數控UPS電源技術原理及典型應用
2021-12-26 15:32:40
| 摘要：數字控制UPS是近年發展起來的新型電源技術，本文分析了數字控制UPS的應用優勢，介紹了基于DSP的數字控制UPS的工作流程和組成結構，深入剖析了關鍵電路的結構功能，對于數字控制UPS的設計應用具有重要的實踐指導意義。 |
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一、數字控制UPS的應用優勢
有了高速數字信號處理芯片的支持，采用數字化的控制策略不僅可以較好的解決UPS電源模擬控制里的有關問題，而且還增加了UPS電源模擬控制中很難實現的一些控制功能，其主要應用優勢有：
（1）數字化控制可采用先進的控制方法和智能控制策略，使得UPS的智能化程度更高，性能更加完美。智能化控制代表了自動控制的最新發展階段，繼承了人腦的定性、變結構、自適應等思維模式，也給電力電子控制帶來了新的活力。在高頻開關工作狀態下，逆變電源的模型更加復雜化，這是模擬控制或經典控制理論難以有良好控制效果的，而采用先進、智能化的數字控制策略，就可以從根本上提高系統的性能指標。
（2）控制靈活，系統升級方便，甚至可以在線修改控制算法，而不必對硬件電路做改動。數字控制系統的控制方案體現在控制程序上，一旦相關硬件資源得到合理的配置，只需要通過修改控制軟件，就可以提高原有系統的控制性能，或者根據不同的控制對象實時、在線更換不同控制策略的控制軟件。
（3）控制系統可靠性提高，易于標準化。由于數字控制的高可靠性，必然使得整個控制系統可靠性的提高，而且可以針對不同的系統（或不同型號的產品），采用統一的控制板，而只需要對控制軟件做一些修改即可，這對生產廠家而言是有著巨大的吸引力的。
（4）系統維護方便，系統一旦出現故障，可以很方便地通過RS-232或RS-485接口或USB接口進行調試，故障查詢，歷史記錄查詢，軟件修復，甚至控制參數的在線修改、調試。這樣就可以以較低的成本完成自我校正及遠程服務，給廠家的售后服務帶來了極大的方便。
（5）系統一致性好，成本低，生產制造方便。由于控制軟件不會像模擬器件那樣存在差異，所以對于同一控制程序的控制板，其一致性是很好的，也沒有模擬系統中模擬器件調試帶來的差異問題，那么同一控制板的一致性就會比模擬系統高很多。采用了軟件控制，就實現了硬件軟件化，使控制板的體積大大減小，生產成本下降。
（6）易于組成并聯運行系統。由于單位UPS系統均是數字控制，有相應的控制變量代表系統中的狀態量，那么就可以較方便地獲得均流所需要的信息，利用相應的均流算法實現UPS的并聯運行系統。
二、DSP控制的UPS工作流程
DSP控制的數字式UPS電源的工作流程是：當市電正常，輸入電壓、頻率在允許的范圍時，PFC部分對輸入進行功率因數校正，使得該系統的輸入功率因數為0.98左右，同時避免對電網產生污染，輸入的市電經PFC環節變換得到400V直流輸出電壓，為后面的逆變電路提供能量。同時DC/DC部分仍然在正常工作，只是由于電池電壓經過DC/DC電路變換得到360V輸出電壓，略小于市電經PFC變換得到的直流母線電壓，這樣通過二極管就將它和直流母線隔離，DC/DC部分空載運行，處于熱備用狀態。當市電不正常時，市電掉電或者輸入電壓、頻率不在允許的范圍時，市電經PFC得到直流母線電壓迅速降低，當低于360V時，二極管導通，使得直流母線電壓維持在360V，此時逆變器得到的能量是由電池電壓經由DC/DC電路變化得到的直流母線電壓。無論市電是否正常逆變部分均可以正常的工作。一般蓄電池可提供幾分鐘到幾十分鐘的后備供電時間，大容量的電池組的后備供電時間可以達幾個到幾十個小時，對于備有柴油發電機的用戶，可以在市電停電5~10秒之內把柴油發電機投入到UPS電源的輸入端，可以在長時間停電的情況下向用戶提供高質量的正弦波電源。經處理以后的市電同時還送給市電電壓/流相位測量電路，產生市電電壓信號和相位信號，供微處理器電壓/流測量和同步鎖相之用。這樣就實現了對負載的不間斷供電功能。
三、DSP控制的UPS組成結構
UPS要實現數字化控制，那么用更多的模擬器件才能實現的控制功能和算法就可以通過DSP的軟件的編程來實現，所以整個UPS的結構就相比較用模擬器件的實現的UPS的整體結構要簡單得多。如圖1所示下面就是數字化的UPS的整體框圖。主要由輸入功率因數校正、逆變部分、DC/DC等組成。
圖1基于DSP控制的UPS原理框圖
四、DSP控制的UPS關鍵電路結構
（1）UPS的功率校正電路
輸入功率因數校正電路如圖2所示主要由功率管T5、電感L1、二極管D1、電容C1組成。它為輸入部分提供功率因數校正功能，并且提升電壓至400V。
圖2輸入功率因數校正電路圖
