在線式UPS軟件鎖相

1引言

為保證無(wú)環(huán)流切換，不僅在控制上要保證市電旁路電壓和UPS逆變器輸出電壓同頻率同幅值，而且還要保證兩電壓的瞬時(shí)值相同，即同相位。數(shù)字鎖相環(huán)，即軟件鎖相的實(shí)現(xiàn)是全數(shù)字化UPS實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)之一。

2軟件鎖相分析

2．1坐標(biāo)系的的建立

為便于分析，建立以下坐標(biāo)系：

橫軸為頻率差，F(xiàn)_D=F_INV－F_LN，以周期差來(lái)表示，即單周期內(nèi)定時(shí)器對(duì)逆變的計(jì)數(shù)值－對(duì)市電的計(jì)數(shù)值（這里每1個(gè)計(jì)數(shù)值的時(shí)間為50ns×16=0.8μs）；

縱軸為相位差，P_D=P_LN_P_INV，也用定時(shí)器的計(jì)數(shù)值來(lái)表示。如圖1所示。

2．2第1象限中狀況分析

由上述坐標(biāo)定義，則第1象限所表示的狀態(tài)如圖2所示。

即F_INV>F_LN。

此時(shí)如果采用減小逆變頻率F_INV的方法調(diào)節(jié)，則F_D和P_D都會(huì)減小，即在坐標(biāo)系上向原點(diǎn)靠近。滿足F_D和P_D同時(shí)達(dá)到原點(diǎn)的條件為：

F_D＋(F_D－4)＋(F_D－8)＋(F_D－12)...

＋F_D－4(N－1)=P_D

N=F_D/4

注：減小逆變頻率F_INV時(shí)每周期增加的定時(shí)器的計(jì)數(shù)值（步長(zhǎng)）為4。

解方程得：

F_D（F_D＋4）/8=P_D（1）

式（1）在坐標(biāo)系上的曲線a如圖3所示。則有以下結(jié)論（結(jié)論1）：

采用減小逆變頻率F_INV的方法調(diào)節(jié)時(shí)：

曲線a上所有點(diǎn)都會(huì)沿著此曲線使F_D和P_D同時(shí)到達(dá)零點(diǎn)；

曲線a上左邊（A1區(qū)域）所有點(diǎn)都會(huì)當(dāng)F_D到達(dá)零點(diǎn)而P_D>0，走向如曲線b1所示；

圖1坐標(biāo)系

圖2第1象限的狀態(tài)

圖3第1象限的曲線

曲線a上右邊（A2區(qū)域）所有點(diǎn)都會(huì)當(dāng)P_D到達(dá)零點(diǎn)而F_D>0。

此時(shí)如果采用增加逆變頻率F_INV的方法調(diào)節(jié)，則P_D會(huì)減小而F_D會(huì)增加。其在坐標(biāo)系上的走向如圖3中曲線b2所示。（結(jié)論2）

實(shí)際上，并不需要將F_D和P_D都調(diào)到零，而是調(diào)到一個(gè)足夠小的目標(biāo)區(qū)域即可。在這里采用先調(diào)頻后調(diào)相的方法，當(dāng)頻率差（F_D）大于15時(shí)，不管相差（P_D）如何，直接減小逆變頻率F_INV（步長(zhǎng)也是4）；當(dāng)P_D小于62時(shí)，則認(rèn)為相差已經(jīng)調(diào)好，停止調(diào)相。所以調(diào)相的目標(biāo)區(qū)域?yàn)锳3[（0，0），（15，62）]，被調(diào)節(jié)區(qū)域?yàn)锳4[（0，62），（15，P_Dmax）]。如圖4所示。

對(duì)于A4區(qū)域的點(diǎn)，調(diào)節(jié)方法如下：

當(dāng)2F_D（F_D＋1）<=P_D，采用增加逆變頻率F_INV的方式調(diào)節(jié)；

當(dāng)2F_D（F_D＋1）>P_D，采用減小逆變頻率F_INV的方式調(diào)節(jié)。

分析此調(diào)節(jié)過(guò)程：

2F_D（F_D＋1）=P_D在坐標(biāo)系上的曲線為c。

（1）設(shè)在R1點(diǎn)開(kāi)始調(diào)節(jié)，如圖：R1位于c的左邊，滿足2F_D（F_D＋1）<=P_D的條件，因此采用增加逆變頻率F_INV的方式調(diào)節(jié)。由結(jié)論（2）得：采用增加逆變頻率F_INV的方式調(diào)節(jié)時(shí)，其走向如曲線b2，必然會(huì)到R2的位置（c的右邊），此時(shí)又滿足2F_D（F_D＋1）>P_D的條件，采用減小逆變頻率F_INV的方式調(diào)節(jié)，而R2位于結(jié)論（1）中A1區(qū)域，由結(jié)論（1），其走向如b1，必然會(huì)回到c的左邊，反復(fù)以上過(guò)程，直到進(jìn)入調(diào)相的目標(biāo)區(qū)域?yàn)锳3。

（2）設(shè)在R11（F_D很小而P_D很大）點(diǎn)開(kāi)始調(diào)節(jié)，此時(shí)滿足2F_D（F_D＋1）<=P_D的條件，因此采用增加逆變頻率F_INV的方式調(diào)節(jié)，最多經(jīng)過(guò)4個(gè)周期，F(xiàn)_D就會(huì)>15，此時(shí)不管相差先調(diào)頻，減小逆變頻率F_INV，接著F_D又會(huì)<15，則增加逆變頻率F_INV，如此反復(fù)。由結(jié)論（1）、結(jié)論（2），如圖中方向接近R1的位置。

因此，在第1象限的調(diào)節(jié)過(guò)程為：P_D很大（>480）而F_D很小時(shí)，先增大F_D到F_D>15，然后沿著F_D=15的直線方向（左右擺動(dòng)）向下調(diào)節(jié)；P_D較小（<480）時(shí)，沿著曲線c的方向（左右擺動(dòng)）向下調(diào)節(jié)，直至進(jìn)入目標(biāo)區(qū)。當(dāng)F_D>15時(shí)，則不管P_D，一直減小逆變頻率F_INV，直到A4區(qū)域，然后進(jìn)入目標(biāo)區(qū)或者第4象限中目標(biāo)區(qū)（實(shí)際應(yīng)用中頻差F_D很小，一般不會(huì)進(jìn)入到第4象限其它區(qū)域）。

從以上分析可知，可以設(shè)計(jì)沿不同的曲線進(jìn)入鎖相目標(biāo)區(qū)，而且此曲線與P_D=62的交點(diǎn)P1越靠近P_D軸越好（沿此曲線進(jìn)入鎖相目標(biāo)區(qū)時(shí)F_D小，不容易走出鎖相目標(biāo)區(qū)），但必須滿足：P1>調(diào)節(jié)步長(zhǎng)(本方法中=4)，否則被調(diào)節(jié)點(diǎn)有可能在進(jìn)入鎖相目標(biāo)區(qū)之前進(jìn)入第2象限，影響調(diào)節(jié)速度（第2象限調(diào)節(jié)過(guò)程將接著介紹）。

2F_D（F_D＋1）=P_D與P_D=62的交點(diǎn)為：由2F_D（F_D＋1）=62得F_D≈5，因此滿足以上條件并有很好的進(jìn)入方向。

最大調(diào)節(jié)時(shí)間計(jì)算：

最大相差180°時(shí)定時(shí)器計(jì)數(shù)值差=12500，沿著F_D=15至P_D=480的時(shí)間：

T1=〔（12500－480）/15〕20ms≈16s

P_D=480沿曲線c進(jìn)入鎖相目標(biāo)區(qū)的時(shí)間：

T2=（480/5）20ms≈2s;

T=T1＋T2≈18s

最大頻率調(diào)節(jié)速度計(jì)算：

考慮到最惡劣情況，55Hz時(shí)，采用每周期＋4的方法增加頻率，1s內(nèi)則T的變化量為：

55×4×0.8μs=176μs

頻率增加為：1000/（18.181－0.176）≈55.5Hz

圖4調(diào)相的目標(biāo)區(qū)域

圖5第2象限的狀態(tài)

圖6先增加頻率進(jìn)入第1象限

最大頻率調(diào)節(jié)速度為55.5－55=0.5Hz/s，符合規(guī)格所要求的<1Hz/s。

2．3第2象限狀況分析

第2象限中狀態(tài)如圖5所示。

此時(shí)，不管相差如何，一直采用增加逆變頻率F_INV的方式調(diào)節(jié)，這樣，F(xiàn)_D絕對(duì)值不斷減小，而P_D不斷增大，直到進(jìn)入到第1象限。如圖6所示。

2．4其他象限中狀況

第3、第4象限分別采用與第1、第2象限類似的方法調(diào)節(jié)。

3結(jié)語(yǔ)

（1）先調(diào)頻，后調(diào)相，當(dāng)頻差絕對(duì)值|F_D|>15時(shí)，先將頻差絕對(duì)值調(diào)至|F_D|<15；

（2）第2、第4象限采用減小頻差絕對(duì)值的方法將其狀態(tài)轉(zhuǎn)入第1、第3象限；

（3）第1、第3象限內(nèi)先沿著|F_D|=15的直線方向減小|P_D|，當(dāng)|F_D|<480時(shí)，沿著曲線c,2F_D（F_D＋1）=P_D（第1象限）和曲線c的軸對(duì)稱曲線（第3象限）進(jìn)入鎖相目標(biāo)區(qū)域A3[（0，0），（15，62）]；

（4）采用上述方法能滿足所有參數(shù)要求，且進(jìn)入鎖相目標(biāo)區(qū)域時(shí)有很好的進(jìn)入方向；

（5）設(shè)計(jì)進(jìn)入鎖相目標(biāo)區(qū)域方向曲線時(shí)應(yīng)考慮到進(jìn)入速度和進(jìn)入方向：在進(jìn)入之前|F_D|盡可能大（速度快），進(jìn)入時(shí)|F_D|盡可能小，但要避免轉(zhuǎn)入其他象限。