在线式UPS软件锁相

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1引言

为保证无环流切换,不仅在控制上要保证市电旁路电压和UPS逆变器输出电压同频率同幅值,而且还要保证两电压的瞬时值相同,即同相位。数字锁相环,即软件锁相的实现是全数字化UPS实现的难点之一。

2软件锁相分析

2.1坐标系的的建立

为便于分析,建立以下坐标系:

横轴为频率差,F_D=F_INV-F_LN,以周期差来表示,即单周期内定时器对逆变的计数值-对市电的计数值(这里每1个计数值的时间为50ns×16=0.8μs);

纵轴为相位差,P_D=P_LN_P_INV,也用定时器的计数值来表示。如图1所示。

2.2第1象限中状况分析

由上述坐标定义,则第1象限所表示的状态如图2所示。

即F_INV>F_LN。

此时如果采用减小逆变频率F_INV的方法调节,则F_D和P_D都会减小,即在坐标系上向原点靠近。满足F_D和P_D同时达到原点的条件为:

F_D+(F_D-4)+(F_D-8)+(F_D-12)...

+F_D-4(N-1)=P_D

N=F_D/4

注:减小逆变频率F_INV时每周期增加的定时器的计数值(步长)为4。

解方程得:

F_D(F_D+4)/8=P_D(1)

式(1)在坐标系上的曲线a如图3所示。则有以下结论(结论1):

采用减小逆变频率F_INV的方法调节时:

曲线a上所有点都会沿着此曲线使F_D和P_D同时到达零点;

曲线a上左边(A1区域)所有点都会当F_D到达零点而P_D>0,走向如曲线b1所示;

图1坐标系

图2第1象限的状态

图3第1象限的曲线

 

曲线a上右边(A2区域)所有点都会当P_D到达零点而F_D>0。

此时如果采用增加逆变频率F_INV的方法调节,则P_D会减小而F_D会增加。其在坐标系上的走向如图3中曲线b2所示。(结论2)

实际上,并不需要将F_D和P_D都调到零,而是调到一个足够小的目标区域即可。在这里采用先调频后调相的方法,当频率差(F_D)大于15时,不管相差(P_D)如何,直接减小逆变频率F_INV(步长也是4);当P_D小于62时,则认为相差已经调好,停止调相。所以调相的目标区域为A3[(0,0),(15,62)],被调节区域为A4[(0,62),(15,P_Dmax)]。如图4所示。

对于A4区域的点,调节方法如下:

当2F_D(F_D+1)<=P_D,采用增加逆变频率F_INV的方式调节;

当2F_D(F_D+1)>P_D,采用减小逆变频率F_INV的方式调节。

分析此调节过程:

2F_D(F_D+1)=P_D在坐标系上的曲线为c。

(1)设在R1点开始调节,如图:R1位于c的左边,满足2F_D(F_D+1)<=P_D的条件,因此采用增加逆变频率F_INV的方式调节。由结论(2)得:采用增加逆变频率F_INV的方式调节时,其走向如曲线b2,必然会到R2的位置(c的右边),此时又满足2F_D(F_D+1)>P_D的条件,采用减小逆变频率F_INV的方式调节,而R2位于结论(1)中A1区域,由结论(1),其走向如b1,必然会回到c的左边,反复以上过程,直到进入调相的目标区域为A3。

(2)设在R11(F_D很小而P_D很大)点开始调节,此时满足2F_D(F_D+1)<=P_D的条件,因此采用增加逆变频率F_INV的方式调节,最多经过4个周期,F_D就会>15,此时不管相差先调频,减小逆变频率F_INV,接着F_D又会<15,则增加逆变频率F_INV,如此反复。由结论(1)、结论(2),如图中方向接近R1的位置。

因此,在第1象限的调节过程为:P_D很大(>480)而F_D很小时,先增大F_D到F_D>15,然后沿着F_D=15的直线方向(左右摆动)向下调节;P_D较小(<480)时,沿着曲线c的方向(左右摆动)向下调节,直至进入目标区。当F_D>15时,则不管P_D,一直减小逆变频率F_INV,直到A4区域,然后进入目标区或者第4象限中目标区(实际应用中频差F_D很小,一般不会进入到第4象限其它区域)。