基于DSP技术的在线式UPS设计与研究

徐圣杰

（雅安职业技术学院，四川 雅安 625000）

1 在线式UPS原理

在线式UPS工作原理如图1所示。其中，EMI滤波器作为输入滤波器使用，起到了两方面的作用。一方面能够滤除干扰，隔离市电，防止对UPS电路板的信号传输产生共模和差模干扰，另一方面防止UPS在逆变时产生的高频开关信号产生谐波，干扰市电。在线式UPS的输出功率始终由逆变器提供，由于UPS逆变器使用的是高频开关，因此无论市电是否正常，切换时间都可忽略[1]。市电经AC-DC整流再后经DC-AC逆变为正弦电压为负载供电，旁路电池由AC-DC转换器充电，电源异常时由蓄电池供电，逆变器进行交直流转换，将直流电转换为正弦交流供电负载。如果逆变器发生故障，静态开关将直接由市电供电[2]。

2 SVPWM调制算法分析

对于UPS逆变方式，简单的正弦波SPWM不能保证电流和电压在同一相位，控制效果比较一般，因此本文提出了SVPWM调制方式。空间矢量脉宽调制（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）是在交流电机变频调速的基础上发展而来的，通过改变PWM逆变器的不同开关状态组合输出波形近似正弦。与方波调制技术相比，SVPWM有许多优点，最为突出的优势就是其占空比接近于1，运行起来更加平稳，且易实现数字化。

SVPWM通过对6个开关管进行适当的PWM控制，使3个分矢量合成1个大小不变的旋转总矢量[3,4]。取开关函数为Sk，其表达式如下：

为便于分析，建立如图2所示的坐标系图，其合成空间矢量为：

图1 在线式UPS工作原理图

式中，定子三相电压ua、ub、uc与开关函数Sk的关系为：

式中，UDC为SVPWM逆变器输出的线电压峰值。

图2 合成矢量与各坐标系之间的关系示意图

根据开关函数Sk的取值不同，6个开关管可以产生8种不同的状态组合，分别对应8个空间矢量。SVPWM技术在进行扇区判断时，需要用到合成的电压矢量在α轴和β轴上的投影uα和uβ，根据Clarke变换可得：

求取其投影，可得不同的开关组合与电压矢量的投影分量，8种开关状态下的矢量及其分量的对应关系如表1所示。

表1 8种开关状态下的矢量及其分量

由式（4）和表1可知，矢量V1～V6为6个不为零的开关向量，输出线电压峰值相等，均为：

V0和V7都是零矢量，电压矢量空间由6个非零开关矢量划分为6个扇区。电压矢量空间的分布用图形表示如图3所示，零向量V0和V7位于扇区的中心。

图3 电压空间矢量

设某合成矢量位于第一扇区，其相位为θ，模长度为Vr，一个完整的PWM周期为Ts，则其作用效果可用开关向量V1持续时间T1和开关向量V2持续时间T2来等效，即：

要使PWM逆变器工作在线性调制范围内，则要求T1+T2≤Ts且T0≥0，将其代入式（8）可得：

对于任意θ值，式（9）都应成立，其右边取下限值后可得：

3 UPS系统的硬件设计

本文采用DSP数字处理器设计UPS控制板电路。系统的主要模块可分为母线电压检测模块、幅值检测模块、SVPWM产生模块以及过电压过流保护模块。总线电压检测模块如图4所示，总线电压经RC低通滤波器分压后送入DSP的ADCINA2，另一条总线的电压通过逆变器和RC滤波器分接到ADCINA3引脚上进行AD转换。

图4 总线电压检测模块

幅值检测模块如图5所示。该模块的功能是检测输入输出电压和电流的幅值，设计了一种正向单向有源精密探测器，其目的是获得输出和输入信号的幅值，并验证这两个信号是否具有明显的线性关系，从而避免普通二极管电路引起的非线性失真。

图5 幅值检测模块

SVPWM生成模块如图6所示。本文中的UPS采用SVPWM调制方式来实现脉宽调制，利用比较器对三角波和正弦波进行比较，得出三角波与正弦波的时间间隔作为脉冲宽度。

4 实验结果

实验过程中，利用示波器检测市电正常与市电突然掉电情况下的波形。若电网异常，系统自动切换为电池逆变状态，切换时间小于10 ms，因此可忽略，表明该UPS对电网状态检测响应速度快，切换时间短。电网欠压小于190 V时，UPS输出由电网转换为电池逆变状态，通过逆变器对负载供电，并利用软开关技术缩短了切换过程，减小了电压波动。由此可见，UPS系统动态响应速度快，能够满足稳定性和动态性能的要求。

图6 SVPWM产生模块

5 结 论

文章完成了基于DSP技术的在线式UPS设计。在线式UPS电源在市电正常时先进行AC-DC变换，然后进行SVPWM调制和滤波，将直流电逆变为交流电向回路的负载供电，同时利用软开关技术缩短了切换过程，减小了电压波动。