于標準正弦波的SPWM波形。這就是在線式UPS逆變器電源追蹤靜態旁路市電的工作原理。

三、UPS設備同步鎖相的實現方法

鎖相控制的鎖相速度、精度直接影響將到UPS逆變器輸出的工作性能。因此,鎖相控制系統要具有速度快、精度高、較強的抗噪聲和抗干擾能力。

目前,數字鎖相環(DPLL)廣泛應用在UPS領域。數字鎖相環的基本結構如下圖2。

電壓互感器將采集到的與電網電壓同頻率、同相位的低壓信號,分兩路送給精密整流器和過零比較器,分別生成直流電壓信號和交流信號。直流信號經過微處理器得到電網電壓幅值參數。交流信號經過微處理器得到電網電壓頻率和相位參數。微處理器將所得到的電網電壓幅值、頻率和相位處理后,經D—A轉換輸出為PWM脈沖信號。最后經低通濾波器、反相器和模擬切換開關輸出標準正弦波。

另一種是采用坐標旋轉變換法的軟件鎖相環(SPLL)。通過軟件編程,經微處理器內部集成的PWM波發生電路,發出各頻率的PWM波來實現鎖相控制。其工作方式為,先將檢測到的旁路三相電壓信號經Clark坐標變換轉換成靜止坐標系上的兩相電壓信號,再由靜止坐標系下兩相電壓信號經Par k變換后,轉換成同步旋轉坐標系上的dq電壓信號,最后通過PID控制器使其q軸分量為零,實現鎖相。用相量圖表示如圖3所示。

是輸入鎖相環的電壓相量;是鎖相環輸出電壓相量;是輸入鎖相環的電壓相量的相量角;是鎖相環輸出電壓相量的相量角;是輸入鎖相環電壓的相量角速度;是鎖相環輸出電壓的相量角速度。

圖2 數字鎖相環控制原理

圖3 同步旋轉坐標系SPLL相量圖

當鎖相環精確鎖定輸入信號時,和會完全重合,即=。當旁路電壓的相位發生變化時,該dq軸上的空間相量位置將產生差異,通過控制電路調節使為零,實現與靜態旁路的同步鎖相。圖4為軟件鎖相環控制系統框圖。

圖4 同步旋轉坐標系控制框圖

假設為三相電壓有效值。那么三相輸入電壓就能表達為

再將進行Clark變換,得到靜止坐標系下的和,即

最后將和進行Park變換,得到旋轉坐標系下的和,即

相位實現鎖定時,的差值非常小,();正比于鎖相環輸入、輸出電壓的相位差;通過PID控制器調節輸出相位,當=0時,鎖相環實現與靜態旁路的同步鎖相。

由于鎖相環電路的作用,在線式UPS在旁路市電幅值正常,頻率處于在45 Hz55 Hz內時,逆變器輸出電源始終跟蹤靜態旁路電源,其鎖相精度在以內。當旁路市電斷電或者異常波動時,逆變器停止跟蹤,回歸到本振50 Hz的運行狀態。

四、結束語

在線式UPS在開機以后就應時刻準備逆變器與靜態旁路之間平滑、可靠的切換。在同步鎖相控制電路的作用下,在線式UPS的切換操作實現了“先合后斷”的工作方式,使其在進行切換操作時具有了連續的平穩輸出,這減少了對后端負載的沖擊。所以,在線式UPS設備中同步鎖相控制系統的作用是非常重要的。