ups逆变器的频域模型分析

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1、UPS逆变器的频域模型分析来源：UPS应用作者：APC公司中国研发中心江伟石更新时间：2011/12/1911:31:53摘要：阐述UPS逆变器的频域摸型分析，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。窗体顶端窗体底端　　本文的旨意是要建立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。此分析有助于设计者对UPS逆变器电路的理解并作为分析其系统稳定度

2、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变为直流电压后，再经逆变器输出到隔离变压器，最终经过滤波器滤波后输出给负载。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)的三角波调制为PWM波后再送给驱动器，以驱动

3、金桥逆变器将直流电压转换为交流电压供给负载电源，如图2所示。　　　　（2）直流电压前馈补偿环路　　　　图1虚线所示回路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检测出流经变压器原边的电流反馈后进行校正，以避免变压器因存在直流电压分量而饱和。图1典型UPS的控制环路图　　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(见图2)。图中逆变器

4、是由全桥三阶控制线路所组成。脉冲宽度调制器将用PWM调制器模型取代。图2瞬时电压控制环路　　3.逆变器的模型分析　　　　图3是逆变器线路的示意图。其主要功能是接收来自PWM调制器的输出D{一般称它为占空比),而将PWM波形放大为具有直流汇流排电压高度的PWM波形。可以说，它就是一个放大器，把PWM波形进行电压放大而已。图3逆变器线路示意图　　4.PWM调制器的模型　　　　图4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。图4PWM调制器原理图因为三角波频率很高(约20kH

5、z)，而Uc大约为50Hz或60Hz，因此，对拍一周的三角波而言，Uc可视为直流电压，如图5所示。图中Uoffset理想上可视为0。而由几何的分析，很容易介析出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即可知道，其数学模型恰恰是三角波电压的倒数。　　　　在PWM调制器的模型中，输入为Uc，输出为D，D=Ton/Ts。图5经PWM调制后补偿器的输出电压和三角波电压　　5.变压器、输出滤波器及负载的模型分析　　　　变压器、变压器、输出滤波器及负

6、载的线路模型如图6(a)所示。其中，变压器的升压比由实际的电压测试得到为2.77倍（设Kxfmr=2.77）。电感器由LCR测试仪测得其电阻值及电感值分别为Rd=1.067Ω及L=5mH。输出滤波器的电容值测得为C=60μF,由于电容器的串联电阻值影响到输出滤波器的阻尼因数大小，因此也不能忽视。我们测出其Resr=0.086Ω。而负载可用电阻来表示，只是空载和满载的电阻大小足不同的。假设负载电阻为RL，可以导出其传递函数如下（空载时，负载电阻无穷大，取极限值可得空载的传递函数)：　　　　空载时：　　　　　　图6(b)和

7、(c)是空载与满载时，经由HP3562频率响应测试仪测得的频域相应图形。从图中可以看出满载的阻尼是较大的，但谐振频率点并没有改变，约在285Hz。　　（b）空载时实测的频域响应图（c）满载时实测的频域响应图　　图6频域模型及其响应图6.受控对象的函数分析　　　　整个回路的数学函数除了补偿器及反馈电路以外，可以整合为图7所示电路图。从控制理论的角度看，控制对象的模型是最基本、最重要的。被控对象由(PWM)脉宽调制器、驱动器、桥式功率变换器、隔离变压器、LC滤波器和负载组成。其传递函数由前面所述的各级传递函数模型乘积组成。

8、其中Kinv=Udc-bus/Uc。　　　　空载时，控制对象的传递函数为：　　Pmo(S)=KinvPo(S)　　　　其中Po(S)为无载时输出滤波器的转换函数。　　　　满载时，传递函数为：Pmf(S)=KinvPf(S)　　　　 其中Pf(S)为满载时输出滤波器的转换函数。图7受控体电路图　　7.补偿器的设计　　　　由上述的受控