ups逆變器的頻域模型分析

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1、UPS逆變器的頻域模型分析來源：UPS應(yīng)用作者：APC公司中國研發(fā)中心江偉石更新時間：2011/12/1911:31:53摘要：闡述UPS逆變器的頻域摸型分析，以MATLAB對UPS的環(huán)路進行模擬分析及實驗驗證。此分析有助于設(shè)計者對UPS逆變器電路的理解，并用于分析系統(tǒng)穩(wěn)定度。窗體頂端窗體底端　　本文的旨意是要建立UPS的頻域模擬電路模型。以簡單的MATLAB模型(頻域模擬電路)來模擬UPS的頻域響應(yīng)，并以加載的輸出電壓暫態(tài)響應(yīng)圖形的比較來驗證模型的準確。此分析有助于設(shè)計者對UPS逆變器電路的理解并作為分析其系統(tǒng)穩(wěn)定度

2、的基礎(chǔ)?！　　　?.UPS控制環(huán)路分析　　　　圖1為一個典型UPS的控制環(huán)路圖。其中包含三個控制環(huán)路。最主要的環(huán)路是瞬時電壓控制環(huán)路，其次是直流電壓前饋補償環(huán)路，第三個環(huán)路是自動零點校正環(huán)路。茲將各個環(huán)路功能說明如下：　　　?。?）瞬時電壓控制環(huán)路　　　　輸入電壓經(jīng)由交流轉(zhuǎn)直流轉(zhuǎn)換器變?yōu)橹绷麟妷汉螅俳?jīng)逆變器輸出到隔離變壓器，最終經(jīng)過濾波器濾波后輸出給負載。輸出電壓的反饋是利用一個小的電壓感測變壓器將輸出電壓反饋至補償器。補償器輸出的信號經(jīng)脈沖寬度調(diào)制器以高頻(約20kHz)的三角波調(diào)制為PWM波后再送給驅(qū)動器，以驅(qū)動

3、金橋逆變器將直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電壓供給負載電源，如圖2所示。　　　?。?）直流電壓前饋補償環(huán)路　　　　圖1虛線所示回路主要用來補償輸出電壓的穩(wěn)態(tài)誤差。此環(huán)路對加載后的輸出有效值電壓的補償相當有幫助。　　　?。?）自動零點校正環(huán)路　　　　此環(huán)路的主要目的是利用電流檢測電阻檢測出流經(jīng)變壓器原邊的電流反饋后進行校正，以避免變壓器因存在直流電壓分量而飽和。圖1典型UPS的控制環(huán)路圖　　2.UPS逆變器主回路模型　　　　本文主要是建立上述UPS頻域控制環(huán)路的MATLAB分析模型。茲將瞬時電壓控制環(huán)路節(jié)錄出來(見圖2)。圖中逆變器

4、是由全橋三階控制線路所組成。脈沖寬度調(diào)制器將用PWM調(diào)制器模型取代。圖2瞬時電壓控制環(huán)路　　3.逆變器的模型分析　　　　圖3是逆變器線路的示意圖。其主要功能是接收來自PWM調(diào)制器的輸出D{一般稱它為占空比),而將PWM波形放大為具有直流匯流排電壓高度的PWM波形?？梢哉f，它就是一個放大器，把PWM波形進行電壓放大而已。圖3逆變器線路示意圖　　4.PWM調(diào)制器的模型　　　　圖4為PWM調(diào)制器的原理圖。將補償器輸出電壓Uc和三角波電壓Utri做比較后，轉(zhuǎn)換為占空比的大小。圖4PWM調(diào)制器原理圖因為三角波頻率很高(約20kH

5、z)，而Uc大約為50Hz或60Hz，因此，對拍一周的三角波而言，Uc可視為直流電壓，如圖5所示。圖中Uoffset理想上可視為0。而由幾何的分析，很容易介析出D=Ton/Ts=Uc/Utri?！　　　WM調(diào)制器的數(shù)學模型來說，只要考慮PWM調(diào)制器的輸出及輸入電壓特性做模型分析即可知道，其數(shù)學模型恰恰是三角波電壓的倒數(shù)。　　　　在PWM調(diào)制器的模型中，輸入為Uc，輸出為D，D=Ton/Ts。圖5經(jīng)PWM調(diào)制后補償器的輸出電壓和三角波電壓　　5.變壓器、輸出濾波器及負載的模型分析　　　　變壓器、變壓器、輸出濾波器及負

6、載的線路模型如圖6(a)所示。其中，變壓器的升壓比由實際的電壓測試得到為2.77倍（設(shè)Kxfmr=2.77）。電感器由LCR測試儀測得其電阻值及電感值分別為Rd=1.067Ω及L=5mH。輸出濾波器的電容值測得為C=60μF,由于電容器的串聯(lián)電阻值影響到輸出濾波器的阻尼因數(shù)大小，因此也不能忽視。我們測出其Resr=0.086Ω。而負載可用電阻來表示，只是空載和滿載的電阻大小足不同的。假設(shè)負載電阻為RL，可以導出其傳遞函數(shù)如下（空載時，負載電阻無窮大，取極限值可得空載的傳遞函數(shù))：　　　　空載時：　　　　　　圖6(b)和

7、(c)是空載與滿載時，經(jīng)由HP3562頻率響應(yīng)測試儀測得的頻域相應(yīng)圖形。從圖中可以看出滿載的阻尼是較大的，但諧振頻率點并沒有改變，約在285Hz?！　。╞）空載時實測的頻域響應(yīng)圖（c）滿載時實測的頻域響應(yīng)圖　　圖6頻域模型及其響應(yīng)圖6.受控對象的函數(shù)分析　　　　整個回路的數(shù)學函數(shù)除了補償器及反饋電路以外，可以整合為圖7所示電路圖。從控制理論的角度看，控制對象的模型是最基本、最重要的。被控對象由(PWM)脈寬調(diào)制器、驅(qū)動器、橋式功率變換器、隔離變壓器、LC濾波器和負載組成。其傳遞函數(shù)由前面所述的各級傳遞函數(shù)模型乘積組成。

8、其中Kinv=Udc-bus/Uc。　　　　空載時，控制對象的傳遞函數(shù)為：　　Pmo(S)=KinvPo(S)　　　　其中Po(S)為無載時輸出濾波器的轉(zhuǎn)換函數(shù)?！　　　M載時，傳遞函數(shù)為：Pmf(S)=KinvPf(S)　　　　?其中Pf(S)為滿載時輸出濾波器的轉(zhuǎn)換函數(shù)。圖7受控體電路圖　　7.補償器的設(shè)計　　　　由上述的受控