在線式UPS的原理分析

圖3－7單相全橋逆變電路

出的UPS裝置中，逆變器所需的濾波器尺寸可以大大減小。實(shí)際上，在目前的中、小型電源中，一般都是利用輸出電源變壓器的漏電感再并聯(lián)一個(gè)8～10μF的濾波電容即可構(gòu)成逆變器的輸出濾波器。

3．2逆變器電路

　　在線式UPS多采用單相橋式逆變電路，如圖3－7所示。它是由直流電源E、輸出變壓器T及場效應(yīng)管V1～V4管組成。

圖3-7 單相全橋逆變電路

　　單相橋式逆變電路按其工作方式可分為：同頻逆變電路、倍頻逆變電路。

（1）同頻逆變電路

　　在同頻逆變電路中，場效應(yīng)管V1、V2、V3、V4的柵極G1、G2、G3及G4分別加上正弦脈寬觸發(fā)信號，其波形如圖3－8所示。在ωto～ωt1期間，uG1與uG2為一組相位相反的脈沖。uG3=0,uG4為高電平；在ωt1～ωt2期間，uG3與uG4為一組相位相反的脈沖，uG1=0,uG2為高電平，其工作過程如下：V1柵極出現(xiàn)第一個(gè)脈沖時(shí)，V2的柵極脈沖消失，于是V1、V4導(dǎo)通；V2、V3截止。輸出變壓器初級電流i1沿著E＋→V1→變壓器初級→V4→E－路徑流動(dòng)。由于V1、V4導(dǎo)通，電源電壓幾乎全部加在變壓器初級兩端，即：電源的能量轉(zhuǎn)換到變壓器，變壓器次級感應(yīng)出電壓為：

　　在這個(gè)電壓推動(dòng)下，變壓器次級出現(xiàn)電流iO，它沿著“3”→R→L→“4”路徑流動(dòng)。變壓器儲(chǔ)存的能量一部分消耗在負(fù)載電阻R上，另一部分儲(chǔ)存在負(fù)載電感L中。uO的波形如圖3－8（e）所示。

圖3－8同頻逆變電路主要波形

　　V1柵極的第一個(gè)脈沖消失時(shí)，V2的柵極出現(xiàn)第二個(gè)脈沖，V1截止。iO不能突變，仍按原來路徑流動(dòng)，負(fù)載電感中的能量一部分消耗在負(fù)載電阻上，另一部分儲(chǔ)存在變壓器中。它使電流i1也不能突變，i1一方面沿著“2”→V4→V6→“1”流動(dòng)，變壓器儲(chǔ)存的能量消耗在回路電阻上；另一方面i1沿著“2”→V7→E→V6→“1”流動(dòng)，變壓器能量反饋給電源E。由于V4、V6導(dǎo)通，變壓器初級短路，故u12≈0,uO≈0,故不會(huì)出現(xiàn)反向尖脈沖。變壓器中能量釋放完后，V2截止。

　　由此可見，V1的柵極出現(xiàn)第一個(gè)觸發(fā)脈沖時(shí)，變壓器初、次級同時(shí)出現(xiàn)寬度相同的脈沖。不難推出，V1的柵極出現(xiàn)第二至第九個(gè)觸發(fā)脈沖時(shí)，變壓器初、次級也同時(shí)出現(xiàn)與圖3－8寬度相同的第二個(gè)至第九個(gè)脈沖。其輸出電壓波形如圖3－8（e）所示。

　　在ωt1～ωt2期間，分析方法與ωt0～ωt1相同，讀者可自行分析，由分析可見：

　　·uO是正弦脈寬調(diào)制波。

　　·uO中脈沖頻率與驅(qū)動(dòng)信號（uG1～uG4)中脈沖頻率相同，故將這種逆變電路稱為同頻逆變電路。

（2）倍頻逆變電路

　　在倍頻逆變電路中，場效應(yīng)管V1、V2、、V3、V4柵極G1、G2、G3及G4分別加上正弦脈寬觸發(fā)信號如圖3－9所示。圖中uG1與uG2，uG3與uG4相位相反，其工作過程如下：

　　在t0～t1期間：

　　uG1>0、uG4>0，uG2=0、uG3=0，V1、V4導(dǎo)通，V2、V3截止。變壓器初級電流i1沿著E＋→V1→變壓器初級→V4→E－路徑流動(dòng)，由于V1、V4導(dǎo)通，故：電流的能量轉(zhuǎn)移到變壓器，變壓器次級感應(yīng)出電

圖3－9倍頻逆變電路主要波形

壓為：在這個(gè)電壓推動(dòng)下，變壓器次級感應(yīng)電流iO沿著“3”→R→L→“4”路徑流動(dòng)。變壓器中能量一部分消耗在R上，另一部分儲(chǔ)存在L中，uO的波形如圖3－9（e）圖所示。

　　在t1～t2期間：

　　uG1>0、uG3>0，uG2=0、uG4=0，V4截止。iO不能突變，iO繼續(xù)按原來方向流動(dòng)，負(fù)載電感中的能量一部分消耗在負(fù)載電阻上，另一部分儲(chǔ)存在變壓器中。i1也不能突變，它沿著“2”→V7→V1→“1”路徑流動(dòng)，變壓器中的能量消耗在回路電阻上；i1另一方面沿著“2”→V7→E→V6→“1”流動(dòng)，使變壓器中的能量反饋電源。由于V7、V1導(dǎo)通，u21≈0,uO≈0。故不會(huì)出現(xiàn)尖脈沖。變壓器中能量釋放完后，V1自動(dòng)截止。

　　在t2～t3期間：

　　uG1>0、uG4>0，uG2=0、uG3=0，V1、V4導(dǎo)通，V2、V3截止。i1沿著E＋→V1→變壓器初級→V4→E－路徑流動(dòng)，由于V1、V4導(dǎo)通，故：i0沿著“3”→R→L→“4”路徑流動(dòng)。

　　在t3～t4期間：

　　uG2>0、uG4>0，uG1=0、uG3=0，V1截止。iO繼續(xù)沿著原來路徑流動(dòng)，負(fù)載電感L中的能量一部分消耗在負(fù)載電阻R上，另一部分儲(chǔ)存在變壓器中。i1一方面沿著“2”→V4→V6→“1”路徑流動(dòng)，變壓器中的能量消耗在回路電阻上；i1另一方面沿著“2”→V7→E→V6→“1”使變壓器中的能量反饋給電源。由于V6、V4導(dǎo)通，u21≈0,uO≈0，故不會(huì)出現(xiàn)尖脈沖。變壓器中能量釋放完后，V4自動(dòng)截止。

　　以后便重復(fù)上述過程，uO的波形如圖3－9(e)所示。由圖看出：

　　·輸出電壓uO也是正弦脈寬度調(diào)制波。

　　·輸出電壓uO中脈沖頻率是驅(qū)動(dòng)信號中脈沖頻率的兩倍，故將這種逆變電路稱為倍頻逆變電路。

4具有雙閉環(huán)的在線式UPS控制電路

　　為了提高輸出電壓的穩(wěn)壓精度、改善輸出波形，UPS往往采用閉環(huán)電壓控制電路和閉環(huán)波形控制電路。具有這種雙閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的UPS反饋控制電路如圖3－10所示。

圖3-10 UPS的雙閉球反饋控制電路

4.1電壓閉環(huán)控制電路

　　電壓閉環(huán)控制電路是由直流電壓檢測電路、給定電壓、誤差放大器組成。

　?。?）直流電壓檢測電路

　　直流電壓檢測電路是由檢測變壓器T、單相全波整流電路V1～V2、電阻分壓器R1、R4、R5組成。設(shè)變壓器變比為n，電阻分壓器輸出電壓為UV，反饋系數(shù)為β，經(jīng)推導(dǎo)：則UV=βUO

　?。?）給定電壓

　　給定電壓Un是由12V電源、電位器RP、電阻R3構(gòu)成分壓器提供的。

　?。?）誤差放大器

　　誤差放大器是由運(yùn)放N1、電阻R6構(gòu)成的反相放大器，C1的作用是抑制高頻振蕩，放大器輸出電壓Uk為：Uk=K1(Un－Uv）

　　（4）跟隨器

　　跟隨器由運(yùn)放N2構(gòu)成，其輸出電壓UL=UK。

　?。?）SigmaPWM集成芯片

　　N4是SigmaPWM集成芯片。跟隨器N2輸出電壓UL加在N4的控制端（16腳）。N4輸出標(biāo)準(zhǔn)的正弦波交流電壓US，其電壓的幅值受跟隨輸入電壓控制。

4．2波形閉環(huán)控制電路

　?。?）交流電壓檢測電路

　　交流電壓檢測電路由檢測變壓器T（U21）、電阻分壓器R9、R11組成。

　?。?）給定電壓

　　給定電壓由SigmaPWM集成芯片提供，15腳輸

圖3－10UPS的雙閉環(huán)反饋控制電路

出，它通過R17、C8加在N3的反相端，設(shè)給定電壓為UM。

　?。?）誤差放大器

　　誤差放大器由運(yùn)放N3、R12～R16、C4～C7組成。圖中：R14、C6構(gòu)成校正環(huán)節(jié)：C4、R12、R13也構(gòu)成校正環(huán)節(jié)，C5、R16是為了減少運(yùn)放N3失調(diào)電壓的；C7是抑制放大器高頻振蕩的，靜態(tài)時(shí)校正環(huán)節(jié)不起作用，故誤差放大器輸出電壓UC,4．3閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)

　?。?）閉環(huán)波形控制環(huán)路

　　4.3 閉環(huán)波形控制框圖如圖3－11所示。

圖3－11閉環(huán)波形調(diào)節(jié)系統(tǒng)框圖

　　圖中：K3是交流電壓誤差放大器的增益；K4是正弦脈寬調(diào)制器的傳遞函數(shù)；K5是逆變器的傳遞函數(shù)；F是檢測電路的反饋系數(shù)。根據(jù)圖3－11可以寫出：

U0=K3·K4·K5（UM－Uf）

令K=K3·K4·K5

——環(huán)路總增益

由于FK?1

則UO=UM/F

　　由于F是常數(shù)，并且是小于1的常數(shù)。因此UPS輸出電壓UO波形與給定電壓UM波形相同，也是高質(zhì)量的正弦波。

　　（2）閉環(huán)電壓控制環(huán)路

圖3－12閉環(huán)電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)框圖

　　閉環(huán)電路調(diào)節(jié)系統(tǒng)框圖如圖3－12所示。圖中：K1是直流電壓誤差放大器的增益；K2是SigmaPWM集成芯片控制系數(shù)。

　　上式表明：雙閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)壓精度比單閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)壓精度高。

5在線式UPS的同步鎖相電路

　　在線式UPS同步鎖相電路如圖3－13所示，它