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数字鉴相技术在单相UPS中的应用

来源:机房360整理 作者:安徽理工大学电气与信息工程学院 胡旭东 更新时间:2011/9/12 21:18:29

摘要:本文提出了在单相UPS中采用数字化鉴相的方法。进行UPS电源与旁路电源是否同相的判断。避免了由于装配和接线等各种原因引起的两电源反相,从而造成的两电源之间切换失败。该方法在基于DSP的UPS中成功应用。实验证明:该技术操作过程简单,可靠性高,提高了UPS的性能。

  1鉴相的原因
  
在单相UPS中,设计有过零点检测电路和同步锁相技术,UPS电源与市电旁路电源在切换过程中.它可以避免由于两电源相位不同而造成的环流,但是在单相UPS的生产、装配和维修过程中,由于存在工艺和工序的不同,可能有以下问题:

(1)在逆变模块的装配过程中,IPM模块、变压器的接线工艺可能造成逆变火线与零线发生混淆;

(2)过零点采样电路中的火线与零线可能造成火线与零线发生混淆;

(3)接入市电旁路时可能发生市电火线与零线发生混淆等。

如果UPS电源与市电旁路电源的火线与零线的混淆,使用和调试过程中UPS电源与市电旁路电源的切换时反相,则可能产生巨大的环流。引起切换失败,甚至于损坏逆变器、负载乃至影响整个电网。为了解决这一问题,本文通过DSP320LF2407实现单相UPS的数字鉴相以解决上述问题。

 2鉴相的原理
  
UPS电路框图如图l所示。在主电路中,无论装配过程如何,UPS电源与市电旁路电源的相位最终从A点与B点的波形反映出来,在实际调试过程中通常先将A点逆变电路断开,在锁相后检测A点与B点的波形与相位,一致则线路正确,可以安全切换;反相则交换UPS电源或市电旁路电源的火线与零线。以前这一过程通常是使用示波器进行检测。过程比较繁琐,而且在外出维修时,缺乏示波器就很难判断了,应用数字鉴相技术就可以很好的解决这一问题,很方便的实现UPS电源与市电旁路电源相位的检测。




在上述分析可见,解决这一问题的关键在于测量与判断A点与B点的相位,B点是市电过零采样点,是UPS设计时已经存在的,所以在电路中在A点再添加一路逆变过零点检测电路就可以实现数字鉴相,其采样电路如图2所示。

数字鉴相是通过相位检测电路检测出同频正弦波信号或重复率相同的矩形波信号的相位差,并用计数器的计数表达相位差。传统的数字鉴相是用大小角判别电路、RS触发器和与门检测出相位差信号,并将相位差信号送时标脉冲控制门控制计数器计数。而在本文所述的通过DSP实现的鉴相电路中,只需在市电电压和逆变电压检测电路的基础上就可以实现鉴相的功能,而无需另外添加硬件电路。


  3UPS的工作原理
  
UPS系统主要有几大部分构成:整流部分、逆变控制部分、逆变部分、静态开关、蓄电池等。结构框图如图1所示。图中UPS采用AC-DC-AC变换器。第一级变换(AC-DC)采用整流器,把经过输入隔离变压器后的交流电源变换成稳定的直流电。第二级变换(DC-AC)采用逆变器,把整流器输出的直流电源变换成交流电源经输出隔离变压器隔离、稳压、滤波器滤波后输出标准正弦波,给负载供电。

  在正常运行时,整流器和逆变器同时工作,给负载供电。当市电异常时,由蓄电池放电经逆变器给负载供电。当设备进行检修时可通过维修旁路开关将UPS退出,进行维修。

4鉴相电路工作原理

鉴相电路接口电路如图3所示。


  市电输入与逆变输出的正弦波信号输入到降压隔离电路,得到幅值较小的正弦波信号,再经运算放大电路后输出两路幅值约为±1.6V、频率相同的方波。将得到的两路方波送到DSP320LF2407的Capture口,利用Capture中断在每个方波的上升沿读出相应捕获状态寄存器中的计数值,通过判断两计数值之间的差值即可实现数字鉴相。

本文采用DSP320LF2407事件管理器EVB模块中的捕获单元CAP4和CAP5口分别捕捉市电输入和逆变输出过零点跳变信号,将捕获控制寄存器CAPCONB设置为0XOA050,即使CAP4和CAP5口使用共同的定时器4作为它们的时基,CAP4EDGE、CAP5EDGE位分别设定为上升沿检测,CAP4、CAP5口在上升沿到来时,定时器T4的计数值便被捕获到顶层栈CAP4FIFO、CAP5FIFO中,并在CAP4的中断服务程序中,分别读取这两个顶层栈CAP4FIFO、CAP5R.FO中的数值,并计算出两者差值,即反映输入市电与逆变输出相角的差值(如图4所示)。


  在这里,选用的DSP芯片外接晶振为10MHz,将系统控制和状态寄存器1(SCSRI)中的CLKPS2~CLKPS0设置为000,即4倍频,将定时器4的定时控制寄存器T4CON中的TPS2-TPS0设置为ll1,即对其工作频率进行128分频设定,则50Hz计数周期的计数值为6250,对应于180。相角的计数值为3125,在捕获中断服务程序中(这里选择捕获单元4中断),通过比较两个顶层栈CAP4FIFO、顶层栈CAP5FIFO的两者数值之差。即可实现相位的判断。如果数值之差远远小于3125,则说明市电输入与逆变输出没有反相,当UPS电源与市电旁路电源同相时,该值小于100;如果数值之差大于等于3000,则说明市电输入与逆变输出反相了。如果DSP检测到市电输入与逆变输出反向,通过IoPB6输出信号点亮发光二极管。

 5系统软件

系统软件T4定时器中断程序主要功能包括:SPWM脉冲方波计算、数据采集、保护等。捕获中断服务程序是实现软件锁相与鉴相的地方,流程图如图5所示。

在捕获中断服务子程序中主要完成鉴相、逆变周期的校正和相位差的校正的工作。在DSP320LF2407中,对市电过零点的捕捉采用EVB模块的捕获单元,用CAP5,CAP4121捕捉市电和逆变过零点跳变信号。CAP5,CAP4可以共同选择定时器4作为它们的时基。CAP4、5捕获单元各有一个施密特触发器引脚,所有的输入与内部CPU时钟同步。


  在初始化中。使能捕获中断,将捕获输入引脚设定为上升沿,当CAP4引脚捕获到指定的上升沿信号,定时器4开始计数,在下一个捕获信号到来时,将新的T4CNT值存入到CAP4FITO顶层堆栈中去。CAP4捕获单元有一个专用二级FIFO堆栈,顶层栈CAP4FIFO存放相应捕获单元捕获的旧值,当顶层栈CAP4FIFO的旧计数值被读取时,栈底层寄存器cJ州FBOT中的值被压入顶层寄存器中。同时捕获状态寄存器CAPFIFOB相应的位就进行调整反映FIFO堆栈新的状态。

当发生指定跳变时,捕获状态寄存器CAPFlFOB的CAP4FIFO状态位变为01,同时相应的中断标志被置位,产生一个外设中断请求信号。在中断服务子程序中读取顶层栈CAP4FIFO的值,放入外部变量中,并在程序中将市电脉宽值计算出来(图5)。

  6结论

市电旁路与UPS电源的安全、快速切换是UPS性能的重要方面,为了避免静态开关在切换过程中因环流而烧毁,实现市电旁路与UPS电源的安全切换,本文重点对单相UPS鉴相技术进行了详细的研究,本文的数字鉴相技术只要再添加一路逆变采样就可以通过软件实现市电旁路与UPS电源鉴相,极大方便了UPS调试过程,大大提高了LIPS切换过程的安全性与可靠性。

参考文献:

【1】祝龙记。刘晖.三相UPS电源锁相与换相技术的研究【J】.安徽理工大学学报(自然科学版),2007(12):29.32.

【2】刘晖.基于DSP的三相应急电源的研究【D】.安徽:安徽理工大学.2007.2010.2VOI.34NO.2

    责任编辑:kelly

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