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傳感器在UPS逆變器并聯(lián)系統(tǒng)中的應(yīng)用
傳感器在UPS逆變器并統(tǒng)中的應(yīng)用
引言
為了向關(guān)鍵負(fù)載提供純凈、高性能、高可靠性的電源，UPS越來越廣泛的用于銀行、證券、航空和軍事等重要部門。同時(shí)，越來越多的民用場合也開始使用UPS來保證供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。目前國內(nèi)大容量的UPS將達(dá)到9000臺(tái)/年的需要，并以15%以上的速度增長。市場客觀,前景很好。為了提高系統(tǒng)的冗余性，UPS并聯(lián)方案成為技術(shù)和市場的熱點(diǎn)。在逆變器并統(tǒng)中，各個(gè)模塊分擔(dān)負(fù)載電流、便于能量分配；具有冗余功能，系統(tǒng)可靠性高；同時(shí)具有易于模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、良好的維護(hù)性等優(yōu)點(diǎn)。如何減小環(huán)流是逆變器并聯(lián)技術(shù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在各種并聯(lián)方案中，基于電流瞬時(shí)值的均流控制策略，由于具有電壓調(diào)整率好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、均流效果佳，而被廣泛的研究和應(yīng)用。
2 逆變器并聯(lián)方案
圖1基于電流瞬時(shí)值控制的逆變器并統(tǒng)框圖
基于電流瞬時(shí)值均流控制的逆變器并統(tǒng)框圖如圖1所示。每臺(tái)UPS的逆變器的功率輸出線直接連在一起后向負(fù)載提供能量。同步母線向單臺(tái)UPS提供同步信息，保證正弦波基準(zhǔn)的同頻、同相。逆變器的輸出電流采樣通過均流控制單元產(chǎn)生均流環(huán)基準(zhǔn)信號(hào)，均流基準(zhǔn)信號(hào)與每臺(tái)逆變器的輸出電流進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，然后把誤差信號(hào)疊加到單臺(tái)逆變器的電壓環(huán)上，實(shí)現(xiàn)UPS并統(tǒng)的無環(huán)流輸出，保證每臺(tái)UPS輸出相同功率,實(shí)現(xiàn)負(fù)載均分。
圖2雙環(huán)控制下的單臺(tái)逆變器控制框圖
單臺(tái)逆變器控制方案中，可以采用電壓單環(huán)控制、電感電流雙環(huán)控制、電容電流雙環(huán)控制等方案。由于電感電流雙環(huán)控制具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、系統(tǒng)靜差小、自動(dòng)限流功能。因此，本文研究中采用電感電流控制方案，控制框圖如圖2所示。其中Lf、Cf、Rf分別是輸出濾波器的電感、電容和電感的寄生電阻；Gvcmp(S)和Gicmp(S)分別是電壓環(huán)調(diào)節(jié)傳遞函數(shù)和電流環(huán)調(diào)節(jié)傳遞函數(shù)；M是脈寬調(diào)制電壓比例增益；Kif、Kvf分別是電流環(huán)和電壓環(huán)反饋系數(shù)。為了解耦單臺(tái)逆變器和負(fù)載的關(guān)系、便于并聯(lián)分析，輸出電流當(dāng)作擾動(dòng)處理。通過戴維南變換，單臺(tái)逆變器可以用電壓源Vsysoj和輸出阻抗Zoj所組成的等效電路替代，正如圖1中所示。
3 電路實(shí)現(xiàn)
全橋電路由于其開關(guān)管電壓應(yīng)力低、控制方法靈活多樣而被普遍采用為逆變器的主功率電路，如圖3所示。其中S1、S2、S3、S4為IGBT功率管，在并統(tǒng)中，為了提高系統(tǒng)的抗干擾性，功率電路和控制電路一般不共地。
圖3全橋逆變器功率電路框圖
圖3中的V1為輸出電壓采樣點(diǎn)。對(duì)于輸出電壓采樣一般有工頻變壓器采樣、差分電路采樣和電壓JCE采樣。工頻變壓器體積大、失真度大、不能傳遞直流信號(hào)，因此不適合高精度采樣場合; 差分電路雖然簡單，方便，但是并沒有實(shí)現(xiàn)真正的隔離，因此也不適用與并聯(lián)場合。電壓JCE由于其高精度、高可靠性、隔離性好而用于輸出電壓采樣。C1、C2為電流采樣點(diǎn)。其中C1為電感電流采樣點(diǎn)，用于逆變器的電感電流內(nèi)環(huán)控制，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)；C2為輸出電流采樣點(diǎn)，作為均流環(huán)控制,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無環(huán)流輸出。
作為理想交流供電電源的逆變電路的輸出電壓應(yīng)為正弦波，不含有直流分量。但實(shí)際上，對(duì)于采用SPWM調(diào)制技術(shù)的逆變器，由于基準(zhǔn)正弦波的直流分量、控制電路中運(yùn)算放大器的零漂、開關(guān)器件不一致以及驅(qū)動(dòng)脈沖分配和死區(qū)時(shí)間的不對(duì)稱等原因，造成輸出電壓含有直流分量. 在逆變器并統(tǒng)中，直流分量電壓將會(huì)造成很大的直流環(huán)流，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的均流性能，降低并統(tǒng)的可靠性。因此,在實(shí)際應(yīng)用中，必須消除輸出電壓中的直流分量。
Uo是逆變器的輸出電壓，通過兩級(jí)RC低通濾波器組成的二階濾波電路，濾除交流成分。
該二階濾波電路的傳遞函數(shù)為：
為了濾除交流電壓成分，一般而言，RC濾波器的極點(diǎn)設(shè)置遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于輸出電壓的基波頻率。
(b) 滿載下并聯(lián)波形(Io1:10A/div; Io2:10A/div; Io1-Io2:10A/div;Io:10A/div; Vo:200V/div; t:10ms/div)
集成運(yùn)算放大器IC1、R4、R5、C3為比例積分電路，為了不對(duì)逆變器的控制系統(tǒng)產(chǎn)生影響，直流分量調(diào)理環(huán)路的帶寬應(yīng)遠(yuǎn)低于逆變器電壓環(huán)的帶寬，因此積分常數(shù)需取值較大，比例常數(shù)則需考慮后級(jí)光耦的增益作綜合考慮加以選取。如果逆變器輸出含有正的直流分量，則IC1的輸出為一個(gè)正的直流電壓值；如果輸出含有負(fù)的直流分量，則IC1的輸出為一個(gè)負(fù)的直流電壓值。
集成運(yùn)算放大器IC2與光耦組成一個(gè)隔離型的比例放大器，實(shí)現(xiàn)隔離。當(dāng)直流分量為正時(shí)，IC2驅(qū)動(dòng)OPT2，在電阻R7上產(chǎn)生一個(gè)負(fù)電壓；當(dāng)直流分量為負(fù)時(shí)，IC2驅(qū)動(dòng)OPT1，在電阻R7上產(chǎn)生一個(gè)正電壓。由此可見，光耦的輸出與直流分量成負(fù)比例關(guān)系，R7上的電壓可以直接疊加在基準(zhǔn)正弦波信號(hào)上，從而消除直流分量。
(c) 整流橋試驗(yàn)波形(Io1:10A/div; Io2:/div; Io1- Io2:/div;Io:10A/div; Vo:200V/div; t:5ms/div)
圖5 試驗(yàn)波形
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
為了驗(yàn)證前面分析的正確性，兩臺(tái)1kW，220V輸出的并統(tǒng)。其中電壓JCE用L25P，電感電流和輸出電流均采用AP。L25P具有出色的精度，良好的線性度，低溫漂，*的反應(yīng)時(shí)間，寬頻帶，無插入損壞，抗*力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。AP具有精度高，線性度好，過流能力強(qiáng)和隔離性好的特點(diǎn)。
圖5(a)是輸出電壓和基準(zhǔn)正弦波實(shí)驗(yàn)波形，輸出電壓的THD為0.6％，基準(zhǔn)正弦波的正弦度較好，圖5(b)是2KW滿載情況下的實(shí)驗(yàn)波形；圖5 (c)為整流橋負(fù)載下的實(shí)驗(yàn)波形。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在不同的負(fù)載條件下，輸出電壓穩(wěn)定，內(nèi)部環(huán)流很小，具有很好的穩(wěn)定性和快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。在帶線性負(fù)載時(shí)，輸出直流分量為0.1V，帶RCD整流橋非線性負(fù)載時(shí)，輸出電壓的直流分量為0.3V，系統(tǒng)的直流分量很小，能夠滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求。
5 結(jié)論
UPS的市場需求越來越大，但是對(duì)UPS系統(tǒng)性能的要求也越來越高。UPS并聯(lián)方案越來越受到市場的青睞。JCE傳感器由于其隔離性好，精度高，線性度好，反應(yīng)時(shí)間快和溫漂低的優(yōu)點(diǎn)廣泛的應(yīng)用與UPS的電壓和電流采樣場合。本文分析了逆變器并聯(lián)方案的特點(diǎn)和技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果標(biāo)明，系統(tǒng)的輸出電壓直流分量小，輸出電壓THD小，波形質(zhì)量好，并聯(lián)后環(huán)流小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)良好，能夠很好的滿足工業(yè)要求。