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如何从硬件角度提升逆变电源的效率及可靠性

导读: 社会的发展加速电力消耗,变电站和发电厂对电力转换的要求越来越严格,对不间断电源供电的需求也进一步增加。因此电源开发者们开始思考如何提升逆变电源的供电量与可靠性。对逆变电源进行改造的途径有很多,本篇文章将从硬件的角度,探讨如何全面提升逆变电源的效率和可靠性。

  社会的发展加速电力消耗,变电站和发电厂对电力转换的要求越来越严格,对不间断电源供电的需求也进一步增加。因此电源开发者们开始思考如何提升逆变电源的供电量与可靠性。对逆变电源进行改造的途径有很多,本篇文章将从硬件的角度,探讨如何全面提升逆变电源的效率和可靠性。

  逆变电源的调整策略种类繁多,举例来说有对等式,电路中并联的各个逆变器结构功能相同,相互间有信号的传递,但不存在隶属关系。还有基于有功无功调节的无连线并联方式。主从结构,用电压型逆变器作为主模块控制系统电压,电流型逆变器提供负载电流。

  随着控制技术的发展,高速数字处理芯片DSP的出现,实现高质量的交流输出已经不成问题。但是如何实现逆变器的冗余设计依然是困扰开发者的主要问题,目前市场上流行的逆变器的并联技术是采用系统监控器统一产生SPWM信号进行同步和负载均分的,这种逆变器的技术缺点是:单逆变器不能工作,必须配和系统的监控器才能工作,因此小系统的性能价格比不高。系统的可靠性取决于系统监控器的可靠性,监控器一旦损坏,整个系统将瘫痪。交流输出不能短路,短路将会造成逆变器烧毁的危险。

  无主可并联逆变控制方式

  逆变器可采用的控制方法种类繁多,每一种控制方法都有其优缺点。同时采用不同的控制方法形成复合控制,可以实现取长补短、优势互济的目的,因此,复合控制是逆变器控制方法的一个发展趋势。随着控制理论和数字处理芯片的迅速发展,使各种先进控制方法的实现成为可能,逆变器的数字化控制方法成了今后交流电源领域中的一个研究热点和发展趋势。

  本方案采用各种控制方法相结合的复合控制,自同步和外同步结合的全新原理设计,其优点是可靠性高。可单机使用也可组屏,配置方便。采用电子开关外挂方式,方便组成UPS、EPS等其它形式的逆变电源。系统监控有三个可以错相120度的同步信号,方便组合成三相逆变电源系统。并且三相单独调节,每相可带100%不平衡负载。

图1 系统原理框

  硬件设计

  可并联逆变模块硬件电路由功率处理主电路、控制驱动电路、保护电路组成,系统原理框图如图1,DC/DC变换电路为BOOST电路,采用高频环进行逆变,因而无须采用工频变压器,使体积减小,其作用是利用DC-DC全桥高频隔离升压将直流220V电压变换成PWM整流逆变电路所需要的电压,供后级的全桥逆变使用,其控制系统结果如图2所示。输出给定电流Ug与实际的输出电压Uk相比较后,其误差信号经PI调节器后与锯齿波比较形成PWM信号,该信号再经驱动电路去控制BOOST电路中的开关器件IGBT,便可使实际的输出电压跟踪给定电压。本系统采用PWM控制器SG3525获得PWM控制信号。

图2 DC/DC变换电路控制结构

  逆变器的功率处理采用全桥电路,经过SPWM调制以后,输出经过滤波电感和电容滤波以后,直接和其它逆变器的输出进行并联,当要求和电网进行快速切换的时候,系统主监控指挥电子切换箱的开关动作,实现与电网的旁路切换。

  控制电路DSP TMS320F2407A完成SPWM波形的产生、锁相、控制、均流以及同步信号捕捉、数据采样等功能。使用DSP内部的模/数转换模块对输出电压反馈信号进行采样,通过数字PI控制器完成电压有效值外环控制,保证输出电压有效值稳态无差。PI控制器的输出乘以标准给定信号,经数/模转换后作为控制电路模拟部分的参考输入信号。

  需要注意的是,平均电流法和主从设置法都不能够很好的实现冗余技术,使并联电源模块系统的可靠性得不到很好的保证。而采用自主均流芯片UC3902依据特有的性能,如:“均流精度高,动态响应好,可以实现冗余技术等”, 自主均流法实质上是在N个并联的模块中,输出电流最大的模块将自动成为主模块,其余的模块则成为从模块,各个从模块的电压误差依次被整定,以调节负载电流分配的不均衡。由于N个并联的模块中,事先没有人为设定哪个模块为主模块,而是按输出电流的大小随机排序,输出电流大的模块自动成为主模块。本控制系统采用此芯片可以直接得到均流误差信号,简化了控制系统复杂的电流计算,提高了系统可靠性。

  基于UC3902这款芯片,设计者能够非常精准的对变换器中的输出电压进行精细的调整。这款芯片还有一处特别的优势就是差模均载母线,凭借这一优势,该款芯片能够最大程度的上的对系统噪音进行抑制,并且拥有精度高、外围电路简单的特性。

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