UPS控制環(huán)路分析

一個(gè)典型的UPS控制環(huán)路如圖1所示。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)是自動(dòng)零點(diǎn)校正環(huán)路。各個(gè)環(huán)路的功能如下:

(1)瞬時(shí)電壓控制環(huán)路

輸人交流電壓經(jīng)直流轉(zhuǎn)換器變換為直流電壓(DCBUS)后，再經(jīng)逆變器輸出到隔離變壓器，最終經(jīng)LC濾波后輸出電壓給負(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2OkHz)的三角波調(diào)變?yōu)镻WM波后再送給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)全橋逆變器將直流電壓(DC一BUS電壓)轉(zhuǎn)換為交流電壓提供給負(fù)載。


(2)直流電壓前饋補(bǔ)償環(huán)路

如圖1中點(diǎn)劃線圍成的方塊所示，主要用來補(bǔ)償輸出電壓的穩(wěn)態(tài)誤差。此環(huán)路有助于對(duì)加載后的輸出有效值電壓進(jìn)行補(bǔ)償。

(3)自動(dòng)零點(diǎn)校正環(huán)路

如圖2虛線圍成的方塊所示，此環(huán)路的主要目的是利用分流器檢測(cè)出流經(jīng)變壓器原邊的電流反饋后對(duì)零點(diǎn)加以校正，以避免變壓器因存在直流分量而飽和 2.UPS逆變器PSPICE仿真模型。


本文主要敘述建立上述UPS瞬時(shí)電壓控制環(huán)路的PSPICE仿真模型?，F(xiàn)將瞬時(shí)電壓控制環(huán)路節(jié)選出來，并將驅(qū)動(dòng)線路、逆變器、隔離變壓器三者以占空比控制的變壓器模型取代，因?yàn)榭蓪Ⅱ?qū)動(dòng)線路、逆變器、隔離變壓器三者的作用視為是一個(gè)隔離變壓器的功能。但是，其電壓轉(zhuǎn)換的比例是要依據(jù)驅(qū)動(dòng)器及逆變器的占空比大小而有所調(diào)整。并且，脈沖寬度調(diào)制器也用PWM調(diào)制器模型取代。最終的PSPICE模型如圖2所示。后續(xù)將對(duì)占空比控制的變壓器模型及PWM調(diào)制器模型另做詳細(xì)介紹。除了占空比控制的變壓器模型及PWM調(diào)制器模型外，其余的線路并沒有改變。而圖中雖有直流電壓前饋補(bǔ)償環(huán)路，但并不列人PSPICE仿真模型中，僅作示意而已。 3.占空比控制的變壓器仿真模型。
[page]

圖3是占空比控制變壓器的PSPICE仿真模型。其基本模型和變壓器的模型差不多，是二次側(cè)電壓叭除了是原來變壓器電壓U1×n以變壓器一二次側(cè)匝數(shù)比)外必須冉乘以占空比D才是真正的二次側(cè)電壓。原因是逆變器是全橋架構(gòu)的直流轉(zhuǎn)換器，而金橋架構(gòu)的百流轉(zhuǎn)換器是降壓型(BUCK)開關(guān)電源電路的衍生電路。而 BUCK開關(guān)電源的輸出電壓即輸人電壓乘以占空L飽。驅(qū)動(dòng)線路是將控制信號(hào)放大，并沒有轉(zhuǎn)換損失，因此其數(shù)學(xué)模型可視為I。圖3中，幾代表開關(guān)頻率的周朔，而幾"代表在該周朔中導(dǎo)通的時(shí)間。因此，占空比D=Ton/Ts。占空比控制的變壓器模型如圖4所示。


PWM調(diào)制器的模型

此圖輸人電壓為叭，輸出電壓為D的函數(shù)，其中D=Ton/Tso。

仿真驗(yàn)證

有了上述的PWM調(diào)制器PSPICE模擬電路，UPS 的沖擊也最大。同時(shí)由于UPS存在輸出阻抗，加載后輸出電壓的下降代表輸出阻抗的負(fù)載效應(yīng)，在峰值加入100負(fù)載所產(chǎn)生的負(fù)載效應(yīng)也是最大的，并且由仿真與實(shí)際測(cè)試的瞬間暫態(tài)波形比較來看，二者的相似度幾乎一樣。足見所建立的模型能夠準(zhǔn)確地模擬出UPS的輸出阻抗及其暫態(tài)響應(yīng)，這一點(diǎn)是一般在建立仿真模型時(shí)較難做到的地方，也驗(yàn)證了PSPICE模型具有很高的準(zhǔn)確性。此模型恰好可以彌補(bǔ)由MATLAB建立的仿真模型及頻域分析數(shù)學(xué)模型的不足。

結(jié)束語(yǔ)

本文以UPS為實(shí)體，試圖建立UPS逆變器的PSPICE模型來模擬UPS的瞬間動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，經(jīng)過所建立的模型電路及實(shí)際輸出電壓及電流的測(cè)試比較，可以確認(rèn)所建立的PSPICE模型是很準(zhǔn)確的。這將有助于電路設(shè)計(jì)人員對(duì)UPS電路穩(wěn)定性的分析。

相關(guān)閱讀：

半橋式變壓器開關(guān)電源原理
——陶顯芳老師談開關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)
一種WEDM用雙管正激交錯(cuò)并聯(lián)結(jié)構(gòu)的DC/DC變換器設(shè)計(jì)
推挽式變壓器開關(guān)電源原理
——陶顯芳老師談開關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)