基于TMS320C240控制器实现大功率并联UPS的锁相控制技术

2011-06-14 19:32:57来源: 互联网

1.引言                 

随着信息处理技术的不断发展,尤其是计算机的广泛应用和Internet的迅猛发展,现代信息设备对不间断电源(UPS)供电系统的可靠性要求越来越高,不间断电源(UPS)的可靠性越来越备受关注,不间断电源(UPS)并联供电系统逐步成为首位;如何保证UPS并联系统在电网恶劣的条件稳定、可靠运行是UPS厂家需要考虑的问题。本文介绍一种基于TI公司的TMS320C240 DSP控制器构成的大功率并联型UPS同步控制方案。与电网的同步、并联系统中各台UPS间的同步,成为并联UPS系统控制的关键。UPS并联系统中的核心部分是精度很高的锁相环,模拟锁相环是一门成熟的技术,以它独特的优良性能在许多领域得到了广泛地应用。但随着数字技术的发展,UPS的全数字化控制是大势所趋,因此,锁相环也逐渐过渡为数字化,数字DSP控制锁相环相对于模拟锁相环实现起来更方便,同时用软件代替硬件实现,还可以结合系统的其他功能统一设计,节省成本。

2、TMS320C240 DSP控制器介绍

TMS320C240是美国TI公司专为数字电机控制运用而推出的一种16位定点运算的DSP,为控制系统应用提供了一种理想的解决方案。它具备以下的主要性能:3个通用定时器,可输出3路比较/PWM脉冲;3个全比较单元,可输出3对带死区控制的比较/PWM脉冲;3个单比较单元,可输出3路比较/PWM脉冲;4个捕获引脚CAP,用于高速I/O管理;两组各8路10位10微妙的A/D转换器;看门狗定时器和定时中断定时器;片内ROM或Flash存储器等。

3、并联系统UPS的同步控制方案

1)、UPS的锁相控制原理

市电电压波形及UPS输出电压波形都是正弦。设UPS逆变电压的频率为,而市电电压的频率为,故市电电压波形的瞬时值可表示为:

UPS逆变输出电压波形的瞬时值可表示为:,其中+为UPS输出波形超前于市电波形的相位角;-为UPS输出波形为滞后于市电波形的相位角。要实现UPS与市电的同步必须要求:=,    =0,关键在于如何实现=,只能通过改变使得逐步减小,最终=0, =

当UPS输出波形超前于市电波形时,则要求该UPS输出电压的频率降低,即

                                               当UPS输出波形为滞后于市电波形时,则要求该UPS输出电压的频率升高,即

                     

2)、并联UPS系统同步锁相的实现

并联系统UPS在市电与逆变切换时,若在切换的瞬间二者的输出波形不一致,会造成供电的中断,另一方面也可能会因两个电压源之间的环流过大而损坏UPS。为确保UPS系统市电与逆变的切换时不存在环流,需保证市电波形与逆变波形保持相位接近;因此需要一种装置用来检测市电的相位变化,并用于控制逆变器输出电压的相位和频率,使逆变器与市电保持同步运行。

对于并联系统UPS的锁相可采用两级锁相结构,其中,一级锁相环又称外同步,是指并联系统各UPS跟踪市电相位和频率并进行相互间的相位同步控制,即实现UPS与旁路市电的同步。二级锁相环又称内同步,是指基于各台UPS输出电压的频率及相位跟踪和同步控制,它实现各台UPS间的同步。两级锁相环都采用了PI调节器,其中,内同步速度较快,精度很高(±10μs以内),它确保了UPS之间的并联环流可达到最小。外同步的PI调节器速度较慢,它确保了旁路和逆变器之间的平滑切换。每级锁相环包括相位误差检测、调节器的调节,以下分别介绍各级锁相环是如何实现的。

并联系统中的锁相框图为:

       

   外同步:两台UPS的输入即市电经比较器电路整形为方波,经过同步母线综合后,将该方波信号送到每台UPS的DSP的捕获单元CAP1引脚,设置上升沿或下降沿捕获,则在方波信号发生相应跳变时进入捕获1中断读取计数器T2CNT的值作为PI调节器的反馈信号,通过与设定值相比较即可得相位差,再经PI调节器的运算形成调节量,用于改变T2PR的值,从而使逆变输出跟踪市电基准。

内同步:T2计数器作为UPS正弦输出的相位和频率基准,为保证所有UPS之间同步,所有UPS都利用T2CNT发生一个方波,方波经同步母线综合后,送到所有UPS的CAP2端口,在方波信号发生相应跳变时进入捕获2中断中对T2CNT清零,保证内同步的给定是同步的。

在正弦中点时对应的中断中读取T2CNT值作为反馈量,与T2PR/2相比较,再经PI调节器运算后得到的调节量用于改变T1PR的值,使逆变输出正弦波和T2计数器同步,从而逆变输出保持同步。

锁相的软件算法如下图1、图2:

              图1

                   图2

其DSP同步算法如下图3所示:

                         图3

4、实验结果:

 1)、UPS与市电网的同步锁相:下图4是UPS在市电状态下,UPS逆变输出波形与市电波形的同步锁相,通过DSP的控制可以保证锁相精度在20微秒。


                        图4

 2)、UPS与发电机的同步锁相:下图是UPS在发电机供电情况下,逆变输出与发电机波形的同步锁相情况,下图表明采用上述同步控制算法,可以很好保证UPS与发电机的匹配。

 

        

                        图5

4、结束语

    通过DSP实现的两级锁相可以很好地解决并联系统UPS与市电间、各台UPS相互间同步控制的问题。通过大量的实验说明了这种锁相控制方法可以达到较好的同步精度,无论市电如何变化,异常到正常,正常到异常以及频率在范围内突变等各种情况下,各UPS逆变输出波形间的相差小于50us,为并联系统UPS间较好地实现均流做好了充分的准备。

关键字:实现

编辑:eeleader 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2011/0614/article_6796.html
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