雙變換在線式UPS同步鎖相控制系統(tǒng)的工作原理

尹國強

中國民用航空華北地區(qū)空中交通管理局 北京100621

一、同步鎖相控制系統(tǒng)的必要性

首先,我們都應(yīng)明白,UPS不間斷電源是專門應(yīng)用在對供電級別要求高的場合中。在各類的UPS設(shè)備中,只有在線式UPS才真正具有不間斷供電的功能,因其高可靠性被廣泛應(yīng)用于大型數(shù)據(jù)中心。不論是一體化UPS高頻機還是大容量模塊化UPS,也都是在在線式UPS的基礎(chǔ)之上發(fā)展而來。與靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)STS和ATS-16 A設(shè)備的兩路輸入電源“先斷后合”的切換方式不同,在線式UPS在需要進行切換操作時采用“先合后斷”的工作方式,即先將逆變器電源與靜態(tài)旁路電源并聯(lián)輸出后,再切斷原路輸出電源。這就要求UPS在旁路市電正常情況下,逆變器電源能緊密跟蹤靜態(tài)旁路電源并與之保持同步,否則UPS在逆變器電源和靜態(tài)旁路之間進行切換時,輸出電壓的跳變不僅會帶來較大的諧波,也可能會給后端負(fù)載的正常運行造成不利影響。在線式UPS設(shè)備內(nèi)部用到同步鎖相控制電路,可時刻控制逆變器電源的輸出,達(dá)到與靜態(tài)旁路電源同步鎖相的目的。

二、UPS設(shè)備中鎖相環(huán)的工作原理

鎖相環(huán)(PLL)是在線式UPS設(shè)備內(nèi)各控制電路中的一個同步鎖相電路模塊。傳統(tǒng)鎖相環(huán)通常是由鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器(LF)和壓控振蕩器(VCO)三部分組成,其鎖相環(huán)基本結(jié)構(gòu)如下圖1。

圖1 鎖相環(huán)基本結(jié)構(gòu)框圖

其中,是靜態(tài)旁路電壓采集信號;是壓控振蕩器輸出信號;是誤差電壓信號;是濾波后的控制電壓信號。鎖相環(huán)是一個負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng),能夠自動跟蹤輸出信號的相位和頻率。

當(dāng)控制電路采集到旁路電壓信號時,和同時被送入鑒相器進行相位比較,檢測兩信號之間的相位角,將檢測出的相位差轉(zhuǎn)換成輸出,若兩信號的角頻率相等,則其輸出的信號為恒定值;環(huán)路濾波器濾除中的高頻成分和噪聲后,輸出直流控制電壓(t);壓控振蕩器在(t)的作用控制下將調(diào)整它的輸出信號的頻率和相位,使與之間的相位和頻率差逐漸趨近于零,此時控制系統(tǒng)實現(xiàn)相位和頻率的鎖定。

壓控振蕩器的輸出信號的頻率迅速跟的頻率變化。所有UPS設(shè)備對旁路市電電源的頻率都有明確的跟蹤范圍,當(dāng)旁路電壓采集信號缺失或者工作頻率超過UPS設(shè)備所規(guī)定的頻率范圍時,鎖相環(huán)會進入失鎖工作狀態(tài),此時壓控振蕩器送出的的頻率只受控于本機振蕩的工作頻率。經(jīng)分頻器處理后會形成50 Hz的控制信號,該信號進入正弦波發(fā)生器后形成工頻基準(zhǔn)正弦波調(diào)制信號,該調(diào)制信號與三角波載波一起控制PWM波電路工作,產(chǎn)生的PWM信號控制逆變器開關(guān)器件IGBT的通斷,最后逆變器輸出等效于標(biāo)準(zhǔn)正弦波的SPWM波形。這就是在線式UPS逆變器電源追蹤靜態(tài)旁路市電的工作原理。

三、UPS設(shè)備同步鎖相的實現(xiàn)方法

鎖相控制的鎖相速度、精度直接影響將到UPS逆變器輸出的工作性能。因此,鎖相控制系統(tǒng)要具有速度快、精度高、較強的抗噪聲和抗干擾能力。

目前,數(shù)字鎖相環(huán)(DPLL)廣泛應(yīng)用在UPS領(lǐng)域。數(shù)字鎖相環(huán)的基本結(jié)構(gòu)如下圖2。

電壓互感器將采集到的與電網(wǎng)電壓同頻率、同相位的低壓信號,分兩路送給精密整流器和過零比較器,分別生成直流電壓信號和交流信號。直流信號經(jīng)過微處理器得到電網(wǎng)電壓幅值參數(shù)。交流信號經(jīng)過微處理器得到電網(wǎng)電壓頻率和相位參數(shù)。微處理器將所得到的電網(wǎng)電壓幅值、頻率和相位處理后,經(jīng)D—A轉(zhuǎn)換輸出為PWM脈沖信號。最后經(jīng)低通濾波器、反相器和模擬切換開關(guān)輸出標(biāo)準(zhǔn)正弦波。

另一種是采用坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換法的軟件鎖相環(huán)(SPLL)。通過軟件編程,經(jīng)微處理器內(nèi)部集成的PWM波發(fā)生電路,發(fā)出各頻率的PWM波來實現(xiàn)鎖相控制。其工作方式為,先將檢測到的旁路三相電壓信號經(jīng)Clark坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)換成靜止坐標(biāo)系上的兩相電壓信號,再由靜止坐標(biāo)系下兩相電壓信號經(jīng)Par k變換后,轉(zhuǎn)換成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的dq電壓信號,最后通過PID控制器使其q軸分量為零,實現(xiàn)鎖相。用相量圖表示如圖3所示。

是輸入鎖相環(huán)的電壓相量;是鎖相環(huán)輸出電壓相量;是輸入鎖相環(huán)的電壓相量的相量角;是鎖相環(huán)輸出電壓相量的相量角;是輸入鎖相環(huán)電壓的相量角速度;是鎖相環(huán)輸出電壓的相量角速度。

圖2 數(shù)字鎖相環(huán)控制原理

圖3 同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系SPLL相量圖

當(dāng)鎖相環(huán)精確鎖定輸入信號時,和會完全重合,即=。當(dāng)旁路電壓的相位發(fā)生變化時,該dq軸上的空間相量位置將產(chǎn)生差異,通過控制電路調(diào)節(jié)使為零,實現(xiàn)與靜態(tài)旁路的同步鎖相。圖4為軟件鎖相環(huán)控制系統(tǒng)框圖。

圖4 同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系控制框圖

假設(shè)為三相電壓有效值。那么三相輸入電壓就能表達(dá)為

再將進行Clark變換,得到靜止坐標(biāo)系下的和,即

最后將和進行Park變換,得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的和,即

相位實現(xiàn)鎖定時,的差值非常小,();正比于鎖相環(huán)輸入、輸出電壓的相位差;通過PID控制器調(diào)節(jié)輸出相位,當(dāng)=0時,鎖相環(huán)實現(xiàn)與靜態(tài)旁路的同步鎖相。

由于鎖相環(huán)電路的作用,在線式UPS在旁路市電幅值正常,頻率處于在45 Hz55 Hz內(nèi)時,逆變器輸出電源始終跟蹤靜態(tài)旁路電源,其鎖相精度在以內(nèi)。當(dāng)旁路市電斷電或者異常波動時,逆變器停止跟蹤,回歸到本振50 Hz的運行狀態(tài)。

四、結(jié)束語

在線式UPS在開機以后就應(yīng)時刻準(zhǔn)備逆變器與靜態(tài)旁路之間平滑、可靠的切換。在同步鎖相控制電路的作用下,在線式UPS的切換操作實現(xiàn)了“先合后斷”的工作方式,使其在進行切換操作時具有了連續(xù)的平穩(wěn)輸出,這減少了對后端負(fù)載的沖擊。所以,在線式UPS設(shè)備中同步鎖相控制系統(tǒng)的作用是非常重要的。