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基于TMS320C240控制器實現大功率并聯UPS的鎖相控制技術
摘要: 隨著信息處理技術的不斷發展,尤其是計算機的廣泛應用和Internet的迅猛發展,現代信息設備對不間斷電源(UPS)供電系統的可靠性要求越來越高,不間斷電源(UPS)的可靠性越來越備受關注,不間斷電源(UPS)并聯供電系統逐步成為首位;如何保證UPS并聯系統在電網惡劣的條件穩定、可靠運行是UPS廠家需要考慮的問題。本文介紹一種基于TI公司的TMS320C240 DSP控制器構成的大功率并聯型UPS同步控制方案。與電網的同步、并聯系統中各臺UPS間的同步,成為并聯UPS系統控制的關鍵。UPS并聯系統中的核心部分是精度很高的鎖相環,模擬鎖相環是一門成熟的技術,以它獨特的優良性能在許多領域得到了廣泛地應用。但隨著數字技術的發展,UPS的全數字化控制是大勢所趨,因此,鎖相環也逐漸過渡為數字化,數字DSP控制鎖相環相對于模擬鎖相環實現起來更方便,同時用軟件代替硬件實現,還可以結合系統的其他功能統一設計,節省成本。
Abstract:
Key words :

1.引言                 

隨著信息處理技術的不斷發展,尤其是計算機的廣泛應用和Internet的迅猛發展,現代信息設備對不間斷電源(UPS)供電系統的可靠性要求越來越高,不間斷電源(UPS)的可靠性越來越備受關注,不間斷電源(UPS)并聯供電系統逐步成為首位;如何保證UPS并聯系統在電網惡劣的條件穩定、可靠運行是UPS廠家需要考慮的問題。本文介紹一種基于TI公司的TMS320C240 DSP控制器構成的大功率并聯型UPS同步控制方案。與電網的同步、并聯系統中各臺UPS間的同步,成為并聯UPS系統控制的關鍵。UPS并聯系統中的核心部分是精度很高的鎖相環,模擬鎖相環是一門成熟的技術,以它獨特的優良性能在許多領域得到了廣泛地應用。但隨著數字技術的發展,UPS的全數字化控制是大勢所趨,因此,鎖相環也逐漸過渡為數字化,數字DSP控制鎖相環相對于模擬鎖相環實現起來更方便,同時用軟件代替硬件實現,還可以結合系統的其他功能統一設計,節省成本。

2、TMS320C240 DSP控制器介紹

TMS320C240是美國TI公司專為數字電機控制運用而推出的一種16位定點運算的DSP,為控制系統應用提供了一種理想的解決方案。它具備以下的主要性能:3個通用定時器,可輸出3路比較/PWM脈沖;3個全比較單元,可輸出3對帶死區控制的比較/PWM脈沖;3個單比較單元,可輸出3路比較/PWM脈沖;4個捕獲引腳CAP,用于高速I/O管理;兩組各8路10位10微妙的A/D轉換器;看門狗定時器和定時中斷定時器;片內ROM或Flash存儲器等。

3、并聯系統UPS的同步控制方案

1)、UPS的鎖相控制原理

市電電壓波形及UPS輸出電壓波形都是正弦。設UPS逆變電壓的頻率為,而市電電壓的頻率為,故市電電壓波形的瞬時值可表示為:

UPS逆變輸出電壓波形的瞬時值可表示為:,其中+為UPS輸出波形超前于市電波形的相位角;-為UPS輸出波形為滯后于市電波形的相位角。要實現UPS與市電的同步必須要求:=,    =0,關鍵在于如何實現=,只能通過改變使得逐步減小,最終=0, =

當UPS輸出波形超前于市電波形時,則要求該UPS輸出電壓的頻率降低,即

                                               當UPS輸出波形為滯后于市電波形時,則要求該UPS輸出電壓的頻率升高,即

                     

2)、并聯UPS系統同步鎖相的實現

并聯系統UPS在市電與逆變切換時,若在切換的瞬間二者的輸出波形不一致,會造成供電的中斷,另一方面也可能會因兩個電壓源之間的環流過大而損壞UPS。為確保UPS系統市電與逆變的切換時不存在環流,需保證市電波形與逆變波形保持相位接近;因此需要一種裝置用來檢測市電的相位變化,并用于控制逆變器輸出電壓的相位和頻率,使逆變器與市電保持同步運行。

對于并聯系統UPS的鎖相可采用兩級鎖相結構,其中,一級鎖相環又稱外同步,是指并聯系統各UPS跟蹤市電相位和頻率并進行相互間的相位同步控制,即實現UPS與旁路市電的同步。二級鎖相環又稱內同步,是指基于各臺UPS輸出電壓的頻率及相位跟蹤和同步控制,它實現各臺UPS間的同步。兩級鎖相環都采用了PI調節器,其中,內同步速度較快,精度很高(±10μs以內),它確保了UPS之間的并聯環流可達到最小。外同步的PI調節器速度較慢,它確保了旁路和逆變器之間的平滑切換。每級鎖相環包括相位誤差檢測、調節器的調節,以下分別介紹各級鎖相環是如何實現的。

并聯系統中的鎖相框圖為:

       

   外同步:兩臺UPS的輸入即市電經比較器電路整形為方波,經過同步母線綜合后,將該方波信號送到每臺UPS的DSP的捕獲單元CAP1引腳,設置上升沿或下降沿捕獲,則在方波信號發生相應跳變時進入捕獲1中斷讀取計數器T2CNT的值作為PI調節器的反饋信號,通過與設定值相比較即可得相位差,再經PI調節器的運算形成調節量,用于改變T2PR的值,從而使逆變輸出跟蹤市電基準。

內同步:T2計數器作為UPS正弦輸出的相位和頻率基準,為保證所有UPS之間同步,所有UPS都利用T2CNT發生一個方波,方波經同步母線綜合后,送到所有UPS的CAP2端口,在方波信號發生相應跳變時進入捕獲2中斷中對T2CNT清零,保證內同步的給定是同步的。

在正弦中點時對應的中斷中讀取T2CNT值作為反饋量,與T2PR/2相比較,再經PI調節器運算后得到的調節量用于改變T1PR的值,使逆變輸出正弦波和T2計數器同步,從而逆變輸出保持同步。

鎖相的軟件算法如下圖1、圖2:

              圖1

                   圖2

其DSP同步算法如下圖3所示:

                         圖3

4、實驗結果:

 1)、UPS與市電網的同步鎖相:下圖4是UPS在市電狀態下,UPS逆變輸出波形與市電波形的同步鎖相,通過DSP的控制可以保證鎖相精度在20微秒。

 


                        圖4

 2)、UPS與發電機的同步鎖相:下圖是UPS在發電機供電情況下,逆變輸出與發電機波形的同步鎖相情況,下圖表明采用上述同步控制算法,可以很好保證UPS與發電機的匹配。

 

        

                        圖5

4、結束語

    通過DSP實現的兩級鎖相可以很好地解決并聯系統UPS與市電間、各臺UPS相互間同步控制的問題。通過大量的實驗說明了這種鎖相控制方法可以達到較好的同步精度,無論市電如何變化,異常到正常,正常到異常以及頻率在范圍內突變等各種情況下,各UPS逆變輸出波形間的相差小于50us,為并聯系統UPS間較好地實現均流做好了充分的準備。

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