一种在线式不间断逆变电源装置的设计

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

图2为逆变部分主回路原理图，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。