UPS逆变器的频域模型分析
　　
　　江伟石
　　
　　(施耐德旗下APC公司中国研发中心,上海201203)
　　
　　摘要：阐述UPS逆变器的频域模型分析。以MATLAB对UPS的环路进行模拟分析及实验验证。此分析有助于设计者对UPS逆变器电路的理解,并用于分析系统稳定度。
　　
　　关键词：UPSinverter；频域模拟；补偿器电路设计；MATLAB应用
　　
　　本文的目的是要建立UPS的频域模拟电路模型。以简单的MATLAB模型（频域模拟电路）来模拟UPS的频域响应，并以加载的输出电压暂态响应图形的比较来验证模型的准确。此分析有助於设计者对UPS逆变器电路的理解并作为分析其系统稳定度的基础。
　　
　　1 UPS控制环路分析
　　

　　图1为一个典型UPS的控制环路图。其中包含了三个控制环路。最主要的环路是瞬时电压控制环路，其次是直流电压前馈补偿环路，第三个环路是自动零点校正环路。兹将各个环路功能说明如下：
　　
　　(1)瞬时电压控制环路
　　
　　输入电压经由交流转直流转换器转换为直流电压（DCBUS）后，再经逆变器（INV.）输出到隔离变压器（Isolationtransformer）,最终经由滤波器（LCFilter）滤波后输出电压给负载（LOAD）。输出电压的反馈是利用一个小的电压感测变压器（Volt.-sensetransformer）将输出电压反馈至补偿器（compensationnetwork）.补偿器输出的讯号经脉波宽度调变器（PWMmodulator）以高频（约20KHz）的三角波调变为PWM波后再送给驱动器（driver）以驱动全桥逆变器将直流电压（DC-BUS的电压）转换为交流电压提供给负载电力。
　　
　　(2)直流电压前馈补偿环路
　　
　　如虚线所示回路所示，主要用来补偿输出电压的稳态误差。此环路对加载后的输出有效值电压的补偿相当有帮助。
　　
　　(3)自动零点校正环路
　　
　　此环路的主要目的是利用电流检测电阻(shunt)检测出流经变压器原边侧的电流反馈后加以校正以避免变压器因存在直流电压分量而饱和。
　　
　　2 UPS逆变器主回路模型
　　
　　本文主要是建立上述UPS频域控制环路的MATLAB分析模型。兹将瞬时电压控制环路节录出来，如下图所示。图中逆变器是由全桥三阶（threelevel）控制线路所组成。脉波宽度调变器将用PWM调变器模型取代。最终的MATLAB模型变成如下的图形。后续将逆变器及PWM调变器模型另外做详细的介绍。除了占空比控制的变压器模型及PWM调变器模型外，其余的线路并没有改变。
　　
　　
　　
　　3 逆变器的模型分析
　　
　　下图右方是逆变器的线路示意图。其主要功能是接收来自于PWM调制器的输出d（我们称它为占空比）,而将PWM波形d放大为具有直流汇流排电压高度（Vdc_bus）的PWM波形。因此说穿了，它只是个放大器，把PWM波形的电压放大而已。
　　

　　4 PWM调制器的模型
　　
　　下图为PWM调制器的原理图.其将补偿器输出电压Uc和三角波电压Utri做比较后，转换为占空比的大小。
　　
　　因为三角波频率很高（约20kHz）而Uc一般大约为50Hz或60Hz，因此，对单一周的三角波而言，Uc可视为直流电压如下图所示。

图中Uoffset理想上可视为0.而由几何的分析，很容易可以分析出d=Ton/Ts=Uc/Utri.
　　
　　对PWM调制器的数学模型来说，只要考虑PWM调制器的输出及输入电压特性做模型分析，由上分析知道，其数学模型恰恰只是三角波电压的倒数。
　　
　　在PWM调变器的模型中，输入为Uc,输出为D.其中D=Ton/Ts.
　　
　　【红尘有你】