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(guó)研發(fā)中心江偉石更新時(shí)間：2011/12/1911:31:53摘要：闡述UPS逆變器的頻域摸型分析，以MATLAB對(duì)UPS的環(huán)路進(jìn)行模擬分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。此分析有助于設(shè)計(jì)者對(duì)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(jiǎn)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(yàn)證模型的準(zhǔn)確。此分析有助于設(shè)計(jì)者對(duì)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(gè)典型UPS的控制環(huán)路圖。其中包含三個(gè)控制環(huán)路。最主要的環(huán)路是瞬時(shí)電壓控制環(huán)路，其次是直流電壓前饋補(bǔ)償環(huán)路，第三個(gè)環(huán)路是自動(dòng)零點(diǎn)校正環(huán)路。茲將各個(gè)環(huán)路功能說明如下：　　　?。?）瞬時(shí)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(fù)載。輸出電壓的反饋是利用一個(gè)小的電壓感測(cè)變壓器將輸出電壓反饋至補(bǔ)償器。補(bǔ)償器輸出的信號(hào)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(dòng)器，以驅(qū)動(dòng)

3、金橋逆變器將直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電壓供給負(fù)載電源，如圖2所示?！　　　。?）直流電壓前饋補(bǔ)償環(huán)路　　　　圖1虛線所示回路主要用來補(bǔ)償輸出電壓的穩(wěn)態(tài)誤差。此環(huán)路對(duì)加載后的輸出有效值電壓的補(bǔ)償相當(dāng)有幫助?！　　　。?）自動(dòng)零點(diǎn)校正環(huán)路　　　　此環(huán)路的主要目的是利用電流檢測(cè)電阻檢測(cè)出流經(jīng)變壓器原邊的電流反饋后進(jìn)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(shí)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(shí)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(gè)放大器，把PWM波形進(jìn)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(bǔ)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?yàn)槿遣l率很高(約20kH

5、z)，而Uc大約為50Hz或60Hz，因此，對(duì)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。　　　　對(duì)PWM調(diào)制器的數(shù)學(xué)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(xué)模型恰恰是三角波電壓的倒數(shù)?！　　　≡赑WM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(bǔ)償器的輸出電壓和三角波電壓　　5.變壓器、輸出濾波器及負(fù)載的模型分析　　　　變壓器、變壓器、輸出濾波器及負(fù)

6、載的線路模型如圖6(a)所示。其中，變壓器的升壓比由實(shí)際的電壓測(cè)試得到為2.77倍（設(shè)Kxfmr=2.77）。電感器由LCR測(cè)試儀測(cè)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(cè)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(cè)出其Resr=0.086Ω。而負(fù)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(fù)載電阻為RL，可以導(dǎo)出其傳遞函數(shù)如下（空載時(shí)，負(fù)載電阻無窮大，取極限值可得空載的傳遞函數(shù))：　　　　空載時(shí)：　　　　　　圖6(b)和

7、(c)是空載與滿載時(shí)，經(jīng)由HP3562頻率響應(yīng)測(cè)試儀測(cè)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(diǎn)并沒有改變，約在285Hz。　?。╞）空載時(shí)實(shí)測(cè)的頻域響應(yīng)圖（c）滿載時(shí)實(shí)測(cè)的頻域響應(yīng)圖　　圖6頻域模型及其響應(yīng)圖6.受控對(duì)象的函數(shù)分析　　　　整個(gè)回路的數(shù)學(xué)函數(shù)除了補(bǔ)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(duì)象的模型是最基本、最重要的。被控對(duì)象由(PWM)脈寬調(diào)制器、驅(qū)動(dòng)器、橋式功率變換器、隔離變壓器、LC濾波器和負(fù)載組成。其傳遞函數(shù)由前面所述的各級(jí)傳遞函數(shù)模型乘積組成。

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