双变换在线式UPS同步锁相控制系统的工作原理

2020-03-27尹国强

探索科学(学术版) 2020年12期

尹国强

中国民用航空华北地区空中交通管理局北京100621

一、同步锁相控制系统的必要性

首先,我们都应明白,UPS不间断电源是专门应用在对供电级别要求高的场合中。在各类的UPS设备中,只有在线式UPS才真正具有不间断供电的功能,因其高可靠性被广泛应用于大型数据中心。不论是一体化UPS高频机还是大容量模块化UPS,也都是在在线式UPS的基础之上发展而来。与静态转换开关STS和ATS-16 A设备的两路输入电源“先断后合”的切换方式不同,在线式UPS在需要进行切换操作时采用“先合后断”的工作方式,即先将逆变器电源与静态旁路电源并联输出后,再切断原路输出电源。这就要求UPS在旁路市电正常情况下,逆变器电源能紧密跟踪静态旁路电源并与之保持同步,否则UPS在逆变器电源和静态旁路之间进行切换时,输出电压的跳变不仅会带来较大的谐波,也可能会给后端负载的正常运行造成不利影响。在线式UPS设备内部用到同步锁相控制电路,可时刻控制逆变器电源的输出,达到与静态旁路电源同步锁相的目的。

二、UPS设备中锁相环的工作原理

锁相环(PLL)是在线式UPS设备内各控制电路中的一个同步锁相电路模块。传统锁相环通常是由鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)和压控振荡器(VCO)三部分组成,其锁相环基本结构如下图1。

图1 锁相环基本结构框图

其中,是静态旁路电压采集信号;是压控振荡器输出信号;是误差电压信号;是滤波后的控制电压信号。锁相环是一个负反馈的闭环控制系统,能够自动跟踪输出信号的相位和频率。

当控制电路采集到旁路电压信号时,和同时被送入鉴相器进行相位比较,检测两信号之间的相位角,将检测出的相位差转换成输出,若两信号的角频率相等,则其输出的信号为恒定值;环路滤波器滤除中的高频成分和噪声后,输出直流控制电压(t);压控振荡器在(t)的作用控制下将调整它的输出信号的频率和相位,使与之间的相位和频率差逐渐趋近于零,此时控制系统实现相位和频率的锁定。

压控振荡器的输出信号的频率迅速跟的频率变化。所有UPS设备对旁路市电电源的频率都有明确的跟踪范围,当旁路电压采集信号缺失或者工作频率超过UPS设备所规定的频率范围时,锁相环会进入失锁工作状态,此时压控振荡器送出的的频率只受控于本机振荡的工作频率。经分频器处理后会形成50 Hz的控制信号,该信号进入正弦波发生器后形成工频基准正弦波调制信号,该调制信号与三角波载波一起控制PWM波电路工作,产生的PWM信号控制逆变器开关器件IGBT的通断,最后逆变器输出等效于标准正弦波的SPWM波形。这就是在线式UPS逆变器电源追踪静态旁路市电的工作原理。

三、UPS设备同步锁相的实现方法

锁相控制的锁相速度、精度直接影响将到UPS逆变器输出的工作性能。因此,锁相控制系统要具有速度快、精度高、较强的抗噪声和抗干扰能力。

目前,数字锁相环(DPLL)广泛应用在UPS领域。数字锁相环的基本结构如下图2。

电压互感器将采集到的与电网电压同频率、同相位的低压信号,分两路送给精密整流器和过零比较器,分别生成直流电压信号和交流信号。直流信号经过微处理器得到电网电压幅值参数。交流信号经过微处理器得到电网电压频率和相位参数。微处理器将所得到的电网电压幅值、频率和相位处理后,经D—A转换输出为PWM脉冲信号。最后经低通滤波器、反相器和模拟切换开关输出标准正弦波。

另一种是采用坐标旋转变换法的软件锁相环(SPLL)。通过软件编程,经微处理器内部集成的PWM波发生电路,发出各频率的PWM波来实现锁相控制。其工作方式为,先将检测到的旁路三相电压信号经Clark坐标变换转换成静止坐标系上的两相电压信号,再由静止坐标系下两相电压信号经Par k变换后,转换成同步旋转坐标系上的dq电压信号,最后通过PID控制器使其q轴分量为零,实现锁相。用相量图表示如图3所示。

是输入锁相环的电压相量;是锁相环输出电压相量;是输入锁相环的电压相量的相量角;是锁相环输出电压相量的相量角;是输入锁相环电压的相量角速度;是锁相环输出电压的相量角速度。