具有APF及UPS功能的交流稳压电源并联调整UPS.docx
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具有APF及UPS功能的交流稳压电源并联调整UPS
摘要:
叙述了这种交流稳压电源(并联调整UPS)的工作原理与控制方式。
关键词:
稳压电源;有源滤波器;并联调整
1 引言
随着Delta逆变技术及其相应控制技术的发展,逆变器作为控制器应用的发展方向,越来越得到人们的认可和重视。
下面介绍一种Delta逆变器在并联式交流稳压电源中应用的实例,即具有电力有源滤波器(APF)及不停电电源(UPS)功能的交流稳压电源。
这种交流稳压电源具有如下功能:
1)可以对市电输入的三相电压的波动,谐波和不对称度进行补偿;
2)可以对负载的无功功率与谐波电流进行补偿(APF功能);
3)可以将市电输入的三相三线制电源,变换成三相四线制电源向负载供电,以满足应用相电压的单相负载和不对称负载的需要;
4)具有不停电电源的作用(UPS功能)。
2 电路组成与各部功能
具有APF及UPS功能的交流稳压电源的原理电路如图1所示。
电路各部分的组成及其作用如下。
(a) 原理电路图
(b) 市电与逆变器并联供电等效电路
图1 具有APF及UPS功能的交流稳压电源的原理电路
1)三相半桥式Delta逆变器是一种用IGBT作开关的,直流侧带中性点抽头的三相半桥式PWM逆变器。
此逆变器可以双向四象限工作,并通过滤波电感LF2,在主电路的输出端与负载并联,采用的是SPWM控制方式,容量等于交流稳压电源的标称容量。
它的主要作用是:
(1)对市电输入的三相电压的波动,谐波和不对称度进行补偿;
(2)将市电输入的三相三线制电源,变换成三相四线制电源向负载供电;
(3)当市电掉电时向负载提供100%功率;
(4)当市电电压高于给定值,对电压进行负补偿时向蓄电池充电。
2)三相基准正弦电压是一种与市电同步的“交流标准电压发生器”,其简化电路如图2所示。
其中图2(a)为单相电路,图2(b)为图2(a)中的功率级,图2(c)为三相电路框图。
容量约为15W,电压精度优于0.02%,波形失真度小于0.5%,主要作用是作为Delta逆变器控制电路中的标准电压信号,即电压幅值和波形的标准。
(a) 单相电路
(b)图(a)中的功放级 (c)三相电路框图
图2 三相交流标准电压发生器电路
3)SPWM控制电路Delta逆变器采用的是
SPWM控制方式,但它与一般的SPWM控制方式是不同的,它不是直接将调制波指令信号与三角波进行比较,而是将指令信号与得到的补偿电压uao,ubo,uco进行比较,将它们的差值经过放大器A放大后再与三角波进行比较,其控制电路框图和控制波形如图3(a)及图3(b)所示。
放大器可以采用比例放大器或比例积分放大器。
这种控制方式是基于将指令信号和补偿电压的差值控制到最小为目的,优点是谐波含量小,所含谐波与三角波同频,滤波容易。
(a)控制框图(b)波形图
图3SPWM控制电路框图及其波形
4)低通滤波器LF1,CF组成市电输入低通滤波器,以滤除市电电压中的高次谐波,脉冲和闪变;LF2,CF组成Delta逆变器的输出滤波器,以滤除逆变器输出电压中的高次谐波。
同时LF1和LF2也是市电与Dleta逆变器并联供电的平衡电抗器,LF2还兼任Delta逆变器在开关整流状态时的Boost储能电感。
电容CF还兼任负载的无功与谐波电流的补偿源应用。
5)交流静态开关是由两个反并联晶闸管组成,在市电正常时是导通的,当市电掉电时自动关断,以防止Delta逆变器的电流向市电倒灌。
3 对市电电压波动与谐波及不对称度的补偿
以A相为例,当市电电压波动并含有谐波时,ua为
ua=ua1+uah=Ua1msinωt+Uahmsinnωt
式中:
ua1=Ua1msinωt为基波电压;
uah=Uahmsinnωt为谐波电压。
A相基准正弦电压uar=Uarmsinωt是一个与市电同步的标准正弦波电压,稳定精度优于0.02%,波形失真度小于0.5%。
当市电电压波动并含有谐波时,用市电电压ua与uar进行波形瞬时值比较,即可检测出市电电压的波动值和谐波分量。
用负载上的电压uaL减去基准正弦电压uar即可得到市电加到负载上电压的波动值和谐波分量。
然后再用基准正弦电压uar减去这个波动值和谐波分量,即可得到Delta逆变器SPWM控制的调制波指信信号
uar-(uaL-uar)=2uar-uaL=2Uarmsinωt-Ua1msinωt-Uahmsinnωt
令调制波指信信号
=K〔uar-(uaL-uar)〕
则
=2KUarmsinωt-KUa1msinωt-KUahmsinnωt
式中:
K为信号检测变压器的降压变比。
假定三角波的频率为fc,幅值为Uc,市电频率为50Hz,则载波比N=fc/50,调制比M的值为
M===M1+M2
(1)
M1=
(2)
M2= (3)
假定逆变器的直流电源电压为Ud,可以得到逆变器的输出电压uao的傅里叶级数表示式为
uao=M1Udsinωt+·cosmπ·sin〔(mN+n)ωt〕+M2Udsinnωt+cosm′π·sin〔(m′N′+n′)nωt〕
由低通滤波器LF2,CF滤除uao中的高次谐波后,得到基波与原市电中的谐波电压uao1为
uao1=M1Udsinωt+M2Udsinnωt (4)
将式
(2)和式(3)的M1和M2的值代入式(4)得
uao1=kUdsinωt+-KUdsinnωt
令K=Uc/Ud代入上式得
uao1=2Uarmsinωt-Ua1msinωt-Uahmsinnωt (5)
由于市电电压ua与Delta逆变器的输出电压uao1,通过它们各自的滤波电感(并联供电的平衡电感)LF1和LF2,在电路的A点处并联后再向负载供电,如图1(b)所示。
故根据电工学中的节点电压法可知
uaL=
uaL=/
如果取LF1=LF2,则负载电压uaL为
uaL== (6)
将ua=Ua1msinωt+Uahmsinnωt
uao1=2Uarmsinωt-Ua1msinωt-Uahmsinnωt
代入式(6)得
uaL=(ua+uao1)
=(Ua1msinωt+Uahmsinnωt+2Uarmsinωt-Ua1msinωt-Uahmsinnωt)=Uarmsinωt=uar
此式表明,按照图1(a)中Delta逆变器的稳压控制方法,即使市电电压中含有谐波,也可以使市电加到负载上的电压uaL,成为等于基准正弦电压uar的稳定纯净的正弦波电压,输出电压稳定精度优于±1%,波形失真度小于3%。
由于Delta逆变器对市电加到负载上的电压uaL,ubL,ucL的稳压调节,是在三个相中分别进行控制的,只要能保证每一相的负载电压uaL=uar,ubL=ubr,ucL=ucr时,则三相市电电压的不对称度也就得到了补偿。
4 对市电电压波动补偿时Delta逆变器的工作情况
当Delta逆变器对市电电压波动进行补偿时,有ua>uar,ua=uar,和ua 1)ua>uar由于ua的升高,而使图1(a)电路中A点处的负载电压uaL上升,Delta逆变器的控制电路为保持uaL=uar不变,对逆变器的输出电压进行调节,使其输出电压uao1下降以补偿ua的上升引起的uaL上升。 当uao1下降到uaL>uao1时,迫使Delta逆变器由逆变转入到整流工作状态(Boost开关整流状态),市电通过Delta逆变器向蓄电池充电,Ud上升,使逆变器的输出电压uao1=M1Udsinωt也上升。 当uao1上升到uao1=uar(1+1%)时,控制电路停止调节,并保持在uao1=uaL=uar(1+1%),市电通过逆变器对蓄电池的充电停止。 2)ua=uarDelta逆变器的控制电路不进行调节,并维持在uao1=uaL=uar不变。 3)ua 当uao1上升到uaL 蓄电池通过Delta逆变器向负载放电,Ud下降,使逆变器的输出电压uao1=M1Udsinωt也下降。 当uao1下降到uao1=uar(1-1%)时,控制电路停止调节,并保持在uao1=uaL=uar(1-1%),蓄电池的放电停止。 5 市电掉电时Delta逆变器向负载提供100%的功率 以A相为例,当市电掉电时,交流静态开关自动关断,此时,市电输入电压ua=0,滤波电感LF1的阻抗ωLF1=∞,由式(6)可知=0,=0,所以 uaL=/=uao1。 由于ua=0,ua中的谐波电压 Uahmsinmωt=0 所以 uao1=2Uarmsinωt-Ua1msinωtuaL=uao1=2Uarmsinωt-Ua1msinωt此时,在图1(a)电路的A点处负载上的电压uaL=Ua1msinωt时, uaL=2Uarmsinωt-uaL 2uaL=2Uarmsinωt=2uar uaL=uar 此式表明,当市电掉电时,交流静态开关自动关断,负载上的全部功率将由Delta逆变器供给,并保持负载上的电压uaL=uar。 从市电供电转换到由Delta逆变器供电的时间等于零,是属在线UPS。 6 将市电三相三线制电源变换成三相四线制电源 市电三相三线制电源,在向对称负载供电时是一个三相对称系统。 ua+ub+uc=0,所以,uo′o=0,即0′点与0点同电位,如图1(a)所示。 因此,各相的计算具有独立性,三相电路的计算可以归结为一相来计算。 但是,三相三线制市电电源不能向不对称负载供电。 Delta逆变器是一个三相四线制电源,它的三相输出通过LF2在图1(a)电路的A点处与市电并联,它的直流侧中性点0与负载的中性点相连,构成了三相四线制逆变电源,与三相三线制市电电源并联的供电系统。 由于LF2,Cd1=Cd2的阻抗都很小,且LF2的阻抗大于Cd1=Cd2的阻抗(因为蓄电池内阻很小),所以从电路结构形式上来看,Delta逆变器相当于一个中性点形成变压器(NeutralFormedTransformer-NFT),将市电的三相三线制电源,变成了一个三相四线制供电电源。 因此,可以使三相三线制的市电电源,通过Delta逆变器的中性点形成变压器的作用也可以带不对称负载。 Delta逆变器与市电构成的电路是一个比较特殊的电路,这个电路可以带不对称负载,并将不对称负载变换成市电的对称负载的物理过程可以这样理解: Delta逆变器是可以双向四象限工作的,在电路中Delta逆变器既是市电电源的三相对称整流负载,也是负载的三相四线制交流电源。 市电的三相对称电流通过Delta逆变器器的Boost开关整流器工作方式向蓄电池充电,同时,蓄电池又通过Delta
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- 具有 APF UPS 功能 交流 稳压电源 并联 调整
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