一种采用DSP控制并基于三相半桥逆变器的UPS

1 引 言 逆变器是不间断电源（UPS）的主体部分，是将 直流电能转换成交流电能的必由途径[1]。传统的在线 式UPS常采用三相全桥逆变器[2~4]，其优点是利用一 组电池就能提供较大的功率，从而有利于减少每一 个管子上的电压；主要缺点：一是输出三根都是火 线，必须经过“△-Y”隔离变压器才能得到三相四线 制的输出电压；二是由于每一路输出电压都需要两 对管子参加工作，这就造成了当三相负载不平衡时， 而影响三相输出电压的精度。 针对上述三相全桥逆变器的缺点，介绍了一种 采用DSP控制的三相半桥逆变器，分析了其工作原 理，在该基础上进一步分析了基于三相半桥逆变器 的在线式UPS的工作原理，并给出了主电路结构和 软件，最后通过仿真和实验结果证明了该 设计方案的可行性。 2 三相半桥逆变器主电路结构及工作 原理 图1示出三相半桥逆变器主电路结构。要得到与 采用三相全桥逆变器设计的UPS同样的功率，需将 原来用于全桥的电池组数量增加一倍，但容量减半。 半桥逆变器的控制电路和工作过程比全桥逆变器简 单，从而提高了整个UPS系统的可靠性。现以一组开 关管VT5和VT6为例，讨论产生一路正弦波的过程。 (1)产生正半波的过程(见图1a) 当由DSP产 生的脉宽调制信号在某一时刻打开VT5时，电流路径 如图1a中i正 1的实线箭头所示。在此过程中，GB1除 了向负载1提供能量，同时对于电感L1也是一个充 电储能过程；当VT5导通结束，由于L1上储存了能 量，在VT5快速关断的激励下，产生反电动势阻止电 定稿日期:2007-01-22 作者简介:黄玉水(1969-),男,江西南昌人,博士,副教 授。研究方向为电力电子技术与应用。 一种采用DSP控制并基于三相半桥逆变器的UPS 黄玉水 1,侯明鑫 1,吴胜益 2 （1.南昌大学，江西 南昌 330031；2.江西公安专科学校，江西 南昌 330043） 摘要:针对基于三相全桥逆变器的不间断电压（UPS）缺点，提出了一种用TMS320LF2407控制的基于三相半桥 逆变器的在线式UPS。详细分析了该UPS的工作原理和电路结构，给出了软件设计方案。通过仿真和实验结果表明， 该UPS系统具有带三相不对称负载能力强，输出电压波形总谐波失真度（THD）小，工作效率高等优点。 关键词:逆变器；不间断电源/数字信号处理器 中图分类号:TM464 文献标识码:A 文章编号:1000-100X（2007）04-0053-03 ApplicationofDSPinUPSControlbasedonThree-phaseHalf-bridgeInverter HUANGYu-shui1，HOUMing-xin1，WuShen-yi2 （1.NanchangUniversity，Nanchang330031，China；2.JiangxicollegeofPublicSecurity，Jiangxi330043，China） Abstract:AstothedeficienciesofUPSbaseonthree-phasefull-bridgeinverter，athree-phasehalf-bridgeinverterof on-LineUPScontrolledbyTMS320LF2407isproposed.Inthispaper，theprinciplesofoperationandthecircuitstructure oftheUPSareanalyzedindetailandthesoftwaredesignschemeispresented.SimulationandexperimentshowtheUPS systemhasthemeritsofstrongabilitywiththree-phaseunbalancedload，lowtotalharmonicdistortion （THD） ofoutput voltage，highworkefficiency. Keywords:inverter；uninterruptedpowersupply；digitalsignalprocessing 图1 三相半桥逆变器主电路结构 电力电子技术 PowerElectronics 第41卷第4期 2007年4月 Vol.41,No.4 April,2007 53 电力电子技术 PowerElectronics 第41卷第4期 2007年4月 Vol.41,No.4 April,2007 流突变，电流路径如图1a中i正 2的虚线箭头所示。在 此过程中，L1将存储的能量回馈给了GB2。显然VT5 每一次导通都伴随着一次能量的回馈，由于输出波形 的后面是LC滤波器，这样负载1上便得到了正弦波 的正半波，此时电流方向由电路指向负载。 (2)产生负半波的过程(见图 1b) 当产生正弦 波正半波的过程结束后，由DSP产生的PWM控制 信号开始触发 VT6，使 VT6导通，电流路径如图 1b 中i负 1的实线箭头和i负 2的虚线箭头所示。在此 过程中，与产生正半波的过程类似，显然 VT6每一 次导通后也伴随着一次能量的回馈，经LC滤波器 后，负载1上便得到了正弦波的负半波。这样，产 生一路正弦波的过程结束，另两路产生正弦波的 过程分别对应 VT1和 VT2，VT3和 VT4，其原理与 VT5和VT6的一致。 由此可见，三相半桥逆变器电路产生的三相输 出电压分别对应三组桥臂 VT1和 VT2，VT3和 VT4， VT5和VT6，由于这三组桥臂相互独立工作，使得：① 在产生三相输出电压时就相互隔离，不存在相互影 响的问题；②当带三相负载不平衡时，有较高的输出 电压精度;③省去了与三相全桥逆变器相连的“△-Y” 隔离变压器，实现了三相四线制。 3 基于 TMS320LF2407的三相在线 式UPS结构及原理分析 3.1 UPS结构 图2示出基于DSP的三相在线式UPS的结构。 主要由主电路和控制电路构成。前者，由输入变压器、 输入滤波电路、电压电流检测电路、功率电路、输出滤 波电路及静态开关等组成。其中功率电路包括输入功 率校正部分 （PFC）、三相半桥逆变器及DC/DC三部 分。后者，由数字信号处理器TMS320LF2407构成。其 为整合性DSP软件工具CodeComposer，可方便地对 控制程序进行编写、执行和查错。输入端和输出端的 电流、电压检测电路均是双闭环控制系统，一个是电 压环，另一个是电流环。 3.2 UPS的工作原理 （1）当市电正常供电时，市电经输入变压器后，一 方面给蓄电池充电，另一方面经过PFC整流成400V 的直流稳压电源，然后再利用空间矢量脉宽调制法 （SVPWM），在逆变器内将直流电逆变为高质量的正 弦波交流电输出给负载。此时，二极管VD1反偏截止。 （2）当市电异常时，如欠压、断电，VD1的阴极电 压将低于360V。此时，VD1正向导通，蓄电池组为逆 变器提供直流电，从而保证电源的逆变器继续以无 时间中断及无波形扰动的方式向负载提供高质量的 正弦波交流电。 4 系统软件设计 软件设计主要针对逆变器的控制。即定时器1 提供 PWM的产生、A/D采样和高频电流控制环等 的时基；定时器2提供低频电压控制环的时基，两者 均工作在连续增/减计数模式。中断屏蔽寄存器 IMR，EVIMRA和EVIMRB配置成允许定时器 1和 定时器2的下溢和周期中断。由三相半桥逆变器的 工作原理可知，逆变器每一相的上下桥臂是互补导 通的，为避免发生短路，击穿器件，要求上下桥臂不 能同时导通，因此由DSP产生的死区波形是单边不 对称的。为了保持逆变后输出电压不变，控制程序根 据测量反馈的输出电压采用数字PID控制算法得到 控制电压。图3示出DSP控制主程序及INT3中断 子程序流程图。 5 仿真与实验结果 为了验证以 TMS320F2407为控制核心的 UPS 采用不同逆变器时的工作效果，分别对三相全桥和 半桥逆变器在三相不对称负载时的工作情况进行了 仿真和实验。图 4a，c示出在 MATLAB环境下，以 SimPowerSystems中的UniversalBridge为核心，分别 构建成三相全桥和半桥逆变器加三相不对称感性负图2 基于DSP的三相在线式UPS结构图 图3 DSP控制程序流程图 54 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 载时的三相输出电压uA，uB，uC仿真波形。具体参数： A相负载为3kVA，功率因数cosφ=0.8；B相负载为 3.5kVA，功率因数cosφ=0.9；C相负载为2kVA，功率 因数cosφ=0.6。图4b，d示出两台UPS实验样机的 两相输出电压uA，uB实验波形。其中，UPS1采用三相 全桥逆变器；UPS2采用三相半桥逆变器，其它参数 与仿真时的相同。 表 1给出当负载为三相不对称感性负载时， UPS1和UPS2运行时的性能指标。由表1实测数据 可见，采用三相半桥逆变器设计的UPS2，无论是输 出单相、三相电压，还是谐波失真度THD都优于采 用三相全桥逆变器设计的UPS1，通过图4的仿真和 实验波形也可直观看出，采用三相半桥逆变器设计 的UPS2在三相不对称负载下有较好的输出电压波 形，最终使得UPS2的整机工作效率较高。 6 结 论 提出了一种用DSP控制的基于三相半桥逆变 器的在线式UPS。解决了传统采用三相全桥逆变器 电路设计的UPS输出电压精度不高，以及必须通过 “△-Y”隔离变压器才能形成三相四线制的两个缺 点。通过仿真和实验证明了该设计方案的优越性。 参考文献 [1] 王兆安，黄 俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版 社，2000. [2] FarrukhKamran，ThomasGHabetler.ANovelOn-lineUPS withUniversalFilteringCapabilities[J].IEEETrans.on PowerElectron，1998，13（3）：410~418. [3] 周永鹏，张 琦，黄锦恩.基于DSP的大功率UPS逆变 系统研究[J].电力电子技术，2005，39（3）:79～80. [4] 李 磊，胡文斌，陈劲操.两种移相控制全桥式高频环节 逆变器比较研究 [J].中国电机工程学报，2006，26（6）: 100～104. (上接第5页) 联而成，其 Rb=0.25Ω，L1=75μH，输入电容 Cin= 200μF。电机采用无刷直流电机，其额定转速 n= 2300r/min，额定电压Ue=260V。图5示出电感电流处 于连续和断续两种情况下的充电电流i实验波形。 可见，其具有良好的恒流特性。 4 结 论 从理论上研究了HEV系统中所用的充电电路。采 用等效电阻分析法确定出蓄电池充电时的最大电压增 益与电路内阻和电池内阻的关系。由此，可根据已知的 电路电阻，并对应不同的电池内阻确定出系统的最小 充电电压，从而获得电机能量反馈的最低转速。该分析 方法为HEV系统设计提供了一定的参考依据。 参考文献 [1] BarsaliS，CeraoloM，PossentiA.TechniquetoControl ElectricityGenerationinaSeriesHybridElectricalVehi- cle[J].Trans.onEnergyConversion，2001，17（2）：260~266. [2] 刘忠祥，邱阿瑞，柴建云，等.TMS320F241在混合动力汽 车电机控制中的应用[J].电子技术应用，2002，（8）：77~78. [3] 梁秀玲，李优新，王鸿贵，等.新型可调磁永磁无刷直流 电动机在电动汽车中的应用[J].广东工业大学学报，2004， 21（4）：1~5. [4] 张 欣，郝小健，李从心，等.并联式混合动力电动汽车 动力总成控制策略的仿真研究 [J].汽车工程，2005，27 （2）：141~145. [5] 陈洁平，王耀南，徐 华，等.基于DSP的混合动力汽车 能源总成控制系统[J].控制工程，2003，10（6）：515~517. 图5 实验结果 具体参数 UPS1 UPS2 三相负载能力 18kVA 18kVA 输入逆变器电压 DC360～400V DC360～400V 输出单相电压 AC220V±5% AC220V±2% 输出三相电压 AC220V±5% AC220V±2% 输出频率 50Hz 50Hz 谐波失真度 THD<6% THD<2% 整机效率 η>92% η>97% 表1UPS1和UPS2运行时的性能指标 图4 仿真与实验结果 一种采用DSP控制并基于三相半桥逆变器的UPS 55