DELTA台达R-3K机架式UPS不间断电源3KVA外配电池包风场控制柜用详细介绍

器件、拓扑和控制是现代电力电子技术的三大核心，USP是典型的电力电子技术的应用，除了器件和拓扑，控制技术也是UPS的关键。第2章和第3章分别介绍了UPS中应用的电力电子器件和电能变换拓扑，太章将介绍UPS控制技术。广义上讲UPS的控制技术包含很多，人机界面、远程通信、数据采集等都属于控制技术，但本章将焦点集中在UPS的核心控制技术，包括逆变脉宽调制技术、逆变器控制技术、电网同步(锁相)技术以及并联冗余技术等。

DELTA台达R-3K机架式UPS不间断电源3KVA外配电池包风场控制柜用

4.1逆变脉宽调制技术

逆变器是UPS电源设备的核心。我们知道，欲使逆变主电路完成直流变交流的功率变换过程，就必须对其功率逆变电路进行控制，而将控制电路对逆变主电路实施的控制方式叫控制策略(方法)。逆变器控制电路主要包括控制脉冲产生电路、逆变器输出稳定调整电路、保护电路、逆变器输出与市电同步的控制与切换等，使其按照人们预期的工作方式运行。习惯上人们将对逆变器主电路实施控制的电路称其为逆变控制电路。本节主要介绍控制逆变器脉冲产生电路与输出稳定调整电路，其他电路将在后续章节介绍。逆变器脉冲调制策略有很多种，主要包括单脉冲PwM、多脉冲PWM、正弦脉冲PwM(SPwM--sinusoidal pulse width modulation)、空间电压矢量PWM(SVPwM-space vector pulse width modula- tion)、电流跟踪PwM、单周(one-cycle)控制以及特定消谐PwM(SHEPwM- selective harmonic elimination pulse width modulation)等，而在UPs电源中，目应用***的仍然是正弦脉冲SPwM。

4.1.1单脉冲PWM 

早期的小功率方波输出的后备式UPS中，主要用单脉冲PwM实现对逆变器的控制。所谓单脉冲PwM法，就是用一个矩形波脉冲去等效交流电的半周，再用同样的年形波脉冲等效交流电的另一个半周，通过调整矩形波的脉宽来稳定输出电压，通过调救筑形波的中心距离来调整和稳定输出频率。其示意图分别如图4-1和图4-2所示。

由此可以看出，只要适当调整正负电压脉冲的间隔中，即可在频率固定的情况下调整正负电压脉冲的宽度，就可有目的地消除三次及其倍次谐波，当然也可以有目的地消除其他次谐波。由此也说明了单脉冲PWM波具有一定的谐波抑制能力。

DELTA台达R-3K机架式UPS不间断电源3KVA外配电池包风场控制柜用

UPS电源技术及应用

4E 

45 2k一1 [( t+影}26-1] 其中，第7次谐波的幅值可表示为: 

式中，n=1,3,.... 

4E 

Um(n)= os 

根据上式可知，如果要想消除u5中的n次谐波分量，就要使Um(n)=0,即cos3 于是我们就得到了在单脉冲PwM波中消除n次谐波的条件: 

根据上式很容易求得: 

cos-0 

=60&＃39;,u45不含三次谐波及其倍次谐波；=36o,u45不含五次谐波及其倍次谐波；

但UPS工作时，为了稳定输出电压，往往需要适时调整输出电压脉冲的宽度，这样就破坏了消除某些高次谐波的条件。虽然消除高次谐波的条件不一定满足，但单脉冲PWM波对高次谐波的抑制能力还是存在的，只不过抑制效果没有达到而已。

4.1.2多脉冲pWM 

多脉冲PWM法就是用多个等宽度矩形脉冲去等效交流的正半周，再用同样多个等宽矩形波脉冲去等效交流电的负半周，通过矩形波的调整去调整和稳定输出电压，而通过调整矩形脉冲的中心距离来调整和稳定输出频率。用多脉冲PwM法比单脉冲PWM法输出所含谐波更容易滤除，但每周期内开关器件通断次数过多会造成控制电路复杂和过多能量损耗。

DELTA台达R-3K机架式UPS不间断电源3KVA外配电池包风场控制柜用

4.1.3正弦脉冲PWM 

正弦波脉宽调制的控制思想，是利用逆变器的开关元件，由控制线路按一定的规律控制开关元件的通断，从而在逆变器的输出端获得一组等幅、等距而不等宽的脉冲序列。其脉宽基本上按正弦分布，以此脉冲列来等效正弦电压波。如图4-5所示，将正弦波的正半周划分为N等份(图中为12等份)，这样就可把正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲的宽度相等，都等于/N,但幅值不等，且脉冲顶部是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化，如果将每一等份的正弦曲线与横轴所包围的面积用一个与此面积相等的等高矩形脉冲代替，就得到图示的脉冲序列。这样，由N个等幅而不等宽的矩形脉冲所组成的波形与正弦波的正半周等效，正弦波的负半周也可用相同的方法来等效。

在理论上可以严格地计算出各分段矩形脉冲的宽度，作为控制逆变电路开关元件通断的依据，但计算过程十分烦琐。较为实用的方法是采用调制的方法，即把希望得到的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到望的PwM波形实现SPWM一般比较容易理解的方法是:采用一个正弦波ug(调制信号)与等腰三角波1(载128 s85188Z61 EFuzZ4 8.5kg 风干波信号)相交的断，就可得到宽

在采用SPw 控制方式所对应-U4 图为了讨3-44),讨论首先，_{6为正弦式中，0日0几LUDU HUU0日日日几0UL0 

图4-9三相SPwM波形

的波形正、负半周也对称，K应取为奇数。如图4-9所示的例子是K=9时的同步调制三相PwM波形。

每一相的控制脉冲如图4-9所示。

每一相对电源的中性点而言，其输出为双极性SPWM波，因此其相电压的调整和抑制谐波原理与单相逆变电路类似，故在此不过多讨论。

在实现SPwM脉宽调制时，根据载波比的变换，有同步调制和异步调制两种模式。

载波比K等于常数，并在变频时使载波信号和调制信号保持同步的调制方式称为同步调制方式。在基本同步调制方式中，调制信号频率变化时载波比K不变。调制信号半个周期内输出的脉冲数是固定的，脉冲相位也是固定的在三相PwM逆变电路中，通常共用一个三角波载波信号，且取载波比K为3的整数倍，以使三相输出波形严格对称。同时，为了使一相

-0p 波形白然而的电

当逆变电路的输出频率很低时，因为在半周期内输出脉冲的数目是固定的，所以由SP. wM调制而产生的谐波频率也相应降低，这种频率较低的谐波通常不易滤除。为了克服这一缺点，通常采用分段同步调制，即把逆变电路的输出频率范围划分成若干个频段，每个频段内都保持载波比K恒定，而不同频段的载波比不同。在输出频率的高频段采用较低的载波比，以使载波频率不致过高。在输出频率的低频段采用较高的载波比，以便载波频率不致过低而对负载产生不利影响。各频段的载波比应该都取3的整数倍且为奇数。

当采用分段同步调制时，在不同的频率段内，载波频率的变化范围应该保持一致。提高载波频率可以更好地抑制谐波，使输出波形更接近正弦，但载波频率的提高受到功率开关器件允许频率的限制。

DELTA台达R-3K机架式UPS不间断电源3KVA外配电池包风场控制柜用

载波信号与调制信号不保持同步的调制方式称为异步调制方式。在异步调制方式中，当调制信号频率变化时，通常保持载波频率固定不变，因而载波比K是变化的。于是在调制信号的半个周期内，输出脉冲的个数和脉冲相位是不固定的，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称。

当调制信号频率较低时，载波比K较大，半周期内的脉冲数较多，正负半周期脉冲不对称和半周期内前后1/4周期脉冲不对称的影响都较小，输出波形接近正弦波。当调制信号频率增高时，载波比K减小，半周期内的脉冲数减少，输出脉冲的不对称性影响就变大，还会出现脉冲的跳动。同时，输出波形和正弦波之间的差异也变大，电路输出特性变坏。对于三相SPwM型逆变电路来说，三相输出的对称性也变差。因此，在采用异步调制方式时，希望尽量提高载波频率，以使在调制信号频率较高时仍能保持较大的载波比，改善输出特性。

此外，在双极性SPwM控制方式中，由于同一相上、下两臂的驱动信号是互补的，因此为了防止上，下两个臂直通而造成短路，在给一个桥臂施加关断信号后，再延迟一段时间(通常称为死区)，才给另一个桥臂施加导通信号，延迟时间的长短主要由功率开关器件的关断时间决定。这个延迟时间将会给输出的SPWM波形带来影响，使其偏离正弦波。

SPWM的实现方法有两种:模拟法和数字法。模拟法SPwM是用模拟电路产生，即用1322刀S8519o- 控制新以B 自位表示线: UA0 二个向始幅值的拆

三角波和止弦参考波比较。这种方法原理简单直观，是早期主要的应用方式。