数控UPS逆变波形失真度控制策略研究

摘 要

UPS中逆变器的输出滤波电感一般比较小，电感电流中含有很多高频分量，在很大范围内都存在过零畸变，很容易导致死区补偿振荡，针对实际工程应用，本文提出了一种基于电感电流参考方向的死区补偿控制方法，以控制逆变器波形失真度，从而提高了实用性。

【关键词】UPS 逆变器 死区补偿 失真度

当前由于数字控制本身导致的采样及控制延时，极大地降低了数控UPS输出电压的波形质量。特别是对大容量的UPS，为了提高系统效率，往往采用比较低的开关频率，这进一步导致其输出电压波形质量的下降。学术上研究的控制方式很多，如无差拍控制、自适应控制等，但是这些控制方法都与控制对象的参数有密切关系，由于逆变器器件参数往往有较大的偏差，加之技术的不成熟，导致这些方法很难应用于工业。本文提出了一种适应工业应用的控制方法。

1 传统控制方法及存在的问题

1.1 死区必须存在

理想情况下，PWM技术要求同一桥臂的上下管互补导通。然而，若开通速度比关断速度快，将会造成桥臂直通而损坏器件，因此，必须插入死区。死区时间的插入是通过对开通信号延迟时间来实现的。以A相桥臂为例，由于电机是感性负载，相电流方向不同时，续流路径和输出电压都不一样。如果输出电压与目标电压不同，将导致输出电压的误差，该误差与相电流的方向有关，它的积累效应足以使定子电压波形畸变，并在开关频率较高、输出频率较低时，畸变会更加严重。

1.2 死区导致电流过零畸变

如果死区开始时相电流接近零，那么在随后的死区时间内，反并联二极管续流。当电流下降到零后，不能反向，在剩余的死区时间内将保持为零。通常，它对系统的影响并不严重。但在轻载和低频情况下，电流的幅值较小且开关序列的变化缓慢，这意味着在多个连续的开关周期内，电流总是小得足以重现零电流箝位现象。这样，电流就长期处于过零点附近，从而产生了严重畸变。

2 基于电感电流参考方向的死区补偿控制

任何电子开关器件都具有一定的开通和关断时间，并且通断时间是不可能通过控制消除，它必然会引起电子开关器件的状态与控制信号的状态的偏移。在桥式结构的UPS逆变器中，同一桥臂上的两个开关工作在互补的状态。为防止器件在通断切换瞬间因为关断管不两个理想的关断而发生的两个开关直通短路现象，系统一般通过采用时间延时的控制方法，即切换时，关断信号立即发出，而开通信号滞后关断信号一段时间，在此段时间内，两个开关均保持关断，形成一段控制死区。

2.1 死区输出电压的影响

在UPS逆变器中，死区内因电感电流的存在，开关器件必须保持续流状态，续流状态的存在导致开关管有“多余”的导通状态，当电感电流大于零时，实际逆变桥输出比理想输出小，而当电感电流小于零时，实际逆变器输出电压比理想输出大，这样导致了逆变器输出电压的畸变，影响输出电压质量。此外，随着负载率的变化，电感电流和输出电压之间的相位关系也跟着变化，也就是不同负载下死区对输出电压的影响不同，这样对输出电压动态性能指标有很大影响。

2.2 工作原理

为减小死区产生的不良影响，引入了死区补偿控制。一般的死区补偿方法是基于判断电感电流的方向，但是UPS中逆变器的输出滤波电感一般比较小，电感电流中含有很多高频分量，在很大范围内都存在过零，很容易导致死区补偿振荡，此方法很难有工程意义。针对实际工程应用，设计了一种基于电感电流参考方向的死区补偿方法。死区补偿控制器由比例调节器Kp和限幅控制器组成，实现的补偿规律为：

与传统补偿方式不同，该方式实现了电流过零处的平滑连接，并且可以根据需要调整衔接时间，使死区补偿量的大小是平滑、无跳变的，这样可以使死区补偿作用在实际输出上没有大的负面影响。另外，由于在基本控制环节中引入负载电流前馈，使电压调节器生成的调节量与逆变器滤波电容电流相当，提高可电感电流参考的反应速度，保证了实时、准确的死区补偿。

3 死区补偿控制方式仿真实验

3.1 参数比较

通过仿真实验验证，使用了基于电感电流参考方向的死区补偿控制方式，在相同负载下，输出电压有所下降，波形失真度比未使用该死区补偿控制方式时下降了62.5%～76.5%，降低了波形失真度，如表1所示。

3.2 实验波形

通过逆变器输出波形实验，采用了本死区补偿控制方式后，波形图类正弦曲线，比原波形平滑，更加规律。

4 结论

本文采用了基于电感电流参考方向进行死区补偿控制的方法，大大降低了逆变器输出波形的失真度，提高了实际工程中的应用效率。

参考文献

[1]李亮.UPS系统中PFC整流与三电平逆变器的研究[D].华中科技大学，硕士学位论文，2006（04）.

[2]范凯，谢少军.单相PFC变换器的电流过零畸变问题研究[J].电力电子学报，2009，43：18-20.

[3]周志敏.开关电源功率因数校正电路设计与应用[M].北京：人民邮电出版社，2004.

作者简介

马健（1981-），男，河北省景县人。硕士研究生学历。现为河北广播电视大学讲师。研究方向计算机控制和软件工程。

吕彦兴（1982-）男，河北省邢台县人。硕士研究生学历。现为河北化工医药职业技术学院讲师。研究方向软件工程。

李世伟（1982-），男，河北省石家庄市人。现为河北先控电源设备有限公司工程师。主要从事电源设备的设计与研发工作。

作者单位

1.河北广播电视大学 河北省石家庄市 050000

2.河北化工医药职业技术学院 河北省石家庄市 050000

3. 河北先控电源设备有限公司 河北省石家庄市 050000