（电力电子与电力传动专业论文）基于嵌入式实时操作系统的电子医疗仪器ups设计研究.pdf

中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o ni sf o c u s e do nt h ed e s i g n i n ga n di m p l e m e n t i n go f s i n g l e - p h a s e o n - l i n eu p s ，w h i c ha i m st or e s e a r c ho ni t si n d u s t r i a l t e c h n o l o g i e s a n dp r e p a r e st h e o r ya n dt e c h n o l o g i c a lk n o w l e d g ef o ri t s m e d i u m - s i z e da n dp i n t - s i z e da p p l i c a t i o nf o rp r e c i s ee l e c t r o n i cm e d i c a l i n s t r u m e n t s o n - l i n eu p si st h er e s e a r c hc o r eo ft h i sd i s s e r t a t i o n a c c o r d i n gt ot h e d e m a n d sf o rd i g i t i z i n g 、g r e e n i n ga n dh i 曲f r e q u e n c y , t h et o p o l o g yo f c o n v e n t i o n a ls i n g l e - p h a s eb r i d g ei n v e r t e ri sa m e n d e da n dt r i p l ec o n v e r t e r s i n g l e - p h a s eo n - l i n eu p s i sa d o p t e d ap i n t - s i z e dp r o t o t y p ew h i c hi sb a s e do n t h ed s pa n de m b e d d e dr t o si sd e v e l o p e df r o mt h ep o i n t o f p r a c t i c a lv i e w a st h ec o r eo fu p s ，t h ei n v e r t e ra f f e c t st h ee n t i r ep e r f o r m a n c e s ot h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e ni n p u ta n do u t p u to ft h eu p si n v e r t e ri sa n a l y z e db y u s i n gt h es w i t c h i n gf u n c t i o n as e to fs t e a d y - s t a t em a t h e m a t i c a lm o d e l sf o r t h ei n v e r t e ra c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fc o n t r o l l e ds o u r c ei sa l s op r o p o s e d t h e e q u i v a l e n tc i r c u i to b s e r v i n gf r o mi n p u ta n do u t p u ta r ec r e a t e db ya p p l y i n gt h e c o n c e p t i o no ft w o p o r tc o n v e r t e rn e t f u r t h e r m o r e ，t h ei n f l u e n c eo ft h e i n t e m a ld es o u r c er e s i s t o r 、n o n - l i n e a r i t yo fl o a da n dd e a d - b a n de f f e c t i v e n e s s i ss t u d i e dd e t a i l e d t h eo u t p u tf i l t e ro fi n v e r t e ri sd e s i g n e d a n dt h em i n i m u m s i g n a lm o d e lo fm a i nc i r c u i ti sa l s op r e s e n t e db yu s i n gs t a t e - s p a c ea v e r a g i n g m e t h o d t h e nt h es t a b i l i t yo fi n v e r t e rs y s t e mi ss t u d i e d t h eu p ss y s t e mi sc o m p o s e do fi n p u tp o w e rf a c t o rc o n t r o l l e r 、b a t t e r y c h a r g e r 、b a t t e r yv o l t a g eb o o s t e ra n do u t p u ti n v e r t e r e a c hd e s i g no fm a i n c i r c u i ta n dc o r r e s p o n d i n gc o n t r o l l e ri s e x p o u n d e d a c c o r d i n g t ot h e p e r f o r m a n c ei n d e x , t h et e c h n i c a lp a r a m e t e r so fa l lc o m p o n e n t sa r es e l e c t e d t h ep r o c e s so f d e s i g nt h eu p s c o n t r o l l e rb a s e do nd s pi se x p o u n d e dd e t a i l e d t h ed e s i g ns c h e m eo fc l o c kc i r c u i t 、m e m o r y - e x t e n d e dc i r c u i t 、r e s e tc i r c u i t 、 a d ec i r c u i ta n dp o w e ri n t e r f a c ec i r c u i ta r ep r e s e n t e d t h ed i s s e r t a t i o na l s o a n a l y s et h ea n t i - j a m m i n gm e a s u r e s f i n a l l y , t h ed i s s e r t a t i o na n a l y s et h ec h a r a c t e r i s t i c so fs y s t e ms o f t w a r e a i m i n g a tt h e s y s t e m r e a l t i m ec o m m a n d i n g ，t h ee m b e d d e dr e a l t i m e 中南大学硕七学位论文 a b s t r a c t o p e r a t i n gs y s t e m - - ，, c o s - 1 1 i si m p o r t e d p c o s - i ii st r a n s p l a n t e dt o f 2 4 0 7d s pa c c o r d i n gt oi t sc h a r a c t e r i s t i c s t h ei n t e r r u p tm a n a g e m e n t 、 m u l t i t a s km a n a g e m e n ta n dm e s s a g ee x c h a n g i n ga m o n gt a s k so fo n - l i n eu p s b a s e d0 1 1p c o s l la r er e a l i z e d t h ep r o g r a mf l o wc h a r ta n dc o d eo f m a i n t a s k sa l ea l s op r e s e n t e d k e yw o r d s u n i n t e r r u p t i b l ep o w e rs u p p l y ,s t a t e - s p a c ea v e r a g i n g m e t h o d ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r , p c o s - i i i r t 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获 得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：z 查兰垒 日期：星堕兰年上月止日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的 全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校 可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：。么垒导师签名：蔓墓日期：塑笠年月日 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 高精尖精密加工技术、计算机技术和微电子技术的飞速发展使得现代化医疗手段 不断提高，精密电子医疗仪器不断推广普及。自动化、集成化、数字化、信息化的电 子医疗仪器需要高可靠和高质量的供电电源，不间断电源( u n i n t e r r u p t i b l ep o w e r s u p p l y ) 系统作为全面解决这一问题的最佳方案，得到了越来越广泛的应用【l 工7 l 。 1 1课题背景及其研究意义 近代科技发展的历史表明：人类的许多科技成果首先用于军事和国防上，而在和 平年代则大量转向为人类健康服务的医学应用上。7 0 年代以来全球趋向和平，特别 是美国阿波罗登月计划完成后，大量优秀的电子工程师纷纷转向生物医学工程和医疗 器械领域，从此在全球范围内，以医疗电子技术为先导的医疗器械出现了空前发展的 局面；随着微电子技术及计算机技术的发展，大量高科技成果涌入，在8 0 年代初又 逐步形成了以x - c t ( 计算机断层扫描) 、m r j ( 磁共振) 、超声成像、核成像为代表的现 代医疗器械产业l o j 。 电子医疗仪器作为高精密电子设备，它对工作动力电源的要求是相当高的， 仅靠普通的稳压器、浪涌抑制器、电压调节器等保护是不够的，远远不能适应当前电 网的客观情况。理想的电子医疗仪器供电电源应当是交流稳压器、高速后备电源、尖 蜂电压吸收器和高频滤波器的精密结合体一高性能u p s l 目前随着我国经济的迅猛发展，用电量在急剧上升，尽管我国电力建设有了长足 进展，但由于历史原因，仍存在较大缺口，在国民经济发展过程中造成了“瓶颈效应”。 依据国家电监会的资料表明：2 0 0 4 年l 一3 月份我国电力需求增长了1 6 ，部分地区 用电紧张的形势将长期存在，同时由于电网结构的问题，仍会出现诸如“卡脖子”、 “频繁拉闸限电”等现象。与此同时大量非线性负载的使用，不可避免的产生非正弦 波形，向电网注入谐波，已成为电网中的“公害”。这些都是昂贵的电子医疗仪器直 接或隐形“杀手”。这些事实无一不在提醒我们建立高质量、高可靠性供电环境的重 要性，保障精密电子医疗仪器安全可靠运行，u p s 的作用不可替代，也绝不是可有可 无的阴。 目前我国所用的u p s 大多是国外的产品，进口产品品种齐全、功能完善，但是 用户在使用和维护等方面有许多不便，而且价格昂贵。最近几年，虽然国内u p s 生 产厂家不断增多，但是由于其技术水平的限制，产品还是以传统模拟式为主，所以期 待着有高性能的国产u p s 电源的出现【2 】。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 其次，以高速数字信号处理器( d s p ) 、高速网络监控及高可靠性的c a n 总线等 为代表的软件可编程技术在近几年被大量应用到生产实际：高频脉宽调制技术、内置 有完善的自动保护功能的大容量碑m 模块、功率模块的高效冷却技术、大幅度降低 “开关瞬态功耗”的驱动电路技术、输入功率因数自动校正( p f c ) 技术、智能化的 电池“冲放电”技术以及图形化的人机接口等新技术的不断完善，使得当今的u p s 电源，无论是在智能化的管理方面、产品可靠性的提高方面，还是优良的可维护性方 面都获得了前所未有的进步。因此，u p s 技术的研究具有良好的经济和社会效益1 6 。 1 2u p s 的发展概述 1 2 1u p s 的基本组成 从u p s 的发展历史来看，u p s 经历了两个阶段：动态旋转式u p s 和静态变换式 u p s 。动态旋转式u p s 是由整流器、电池、直流电动机、柴( 汽) 油机、飞轮和发 电机组组成，在市电供电情况下，直流电动机带动飞轮或发电机给负载供电：当断电 后，由于飞轮的惯性作用会继续带动发电机的转子旋转，从而使发电机能持续给负载 供电，起到缓冲的作用；同时起动柴( 汽) 油机，当油机转速与发电机转速相同时， 油机离合器与发电机相连，完成从市电到油机的转换。这是u p s 的较早的形式。此 类u p s 尽管维护简单也比较稳定，但系统庞大，操作不方便，而且效率低、噪声大、 电气质量不高。因此，动态u p s 已经逐渐被静态u p s 所替代，只在少数特殊的场合 还在使用。图1 1 是动态式u p s 的结构示意图嘲 图i - i 动态式u p s 的结构示意图 随着社会自动化、科学化、信息化的迅速发展，使得高科技电子产品的更新换代 日益加快，静止型( 静态变换式) u p s 便应运而生，这也是我们目前常见的( 在线 式、非在线式和在线互动式) u p s 类型。 静态式u p s 电源一般是由常用电源和备用电源通过转换开关组合而成，它们之 间由逻辑电路进行控制，以保证在电网正常或停电状态下，整个系统都能可靠的工作。 当市电正常时，u p s 相当于一台交流稳压电源，它将市电稳压后再供给负载，与此同 时，它还向u p s 内蓄电池充电；当市电突然中断时，u p s 立刻转为逆变工作状态， 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 小容量u p s 一般能维持供电5 2 0 m i n ，所以能保证计算机系统的正常退出，使软硬 件不至于受损。图1 2 为静态式u p s 电源原理示意图臣9 】。 图l - 2 静态式u p s 电源原理示需图 由图l - 2 可以看出，u p s 不间断供电系统的基本结构包括整流充电装置、逆变 器、蓄电池、控制电路和电子旁路开关五大部分，以及输入输出滤波电路、各种保护 ( 过流、过压、过温、短路保护、电池电压检测及低压截止保护) 电路和相关报警装 置( 指示灯、蜂鸣器) 。， ， 。 ( 1 ) 整流，充电装置 一 整流充电装置是将交流电变换为直流电，为逆变器提供一个平滑的直流工作电 压，同时给蓄电池充电。也有部分u p s 将其分为两个独立的部分。目前使用较为普 遍的整流器件是晶体管和晶闸管。晶体管整流，充电装置一般只应用于小型u p s 中， 而大中型u p s 主要采用单相桥式或三相晶闸管全控桥式整流电路。 ( 2 ) 逆变器 逆变器是u p s 的核心，它将整流器或电池送来的直流电，在调制信号的控制下，。 转换为稳频、稳压、无扰动的交流电，经变压器和输出滤波器向负载供电。对大多数 的u p s 来说，逆变器输出电压质量的高低，在很大程度上决定了整个u p s 电源的性 能。 从u p s 出现至今，曾先后采用过晶闸管、场效应管、i g b t ( 绝缘栅双极型晶体管) 等作为逆交器的功率器件。i g b t 是1 9 8 2 年研制成功并推向市场的一种新型功率器 件，它具有场效应管的高速开关特性、栅极电压可控、双极型晶体管的大电流处理能 力和低饱和压降等特点，而且开关损耗小，驱动简单，目前在新一代u p s 中，已被 广泛采用。由于它的高频开关特性，使得u p s 逆变器的工作频率可以达到几十k h z ， 采用p w m 控制，逆变器的输出谐波含量大大降低，这样经过简单的滤波器就可以在 逆变器的输出端得到理想的正弦波，从而提高了u p s 的整机效率。而且逆变频率的 提高，使得u p s 的输出动态响应特性、逆变器的噪声都得到了改善。 逆变器的主电路结构形式多种多样，有全桥型、半桥型及推挽型等。小功率方波 输出u p s 多采用推挽式，结构简单，控制方便。中大功率u p s 一般采用全桥逆变器 中南大学硕士学伊论文第一章绪论 结构，极少数也采用半桥式结构【埘。 与普通正弦波逆变器不同的是，u p s 逆变器输出电压在相位上必须与市电电网保 持同步，即有同步的要求。这样做的目的，一方面可以避免在逆变器输出和市电输出 之间进行切换的瞬间，u p s 输出电压发生大的波动；另一方面，如果在切换过程中出 现瞬间市电和逆变器同时向负载供电的情况，它们之间的同步会减小逆变器和市电电 网的瞬时电压差，避免大的环流。同步是通过控制电路中的锁相电路来实现的，它保? 证了正弦信号的频率和相位在市电正常时与电网相同，从而保证逆变器的输出电压与， 市电同步。锁相功能可以通过模拟锁相环来实现，也可以通过软件方法来实现【2 7 l 。 ( 3 ) 蓄电池 5 蓄电池作为u p s 的储能元件，其容量的大小决定了l i p s 后备时间的长短。没有 蓄电池的u p s 只能称作交流稳压稳频电源。目前u p s 广泛使用的是免维护密封式铅 酸蓄电池，这种蓄电池在正常的工作条件下，寿命一般可达5 1 0 年刚。 蓄电池作为u p s 最重要的器件之一， 同时也是最容易损坏的部件。造成蓄电池 损坏的原因主要有：浮充电压过高；环境温度过高；充电电流过大等。正因为这些原 因，要求给蓄电池充电的整流充电器必须具有很高的稳压精度并具有限流功能。此外， 要求u p s 系统具有完善的充放电监控装置。 。 ( 4 ) 控制电路【5 3 】 要保证u p s 的正常工作，就必须有一个功能完善的控制电路，由它负责u p s 各 部分的工作。其主要控制功能如下： 提供控制整流器的触发信号； 提供控制逆变器的调制信号； 。 电子旁路开关的开通和关断； 交流市电的检测和跟踪； 电池的检测、电池的放电低压截止； 提供过流、过压、过温、短路保护。 ( 5 ) 电子旁路开关 。 u p s 电源在进行从市电旁路供电到由逆变器供电或从逆变器供电到市电旁路供 电的切换操作，是由电子旁路开关局、局、墨和墨来完成的。作为u p s 供电切换 的转换元件，其接通时间为璐数量级，能够实现对负载进行转换时间为“零”的不 间断供电。 、 1 2 2u p s 的分类和工作原理 不间断电源按输出波形可分为方波输出、梯形波输出及正弦波输出三类；按输入 输出相数可分为单入单出、三入单出和三入三出三种类型；按输出容量来分类，可分 为小型u p s ( 5 k v a 以下) 、中型u p s ( 5 k v a l o o k v a ) 及大型u p s ( 1 0 0 k v a 以上) ；按工 中南大学硕士学位论文第一章绪论 作原理分类，可分为动态u p s 和静态u p s 两大类，其中静态u p s 又包括后备式u p s 、 双变换在线式u p s 、在线互动式u p s 以及d e l t a 变换型四种类型。 ( 1 ) 后备式u p s 后备式不问断电源主要由充电器、蓄电池、逆变器以及变压器抽头调压式稳压电 源四部分组成，其工作原理示意图如图1 3 所示。 市 电 电 源 低 通 滤 波 器 甚融 变压器抽头调压式稳压电源 l 转l l l 一 丽函 _ 叶面甄稿j i 塑皇垫l 图l - 3 后备式u p s 电源原理示意图 当市电电压处于1 7 5 v 2 6 4 v 之间时，首先经低通滤波器对来自电网的高频干扰 信号进行适当的衰减抑制后，一方面经充电器对u p s 蓄电池组进行充电，以备市电 中断时能够继续支持u p s 的正常运行，另一方面通过位于交流旁路通道上的“变压 器抽头调压式稳压电源”对起伏变动较大的市电进行稳压，使电压稳定度达到 2 2 0 v b ( 4 1 0 ) 左右然后，在u p s 逻辑控制电路的作用下，经过稳压处理的市电电 源经转换开关向负载供电( 转换开关一般由小型快速继电器构成，转换时间为2 4 m s ) 。此时，逆变器处于空载运行状态，不向外输出电能。 当市电电压低于1 7 5 v 或高于2 6 4 v 时，充电器停止工作。转换开关在切断交流 旁路供电通道的同时，将负载同逆变器输出端连接起来，从而实现了由市电供电向逆 变器供电的转换。 ( 2 ) 双变换在线式u p s 双变换在线式u p s 又称串联调整式u p s ，目前绝大多数大中型u p s 都是采用这 种结构形式。双变换在线式u p s 一般来说由整流器、充电器、蓄电池和逆变器等几 个部分组成，其工作原理示意图如图l - 4 所示。 图l - 4 双变换在线式u p s 电源原理示意图 当市电供电正常时，首先经e m i r f i 滤波器对来自电网的传导型电磁干扰和射 频干扰进行适当的衰减抑制之后，一方面经充电器对u p s 蓄电池组进行浮充充电， 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 以便在市电中断时，蓄电池有足够的能量来支持u p s 的正常运行。另一方面经过整 流器和大电容滤波变为较为稳定的直流电，再由逆变器将直流电变换为稳压稳频的交 流电，通过转换开关输送给负载。此外，直接连接交流旁路供电通道，作为逆变通道 故障时的备用电源。 当市电出现故障( 掉电、电压过高或过低) 时，关充电器，停止对蓄电池充电。 同时，逆变器改为蓄电池供电，将蓄电池中存储的直流电能转换为负载所需的交流电 能，用来维持负载电能供应的连续性。 市电供电正常时，如果系统出现输出过载或短路故障、系统温度过高或逆变器故 障。则u p s 将在逻辑控制电路的调控下转为市电旁路直接给负载供电的形式。 ( 3 ) 在线互动式u p s ， 又称为并联补偿式u p s 。与双变换在线式l i p s 相比，在线互动式u p s 省去了整 流器和充电器，而由一个可运行于整流状态和逆变状态的双向变流器配以蓄电池构 成，其工作原理示意如图l 一5 所示。 市 低 到 訇 电 通 _ 兰厶乜星亘一 电 滤 波 源 器 晤面蕊n _ r 丽丽丽习 图l - 5 在线互动式l i p s 电源原理示意图 。当市电电压在1 5 0 v 2 7 6 v 之间时，市电电源经低通滤波器对从市电电网窜入的 射频干扰进行适当衰减抑制后，分为以下几种情况：当市电电源的电压处在1 7 5 v 2 6 4 v 之间时，在逻辑控制电路作用下，将开关k 置于闭合状态的同时，闭合位于 u p s 市电输出通道上的转换开关。这样，把一个不稳定的市电电压直接送到负载上。 当市电电源的电压处在1 5 0 v 1 7 5 v 之间时，鉴于市电输入电压偏低，在逻辑控制 电路作用下，将开关置于开启状态的同时，闭合升压绕组输入端的开关墨。这样， 幅值偏低的市电电源经过升压处理后，经转换开关送到负载。当市电电源的电压处 在2 6 4 v 2 7 6 v 之间时，为防止输出电压过高而导致负载损坏，在逻辑控制电路作用 下，将开关民置于开启状态的同时，闭合降压绕组输入端的开关必。这样幅值偏高 的市电经过降压处理后经转换开关送到负载，从而达到用户负载安全运行的目的。 经过处理后的市电电压除了供给负载以外，同时作为双向变流器的交流输入电源。双 向变流器运行于整流状态，从电网吸收能量存储到蓄电池组，以便在市电不正常时提 供直流储能。 当市电输入电压低于1 5 0 v 或高于2 7 6 v 时，切断连接受载和市电旁路通道的转 6 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 换开关，同时双向变流器由原来的整流工作模式转变为逆变工作模式，也就是说：蓄 电池的直流储能经过正弦波逆变转化为稳压稳频的交流电供给负载。 ( 4 ) d e l t a 变换型u p s 又称串并联补偿式u p s ，它是在在线互动式u p s 的基础上，加入串联补偿变压 ，器构成的。图l - 6 示出了d e l t a 变换型u p s 的电路结构示意图，其中：主变换器是一 个四象限p w m 变换器，通过正弦波脉宽调制，向外输出恒压恒频、波形畸变小、与 电网输入电压同步的高质量的正弦电压，相当于一个恒定电压源。它的主要功能是： 控制输出电压；市电电压正常时，提供负载所需的全部无功功率及维持功率平衡所需 的有功功率，吸收负载的谐波电流。市电故障时，提供负载所需的全部功率，保证输 出电压连续不问断；在d e l t a 变换器调控下，完成对蓄电池的充电功能，d e l t a 变换器 与补偿变压器同样是一个四象限p w m 变换器，市电正常时通过正弦波脉宽调制，向 外提供恒定频率、波形畸变小、与电网电压同步的正弦电流，相当于一个可变电流源。 它的主要功能是：控制输入电流的幅度和正弦度，提高输入功率因数；补偿市电输入 电压与主变压器输出电压的差值；控制蓄电池的冲放电，维持蓄电池输入电流的恒定。 而直流电容跨接在电池组两端，一方面对直流总线上的高频纹波提供能量存储的场 所，另一方面抑制电池上的电压纹波，起到保护蓄电池作用。 图1 - 6d e l t a 变换型u p s 电源原理示意图 1 2 3u p s 的发展趋势 今天，u p s 的功能已经从最初单纯的供电发展到多功能并举。现在的u p s 不仅 可以实现不间断供电，而且能够全面改善供电质量、对整个网络的设备乃至数据传输 途径都给予端到端的全面保护，甚至拥有通过联网及远程通信进行远程监控的能力。 随着新技术不断地被开发出来和在实践中的逐步应用，可以预见，今后u p s 将 向着高频化、数字化、网络化、绿色化和大容量单机冗余化的方向发展川。 高频化：高频化概念的引入，给u p s 的发展带来了许多新的思路和空间。提高 逆变器的开关频率，使得用于滤波的电感、电容大大减少，u p s 效率、噪声、体积、 动态响应能力和精度均大大提高。 7 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 数字化：实时数字控制可以运用软件来实现各种控制算法，能很好的解决控制 系统由于元器件老化和温漂带来的问题，系统的抗干扰能力也大大增强。此外，控制 系统的升级可以通过改变软件来实现，在不改变硬件的条件下提高系统的性能。d s p 的控制软件还能提供给用户更完整的操作和历史数据，还能实现故障自诊断、系统自 校正等功能。 。 网络化：把u p s 作为网络家庭的一个成员的要求越来越迫切，因为它是网络正 常运行的基础。要求u p s 拥有更大的蓄电量，可以同时为多台计算机或其他外设服 务，并能够通过某种机制达到负载之间的动态配置。 绿色化：各种用电设备及电源装置产生的谐波电流及滞后电流严重污染电网，随 着各种政策法规的出台，对无污染的绿色电源装置呼声越来越高，u p s 除了加输入、 输出滤波器外还应在电网侧采用输入功率因数校正技术，这样既可以消除u p s 本身 由于整流滤波电路产生的谐波电流，又可以补偿功率因数，使u p s 的输入功率因数 达到0 9 8 以上。 大容量单机冗余化：由于网络对u p s 可靠性的要求越来越高，而解决可靠性的 途径除了提高器件自身的可靠性外，就是采用冗余的方法。小容量u p s 的单机冗余 已出现，而大容量的u p s 目前还必须通过并机的方法实现，但这样做又使用户投资 太大。毫无疑问，使用i n t e r n e t 技术监控u p s 系统将成为未来l i p s 技术的主流之一 1 3论文的主要研究工作 如前所述，u p s 技术的发展虽然很快，但在理论和实用性方面依然存在着不少问 题值得深入研究和探讨。尤其对于应用于精密电子医疗仪器的u p s ，还没有一套专用 的、完整的产品设计方案。为此，本论文从实用化的角度进行t d , 容量的、应用于精 密电子医疗仪器的单相在线式u p s 的设计课题的研究得到了长沙华能自控集团的 大力资助。 、 文中以在线式l i p s 的研究为核心内容，根据u p s 数字化、绿色化和高频化的发 展趋势，改进了目前常用的单相桥式逆变器的拓扑结构，给出了单相三变换在线式 u p s 的详细的设计方案，达到了工程应用的目的。文中着重研究了该u p s 系统的工 作原理、控制方法，以及工程实现技术，最后还对本论文的研究工作进行总结，指出 进一步研究工作的重点和方向。 8 中南大学硕士学位论文第二章u p s 逆变电路的控制建模及设计 第二章u p s 逆变电路的控制建模及设计 不间断电源的拓扑结构多种多样，应该根据工程实际要求选择合适的类型。其中 逆变器作为u p s 的核心，在很大程度上决定了整个l i p s 的性能，建立逆变电路的控 制模型并进行分析，对系统控制电路的设计具有一定的指导意义。 2 1单相三变换在线式u p s 拓扑结构的提出 在选择u p s 拓扑结构之前，首先要对各类u p s 的性能进行分析，然后结合设计 性能的要求进行选择。第一章已经详细介绍了后备式、双变换在线式、在线互动式以 及d e l t a 变换型四种基本类型u p s 的工作原理，下面将首先分析这四类静态u p s 的 性能特点。 2 1 1 静态u p s 的性能特点 ( 1 ) 后备式u p s 根据后备式u p s 的工作原理，可知其性能特点：电路简单，成本低，可靠性 高。因大多情况下是市电在供电，u p s 输出能力强，对负载电流峰波系数、浪涌系 数、输出功率因数、过载等没有严格要求。输出电压稳定精度差，但能满足负载要 求。输出有转换开关，市电掉电时输出电能有一小段时间的间断。并且，受切换电 流能力和动作时间的限制，增大输出功率有一定的困难。因此，后备式正弦波输出 u p s 容量在2 k v a 以下，而后备式方波输出u p s 容量更是在i k v a 以下。 ( 2 ) 双变换在线式u p s 双变换在线式u p s 的性能特点：不论市电正常与否，负载的全部功率都由逆 变器给出所以，在市电故障的瞬间，u p s 的输出不会产生任何的间断。输出电能 质量高。由于u p s 逆变器采用高频s p w m 调制和输出波形反馈控制，可以向负载提 供电压稳定度高、波形畸变率小、频率稳定以及动态响应快的高质量的供电电能。 全部负载功率都由逆变器提供，l i p s 的功率裕量有限，输出能力不理想。所以需对负 载提出限制条件，例如输出电流峰值系数( 一般为3 ：1 ) 、过载能力、输出功率因数( 一 般为o 力等，输出有功功率小于标定的k v a 数，克服冲击负载的能力较差。整流器 和逆变器都承担全部负载功率，整机效率低。 ( 3 ) 在线互动式u p s 在线互动式u p s 的性能特点：效率高，可达9 8 以上。电路结构简单、成 本低、可靠性高。变换器直接接在输出端，并且处在热备用状态，对输出电压尖峰 中南丈学硕士学位论文第二章u p s 逆变电路的控制建模及设计 干扰有滤波作用。大部分时间为市电供电，仅对电网电压稍加稳压处理，输出电能 质量差。市电掉电时，因为交流旁路开关存在断开时间，导致u p s 输出存在一定 时间的电能中断。 ( 4 ) d e l t a 变换型u p s d e l t a 变换型l i p s 的性能特点如下；负载端电压由主变换器输出电压决定，无 论市电有无，都可以向负载提供高质量的电能。市电存在时，主变换器和d e l t a 变 换器只对输出电压的差值进行调整和补偿，它们承担的最大功率仅为输出功率的 2 0 ( 相当于输入电压变化范围) ，所以整机效率高，功率裕量大，系统抗过载能力强， 不再对负载电流峰值系数予以限制。d e l t a 变换器完成输入端的功率因数校正功能， 使得输入功率因数可以达到0 9 9 ，输入谐波电流下降到3 以下。d e l t a 变换型u p s 的缺点是主电路和控制电路相对复杂，可靠性低。 2 1 2 单相三变换在线式u p s 拓扑结构的提出， 本课题研究对象是精密电子医疗仪器不问断供电电源，其特点是： ( 1 ) 不间断电源须提供不产生任何间断的单相交流电，以保证精密电子医疗仪 器能够持续、稳定、可靠的工作。 ( 2 ) 不间断电源能够消除电压不稳、突波及市电杂讯等干扰，同时还应具有较 长的备用时间。 ( 2 ) 应尽可能减少电力电子开关器件的使用数量，从而减小u p s 体积、方便安 装、节省投资。 综合上述特点，在现有的静态u p s 中，双变换在线式最适合本课题的应用【l 们。同 时考虑到输入电压的变化范围以及系统的负荷能力，最终采用了三变换在线式u p s ， 其系统结构框图如图2 1 所示。 交流供电旁路通道 交流输入 功率因数校 正和a c d c 整流器( 包 括直流支撑 电容) 要氍i ) c d c 艇 变换器r 1 蕾由油 1 i “。 升压变换器i l 一 交流输出 失卜。 图2 - 1 三变换在线式u p s 系统结构框图 图中单相三变换在线式u p s 整个系统从能量传递上分为三级：交流输入p f c 整 流电路、蓄电池充放电d c d c 变换电路、交流输出逆变电路。 p f c 整流电路将市电整流为稳定的4 0 0 v 直流电压，并保证输入电流为高功率因 1 0 中南大学硕士学位论文 第二章u p s 逆变电路的控制建模及设计 数的正弦波电流；输出逆变电路将4 0 0 v 直流电压变换为负载所需的电压和频率都稳 定的交流电压。d c d c 降压变换电路将直流电变换为供蓄电池充电的低压电。d c d c 升压变换电路在u p s 工作在蓄电池后备工况下为输出级直流侧供电。具体的电路结 构示意图如图2 2 所示。 图2 - 2 单相三变换在线式u p s 的电路结构示意图 2 2u p s 单相全桥逆变器等效电路 u p s 逆变部分通常采用电压型逆变器，电压型逆变器的主电路结构一般有半桥型 和全桥型两种。与全桥式逆变器相比，逆变器采用半桥结构虽然节省了两只开关管， 但是功率器件的耐压等级增加了一倍，而且在相同的输出电压条件下，半桥逆变器的 输入直流电压必须是全桥式逆变器的两倍。因而，半桥电路多用在输出功率较小、直 流母线电压较高的场合，全桥逆变器一般用在中大功率场合。因此本课题设计的u p s 逆变电路采用了全桥结构。如图2 3 所示。 历 2 日 2 图2 3 单相全桥p w m 逆变器电路原理图 2 2 1 单相全桥逆变器的工作原理 图2 3 所示的单相全桥p w m 逆变器中，直流母线电压为易，输出电流为乇，其 中全控型开关器件q 、q 3 同时通、断；q 2 、q 4 同时通、断q l ( q 2 ) 与q 4 ( q 3 ) 的驱 动信号互补，即q l 、q 3 有驱动信号时，q 2 、q 4 的驱动闭锁，反之亦然 假设输出滤波电感厶足够大，电流连续，那么任何时候总有对开关( 开关q 或 其并联二极管d ) ，共有四种组合，其输出电压电流则有四种类型 4 , 4 6 1 开关管q i 、幺( 或d l 、见) 导通时，有= ，易2 屯； 中南大学硕士学位论文第二章u p s 逆变电路的控制建模及设计 开关管q 2 、q 4 ( 或d 2 、d 4 ) 导通时，有= 一，= 一乇； 开关管g 、q ( 或d l 、d 2 ) 导通时，有= o ，= o ； 开关管q 3 、a ( 或岛、d 4 ) 导通时，有= o ，= o 。 因此，单相桥式逆变电路可以用一个单刀三掷开关电路来等效，系统简化电路如 图2 - 4 所示h 日。 图2 - 4 单相全桥逆变器开关等效电路 如果用函数石( ，) 来表示开关状态如下： f 1对应于开关状态l 石( f ) = o对应于开关状态3 l 1 对应于开关状态2 则全桥逆变器输出端电压和电流的关系可表示为： 鼢i a t ) 罂主黝o 协， 【 = 五( f ) 屯( f ) 因此，可以进一步把单相全桥逆变器等效为一个二端口开关变换网络，如图2 - 5 ( a ) 所示，设x ( ，) 为输入端变量，y ( f ) 为输出端变量。对于电压型逆变器有 删_ 矧m - 篙) ， 协z ， 引入开关变化网络日( f ) 。 阶一捌 c 2 。， 则式( 2 1 ) 描述的二端口变换网络就可以表示为 y u ) = 日( f ) x ( f ) ( 2 - 4 ) ( 。 图2 - 5 开关变换网络及全桥逆变器的等效电路 由式( 2 - 4 ) 可以看出，开关变换是非线性的。用开关变换网络替换逆变器，就得到 了系统的简化电路，如图2 - 5 ( b ) 所示( 图中，为直流电源的等效内阻) 。 中南大学硕士学位论文 第二章u p s 逆变电路的控制建模及设计 2 2 2 单相全桥逆变器输入端等效电路 根据图2 - 5 ，令i o = o ，在玑单独作用下有 【k ( ，) = 正( f ) ( f ) 经傅立叶变换可得 ( 2 5 ) u 【s ) = 蚝【s ) 。【s ) 【2 - 6 ) 而滤波电感的电流 w = 揣 沼7 ， 其中以( ，) 、k ( s ) 分别为滤波电感和滤波电容的阻抗。 f l a 式( 2 1 ) 可得 厶o ) = b ( j ) 厶。( s ) ( 2 8 ) 由式( 2 - 6 ) 、( 2 - 7 ) 和( 2 - 8 ) 可得 厶( s ) = ，匕o ) = 瓦p ；s 丽 u , 面 2 - 9 ) 因此，从逆变器的输入端来看，可以将工c 滤波器用压控流源鼎来等 效。 再令直流电源电压= 0 ，根据式( 2 - 6 ) 必定有c ，邶= o ，这时相当于负载电压单 独作用，即 圳= 揣 协 由式( 2 一1 ) 有 l ：o ) = f s ( s ) ，厶：( s ) 2 主爰；妻易( s ) ( 2 - t t ) 由式( 2 - 1 1 ) ，从逆变器输入端来看，可以将负载用独立电流源妄；：；等妻易( s ) 来等效。 综合式( 2 9 ) 和( 2 - 1 1 ) ，逆变器输出端对输入端的等效电路可以用一个压控流源和 一个独立电流源并联电路来表示。如图2 6 所示。 图2 - 6 全桥逆变器的输入端等效电路 砖砌4 j ( s ) + j ，c o ) 2 2 3 单相全桥逆变器输出端等效电路 对负载而言，逆变电路相当于一个电压源，其输入由两部分组成：直流电源电动 中南大学硕士学位论文第二章u p s 逆变电路的控制建模及设计 势和电源内阻，因此，逆变电路输出等效电路就分别由这两部分在输出端的等效电路 组成。 由图2 5 可知，若令，= o ，由直流电动势单独在逆变电路输出端产生的电压为 【，= b ( s ) o ) = 乓( s ) 易 ( 2 1 2 ) 亦即等效为一个独立电压源。 若令易= o ，在输出滤波电感添加电流z a s ) ，则对应到逆变电路输入端的电流 为 厶2 0 ) = b ( s ) i a s ) ( 2 - 1 3 ) 电流厶：( s ) 在电源内阻，上产生的压降为 2 ( s ) = l 2 ( s ) ，= 乓( j ) 1 a s ) ， ( 2 1 4 ) 内阻压降：( j ) 经过一级开关网络变换，反映到逆变器输出端为 c k 2 0 ) = 最( s ) 叱2 ( 5 ) = 最2 ( j ) i a s ) r ( 2 1 5 ) 由式( 2 - 1 5 ) 可以看出，电源内阻，在逆变器输出端用流控压源b 2 0 ) l a s ) r 等效。 综合式( 2 1 2 ) 和( 2 1 5 ) ，逆变电路的输入端对输出端的等效电路可以用一个流控压 源和一个独立电压源的串联来表示，如图2 - 7 所示。 图2 7 全桥逆变器的输出端等效电路 通过2 2 2 和2 2 3 节的分析可以看出，电压型逆变电路的输出等效电路仍是电压 源，因此要控制输出电流，实际上就是要依据负载的变化，实时的改变输出电压，来 达到稳定输出电压的目的。 应用解析得出的逆变桥输入端和输出端等效电路，可以分析逆变电路的特性。 2 3u p s 单相桥式逆变电路特性分析 在上面的控制建模中，可以看出直流电源内阻，、负载的非线性的存在都会对逆 变电路的性能造成了影响，下面将详细分析以上两方面以及死区特性对逆变性能的影 响。 2 3 1 直流电源内阻对逆变性能的影响 直流电源内阻的存在对逆变性能的影响包括对输入端的影响和对输出端的影响。 ( 1 ) 内阻对系统输入端的影响 。 根据全桥逆变器的输入端等效电路( 图2 - 6 ) ，假设逆变电路输出端滤波电感上流： 过正弦电流 1 4 中南大学硕七学位论文第二章u p s 逆变电路的控制建模及设计 i l ( t ) = l s i n ( w t + q 、 ( 2 1 6 ) 通过逆变桥，可在逆变器输入端得到对应的电流 屯( r ) = f s ( f ) i l ( t ) (