江伟石
　　
　　(APC公司中国研发中心,上海201108)
　　
　　摘要:阐述欲建立的UPS时域模拟电路模型。以PSPICE模型(时域模拟电路)来模拟UPS的输出波形,包含加载时的输出电压暂态响应图形,可以模拟得很准确。此分析有助于设计者对UPS逆变器电路的理解,并作为分析系统稳定性的基础。
　　　
　　1 UPS控制环路分析
　　
　　一个典型的UPS控制环路如图1所示。其中包含三个控制环路。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,第三个是自动零点校正环路。各个环路的功能如下:
　　
　　(1)瞬时电压控制环路
　　
　　输入交流电压经直流转换器变换为直流电压(DCBUS)后,再经逆变器输出到隔离变压器,最终经LC滤波后输出电压给负载。输出电压的反馈是利用一个小的电压感测变压器将输出电压反馈至补偿器。补偿器输出的信号经脉冲宽度调制器以高频(约20kHz)的三角波调变为PWM波后再送给驱动器,驱动全桥逆变器将直流电压(DC-BUS电压)转换为交流电压提供给负载。
　　
　　(2)直流电压前馈补偿环路
　　
　　如图1中点划线围成的方块所示,主要用来补偿输出电压的稳态误差。此环路有助于对加载后的输出有效值电压进行补偿。
　　
　　(3)自动零点校正环路
　　
　　如图1虚线围成的方块所示,此环路的主要目的是利用分流器检测出流经变压器原边的电流反馈后对零点加以校正,以避免变压器因存在直流分量而饱和。
　　
　　2 UPS逆变器PSPICE仿真模型
　　
　　本文主要叙述建立上述UPS瞬时电压控制环路的PSPICE仿真模型。现将瞬时电压控制环路节选出来,并将驱动线路、逆变器、隔离变压器三者以占空比控制的变压器模型取代,因为可将驱动线路、逆变器、隔离变压器三者的作用视为是一个隔离变压器的功能。但是,其电压转换的比例是要依据驱动器及逆变器的占空比大小而有所调整。并且,脉冲宽度调制器也用PWM调制器模型取代。最终的PSPICE模型如图2所示。

后续将对占空比控制的变压器模型及PWM调制器模型另做详细介绍。除了占空比控制的变压器模型及PWM调制器模型外,其余的线路并没有改变。而图中虽有直流电压前馈补偿环路,但并不列入PSPICE仿真模型中,仅作示意而已。
　　
　　3 占空比控制的变压器仿真模型
　　
　　图3是占空比控制变压器的PSPICE仿真模型。其基本模型和变压器的模型差不多,只是二次侧电压U2除了是原来变压器电压U1×n(变压器一二次侧匝数比)外必须再乘以占空比D才是真正的二次侧电压。原因是逆变器是全桥架构的直流转换器,而全桥架构的直流转换器是降压型(BUCK)开关电源电路的衍生电路。而BUCK开关电源的输出电压即输入电压乘以占空比D。驱动线路是将控制信号放大,并没有转换损失,因此其数学模型可视为1。图3中,Ts代表开关频率的周期，而Ton代表在该周期中导通的时间。因此,占空比D=Ton/Ts。占空比控制的变压器模型如图4所示。
　　
　　4 PWM调制器的模型
　　
　　图5为PWM调制器的原理图。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,因此,对单一周期的三角波而言,Uc可视为直流电压,如图6所示。图中Uoffset理想值可视为0。通过分析，可以很容易分析出D=Ton/Ts=Uc/Utri。
　　
　　对PSPICE仿真电路来说,只要考虑PWM调制器的输入电压特性做模型设计即可,因其数学模型恰好只是三角波电压的倒数。由于比较器具有输入阻抗无限大、输出阻抗很小的特性,并且输出电压有上下的电源限制。PWM调制器的PSPICE模型如图7所示。
　　
　　此图输入电压为Uc,输出电压为D的函数,其中D=Ton/Ts。
　　
　　5 仿真验证
　　
　　有了上述的PWM调制器PSPICE模拟电路,加上占空比控制的变压器模型,结合原有的其他电路,就可以做PSPICE电路的仿真了。
　　
　　现以电池放电模式,瞬间加半载在输出电压峰值处的实际波形[见图8(a)：上面是逆变器输出电压波形,下面是逆变器输出负载电流波形]。PSPICE模拟电路的波形[见图8(b)：上面是逆变器输出电压波形，下面是逆变器输出负载电流波形]。由于模拟的是输出电压有效值120V/60Hz的逆变器，因此峰值电压只有170V左右，但由图中可以明显看出，加载瞬间的输出电压瞬间动态响应波形有90%以上的相似度，足见此次PSPICE模型建立的准确性。
　　
　　分析:所加的负载是纯电阻性负载,并且是在正弦波峰值的地方以瞬间(0%负载到100%负载)的方式加至UPS的输出端,因为此时UPS输出电压最高,加载后产生的输出电流是最大的,相对地对UPS的冲击也最大。同时由于UPS存在输出阻抗,加载后输出电压的下降代表输出阻抗的负载效应,在峰值加入100%负载所产生的负载效应也是最大的,并且由仿真与实际测试的瞬间暂态波形比较来看,二者的相似度几乎一样。足见所建立的模型能够准确地模拟出UPS的输出阻抗及其暂态响应,这一点是一般在建立仿真模型时较难做到的地方,也验证了PSPICE模型具有很高的准确性。此模型恰好可以弥补由MATLAB建立的仿真模型及频域分析数学模型的不足。
　　
　　6 结束语
　　
　　本文以UPS为实体,试图建立UPS逆变器的PSPICE模型来模拟UPS的瞬间动态响应特性,经过所建立的模型电路及实际输出电压及电流的测试比较,可以确认所建立的PSPICE模型是很准确的。这将有助于电路设计人员对UPS电路稳定性的分析。
　　
　　参考文献
　　
　　[1]Deviceforequal-ratedparalleloperationofsingle-orthree-phasevoltagesourcesUSpatent(pending)No.:10/222,310.
　　
　　[2]UPSmodelingandsimulationanalysisresearchbyYungtaielectricalcompany,AuthorJiangWeiShi.
　　
　　[3]PspicesimulationtoolsHandbook.
　　
　　[4]PspicesimulationofsinglephasePWMinverterebook,Pspicevendor.
　　
　　[5]MuhammadHRashid(1996)PowerElectronicsCircuitsDevicesandApplications.SecondEdition,PHI,NewDelhi.
　　
　　作者简介
　　
　　江伟石，曾任台达集团UPS中国区产品总监，目前担任APC中国研发中心高级经理。熟悉中国UPS市场及产品。曾任中国UPS国家标准(GB/T7260.3-2003)及通信用不间断电源(UPS)行业标准(YD/T1095-2008)的起草委员。

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