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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(lái)越廣泛的用于銀行、證券,、航空和軍事等重要部門(mén),。同時(shí)，越來(lái)越多的民用場(chǎng)合也開(kāi)始使用UPS來(lái)保證供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性,。目前國(guó)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(zhǎng)。市場(chǎng)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(chǎng)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(guò)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(wú)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?jiǎn)苇h(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(guò)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(kāi)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(chǎng)合; 差分電路雖然簡(jiǎn)單,，方便，但是并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)真正的隔離,，因此也不適用與并聯(lián)場(chǎng)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(guò)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(wú)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(kāi)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(guò)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(jiàn),，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(wú)插入損壞,，抗*力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。AP具有精度高,，線性度好,，過(guò)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(chǎng)需求越來(lái)越大,，但是對(duì)UPS系統(tǒng)性能的要求也越來(lái)越高。UPS并聯(lián)方案越來(lái)越受到市場(chǎng)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(chǎng)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。