在線式UPS軟件鎖相

1引言

為保證無環(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值相同，即同相位。數字鎖相環(huán)，即軟件鎖相的實現(xiàn)是全數字化UPS實現(xiàn)的難點之一。

2軟件鎖相分析

2．1坐標系的的建立

為便于分析，建立以下坐標系：

橫軸為頻率差，F(xiàn)_D=F_INV－F_LN，以周期差來表示，即單周期內定時器對逆變的計數值－對市電的計數值（這里每1個計數值的時間為50ns×16=0.8μs）；

縱軸為相位差，P_D=P_LN_P_INV，也用定時器的計數值來表示。如圖1所示。

2．2第1象限中狀況分析

由上述坐標定義，則第1象限所表示的狀態(tài)如圖2所示。

即F_INV>F_LN。

此時如果采用減小逆變頻率F_INV的方法調節(jié)，則F_D和P_D都會減小，即在坐標系上向原點靠近。滿足F_D和P_D同時達到原點的條件為：

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時每周期增加的定時器的計數值（步長）為4。

解方程得：

F_D（F_D＋4）/8=P_D（1）

式（1）在坐標系上的曲線a如圖3所示。則有以下結論（結論1）：

采用減小逆變頻率F_INV的方法調節(jié)時：

曲線a上所有點都會沿著此曲線使F_D和P_D同時到達零點；

曲線a上左邊（A1區(qū)域）所有點都會當F_D到達零點而P_D>0，走向如曲線b1所示；

圖1坐標系

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）所有點都會當P_D到達零點而F_D>0。

此時如果采用增加逆變頻率F_INV的方法調節(jié)，則P_D會減小而F_D會增加。其在坐標系上的走向如圖3中曲線b2所示。（結論2）

實際上，并不需要將F_D和P_D都調到零，而是調到一個足夠小的目標區(qū)域即可。在這里采用先調頻后調相的方法，當頻率差（F_D）大于15時，不管相差（P_D）如何，直接減小逆變頻率F_INV（步長也是4）；當P_D小于62時，則認為相差已經調好，停止調相。所以調相的目標區(qū)域為A3[（0，0），（15，62）]，被調節(jié)區(qū)域為A4[（0，62），（15，P_Dmax）]。如圖4所示。

對于A4區(qū)域的點，調節(jié)方法如下：

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

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

分析此調節(jié)過程：

2F_D（F_D＋1）=P_D在坐標系上的曲線為c。

（1）設在R1點開始調節(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的方式調節(jié)。由結論（2）得：采用增加逆變頻率F_INV的方式調節(jié)時，其走向如曲線b2，必然會到R2的位置（c的右邊），此時又滿足2F_D（F_D＋1）>P_D的條件，采用減小逆變頻率F_INV的方式調節(jié)，而R2位于結論（1）中A1區(qū)域，由結論（1），其走向如b1，必然會回到c的左邊，反復以上過程，直到進入調相的目標區(qū)域為A3。

（2）設在R11（F_D很小而P_D很大）點開始調節(jié)，此時滿足2F_D（F_D＋1）<=P_D的條件，因此采用增加逆變頻率F_INV的方式調節(jié)，最多經過4個周期，F(xiàn)_D就會>15，此時不管相差先調頻，減小逆變頻率F_INV，接著F_D又會<15，則增加逆變頻率F_INV，如此反復。由結論（1）、結論（2），如圖中方向接近R1的位置。

因此，在第1象限的調節(jié)過程為：P_D很大（>480）而F_D很小時，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）向下調節(jié)；P_D較小（<480）時，沿著曲線c的方向（左右擺動）向下調節(jié)，直至進入目標區(qū)。當F_D>15時，則不管P_D，一直減小逆變頻率F_INV，直到A4區(qū)域，然后進入目標區(qū)或者第4象限中目標區(qū)（實際應用中頻差F_D很小，一般不會進入到第4象限其它區(qū)域）。

從以上分析可知，可以設計沿不同的曲線進入鎖相目標區(qū)，而且此曲線與P_D=62的交點P1越靠近P_D軸越好（沿此曲線進入鎖相目標區(qū)時F_D小，不容易走出鎖相目標區(qū)），但必須滿足：P1>調節(jié)步長(本方法中=4)，否則被調節(jié)點有可能在進入鎖相目標區(qū)之前進入第2象限，影響調節(jié)速度（第2象限調節(jié)過程將接著介紹）。

2F_D（F_D＋1）=P_D與P_D=62的交點為：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入方向。

最大調節(jié)時間計算：

最大相差180°時定時器計數值差=12500，沿著F_D=15至P_D=480的時間：

T1=〔（12500－480）/15〕20ms≈16s

P_D=480沿曲線c進入鎖相目標區(qū)的時間：

T2=（480/5）20ms≈2s;

T=T1＋T2≈18s

最大頻率調節(jié)速度計算：

考慮到最惡劣情況，55Hz時，采用每周期＋4的方法增加頻率，1s內則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調相的目標區(qū)域

圖5第2象限的狀態(tài)

圖6先增加頻率進入第1象限

最大頻率調節(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，不管相差如何，一直采用增加逆變頻率F_INV的方式調節(jié)，這樣，F(xiàn)_D絕對值不斷減小，而P_D不斷增大，直到進入到第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象限類似的方法調節(jié)。

3結語

（1）先調頻，后調相，當頻差絕對值|F_D|>15時，先將頻差絕對值調至|F_D|<15；

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

（3）第1、第3象限內先沿著|F_D|=15的直線方向減小|P_D|，當|F_D|<480時，沿著曲線c,2F_D（F_D＋1）=P_D（第1象限）和曲線c的軸對稱曲線（第3象限）進入鎖相目標區(qū)域A3[（0，0），（15，62）]；

（4）采用上述方法能滿足所有參數要求，且進入鎖相目標區(qū)域時有很好的進入方向；

（5）設計進入鎖相目標區(qū)域方向曲線時應考慮到進入速度和進入方向：在進入之前|F_D|盡可能大（速度快），進入時|F_D|盡可能小，但要避免轉入其他象限。