1、UPS 逆变器的频域模型分析来源： UPS 应用 作者： APC 公司中国研发中心 江伟石 更新时间：2011/12/19 11:31:53 摘要：阐述 UPS 逆变器的频域摸型分析，以 MATLAB 对 UPS 的环路进行模拟分析及实验验证。此分析有助于设计者对UPS 逆变器电路的理解，并用于分析系统稳定度。 本文的旨意是要建立 UPS 的频域模拟电路模型。以简单的 MATLAB 模型(频域模拟电路)来模拟UPS 的频域响应，并以加载的输出电压暂态响应图形的比较来验证模型的准确。此分析有助于设计者对 UPS 逆变器电路的理解并作为分析其系统稳定度的基础。1.UPS 控制环路分析图 1 为一个
2、典型 UPS 的控制环路图。其中包含三个控制环路。最主要的环路是瞬时电压控制环路，其次是直流电压前馈补偿环路，第三个环路是自动零点校正环路。兹将各个环路功能说明如下：（1）瞬时电压控制环路输入电压经由交流转直流转换器变为直流电压后，再经逆变器输出到隔离变压器，最终经过滤波器滤波后输出给负载。输出电压的反馈是利用一个小的电压感测变压器将输出电压反馈至补偿器。补偿器输出的信号经脉冲宽度调制器以高频(约 20kHz)的三角波调制为 PWM 波后再送给驱动器，以驱动金桥逆变器将直流电压转换为交流电压供给负载电源，如图 2 所示。（2）直流电压前馈补偿环路图 1 虚线所示回路主要用来补偿输出电压的稳态误
3、差。此环路对加载后的输出有效值电压的补偿相当有帮助。（3）自动零点校正环路此环路的主要目的是利用电流检测电阻检测出流经变压器原边的电流反馈后进行校正，以避免变压器因存在直流电压分量而饱和。图 1 典型 UPS 的控制环路图2.UPS 逆变器主回路模型本文主要是建立上述 UPS 频域控制环路的 MATLAB 分析模型。兹将瞬时电压控制环路节录出来(见图 2)。图中逆变器是由全桥三阶控制线路所组成。脉冲宽度调制器将用 PWM 调制器模型取代。图 2 瞬时电压控制环路3.逆变器的模型分析图 3 是逆变器线路的示意图。其主要功能是接收来自 PWM 调制器的输出 D一般称它为占空比),而将 PWM 波形
4、放大为具有直流汇流排电压高度的 PWM 波形。可以说，它就是一个放大器，把 PWM波形进行电压放大而已。图 3 逆变器线路示意图4.PWM 调制器的模型图 4 为 PWM 调制器的原理图。将补偿器输出电压 Uc 和三角波电压 Utri 做比较后，转换为占空比的大小。图 4PWM 调制器原理图因为三角波频率很高(约 20kHz)，而 Uc 大约为 50Hz 或 60Hz，因此，对拍一周的三角波而言，U c 可视为直流电压，如图 5 所示。图中 Uoffset 理想上可视为 0。而由几何的分析，很容易介析出D=Ton/Ts=Uc/Utri。对 PWM 调制器的数学模型来说，只要考虑 PWM 调制器
5、的输出及输入电压特性做模型分析即可知道，其数学模型恰恰是三角波电压的倒数。在 PWM 调制器的模型中，输入为 Uc，输出为 D，D=T on/Ts。图 5 经 PWM 调制后补偿器的输出电压和三角波电压5.变压器、输出滤波器及负载的模型分析变压器、变压器、输出滤波器及负载的线路模型如图 6(a)所示。其中，变压器的升压比由实际的电压测试得到为 2.77 倍（设 Kxfmr=2.77）。电感器由 LCR 测试仪测得其电阻值及电感值分别为Rd=1.067 及 L=5mH。输出滤波器的电容值测得为 C=60F,由于电容器的串联电阻值影响到输出滤波器的阻尼因数大小，因此也不能忽视。我们测出其 Resr
6、=0.086。而负载可用电阻来表示，只是空载和满载的电阻大小足不同的。假设负载电阻为 RL，可以导出其传递函数如下（空载时，负载电阻无穷大，取极限值可得空载的传递函数)：空载时：图 6(b)和(c)是空载与满载时，经由 HP3562 频率响应测试仪测得的频域相应图形。从图中可以看出满载的阻尼是较大的，但谐振频率点并没有改变，约在 285Hz。（b ）空载时实测的频域响应图（c）满载时实测的频域响应图 图 6 频域模型及其响应图6.受控对象的函数分析整个回路的数学函数除了补偿器及反馈电路以外，可以整合为图 7 所示电路图。从控制理论的角度看，控制对象的模型是最基本、最重要的。被控对象由(PWM)
7、脉宽调制器、驱动器、桥式功率变换器、隔离变压器、LC 滤波器和负载组成。其传递函数由前面所述的各级传递函数模型乘积组成。其中 Kinv=Udc-bus/Uc。空载时，控制对象的传递函数为：P mo(S)=KinvPo(S)其中 Po(S)为无载时输出滤波器的转换函数。满载时，传递函数为：P mf(S)=KinvPf(S)其中 Pf(S)为满载时输出滤波器的转换函数。图 7 受控体电路图7.补偿器的设计由上述的受控体分析得知，受控体基本上是二阶的系统。在设计补偿器时，考虑到为了得到快速的暂态响应，必须针对受控体的频域转换函数去特别设计补偿器。使其得到的整体回路增益越高越好，频宽越宽越好。但是为了
8、避免高增益频宽带来的杂讯干扰，从抑制穿越频率以上的杂讯效果要更好的话，可以考虑设计补偿器是带有三个极点(F p1，F p2，及 Fp3)及两个零点（F z1 及 Fz2)的补偿器。其线路及其转换函数如图 8 所示。其中，补偿器与受控体的频域响应图的相关位置如图 9 所示。如此设计可得期望的回路频域响应如图 10 所示。图 8 补偿器电路图图 9 补偿器与受控体的频域响应图图 10 理想的回路频域响应图8、实验测试有了上述的分析，结合受控体及补偿器的模型就可以做回路分析了。图 11 所示即为逆变器回路中所涉及的方块图。图 11 逆变器回路方块图其中反馈线路是由工频变压器(图中的 Ksense)及
9、电阻分压( 图申的 Kbias)所组或，其数值很容易计算出来，并且是个常数。测试使用的仪器是 HP3562 频率响应分析仪。测试点使用图中的 Uref 作为输入通道，U e1 作为输出通道。由数学分析得知转换函数 T（s ）=U e1/Uref=L(s)/1+L(s)，其中L（s）即为回路增益，在 HP3562 的仪器中把 T（s）转换为 L（s ）只要按下转换按键，仪器即会自动计算出来，即 L（s ）=T（s）/1-T(s)测试点：源通道：U ref通道 1：INPUT Uref通道 2：OUTPUT Ue1T（s ）=U e1/UrefL （ s）=C(s)P(s)H 1H2;LOOP G
10、AIN使用 HP3562 数学方法L （ s）=T（ s）/1-T(s)频域测试与模拟图形十分相像。满载时频域响应也显示阻尼大于空载的频域响应。相位冗余约22 度，而增益冗余约有 36dB。系统具有较高的增益及足够的相位冗余。表示补偿器的补偿效果显著，发挥补偿作用。9.结束语本文以 UPS 为实体，试图建立 UPS 逆变器的 MATLAB 模型来分析 UPS 回路的稳定度，并且以时域模拟 UPS 的瞬间动态响应与实测的波形作比较，验证其暂态行为的相似性很高。经由所建立的模型电路及实物输出电压及电流的测试比较，可以确认我们所逮立模型的暂态响应是很准确的。此次的模型建立将有助于电路设计人员对 UPS 电路稳定性的分析及时域波形的研究。责任编辑：Randy
