隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、全球化通信技術(shù)和高精尖的精密加工工業(yè)的發(fā)展，對電源的要求越來越高。為確保供電的可靠性和穩(wěn)定性，UPS正越來越廣泛地被應(yīng)用到國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。本文介紹了一種基于Motorala單片機(jī)MR16的全數(shù)字化的UPS設(shè)計(jì)方法，根據(jù)設(shè)計(jì)思想制作了一臺(tái)樣機(jī)，得到了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
1 主電路的設(shè)計(jì)
系統(tǒng)主電路主要包括蓄電池、逆變電路和切換電路3部分，逆變部分采用電壓型全橋逆變結(jié)構(gòu)，如圖1所示。蓄電池電壓經(jīng)全橋逆變電路逆變，再經(jīng)工頻變壓器升壓和濾波后輸出。逆變電壓或電網(wǎng)電壓Un通過切換開關(guān)向負(fù)載供電。系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求為直流側(cè)輸入電壓220V，額定交流輸出電壓為220V/50Hz，額定容量5kVA。
由圖1可見，在蓄電池和濾波電容之間設(shè)計(jì)了由R和繼電器KM1組成的合閘軟啟動(dòng)電路，是為了防止在開機(jī)瞬間蓄電池對電解電容C1充電所產(chǎn)生的沖擊電流而設(shè)的。KM1由單片機(jī)控制，通常單片機(jī)在復(fù)位后延時(shí)一段時(shí)間，檢測直流母線電壓達(dá)到一定值后，再使KM1吸合，短接限流電阻R，完成合閘軟啟動(dòng)，延時(shí)時(shí)間一般取3～5倍的電容C1的充電時(shí)間常數(shù)。C1為直流側(cè)的大濾波電容，能有效減少工作時(shí)直流母線電壓中的脈動(dòng)交流幅值，并能短時(shí)貯存操作切換開關(guān)時(shí)反饋的電感貯能，抑制由此引起的過壓。C2為高頻無極性濾波電容，因?yàn)?，在高頻逆變電路中電解電容的等效串聯(lián)阻抗會(huì)影響開關(guān)電流的能量吸收，所以，有必要在C1兩端再并聯(lián)此電容。
2 系統(tǒng)控制的實(shí)現(xiàn)
系統(tǒng)的中央控制器由MOTOROLA公司的MR16單片機(jī)完成。逆變器的輸出電壓經(jīng)交流電壓傳感器反饋給單片機(jī)AD接口，經(jīng)單片機(jī)采樣及閉環(huán)控制運(yùn)算，獲得相應(yīng)的SPWM控制信號輸出。該單片機(jī)同時(shí)完成對電網(wǎng)電壓的采樣以判斷電網(wǎng)故障與否，根據(jù)判斷再控制切換電路完成電網(wǎng)電壓與逆變器電壓的相互切換。
2.1 直流側(cè)電壓的采樣
為了保護(hù)蓄電池，防止過度放電，需要對直流側(cè)電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測。直流側(cè)電壓的采樣電路有多種形式，為了提高系統(tǒng)的可靠性，最好對主電路和控制電路進(jìn)行電隔離。本系統(tǒng)對直流側(cè)電壓的采樣電路如圖2所示，為了使主電路和控制電路隔離，并且不增加控制電路的難度和復(fù)雜度，本文采用了雙光耦隔離的采樣電路。直流電壓經(jīng)過光耦隔離降壓后輸入到單片機(jī)的AD采樣口，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的直流電壓隔離采樣。
2.2 交流輸出電壓的采樣
交流輸出電壓的采樣也可以采用光耦采樣的方法，只須再增加一路完全一樣的電路作為負(fù)電壓采樣即可，但這樣增加了電路的復(fù)雜程度。由于交流電壓是作為反饋電壓輸入，其采樣精度勢必影響輸出電壓的控制精度，所以，系統(tǒng)采用TVA1412電壓傳感器，其采樣電路如圖3所示，既起到了電隔離作用又保證了較高的采樣精度。交流電壓經(jīng)過 TVA1412的傳輸比為R10/R11。由于變壓器對交流電壓采樣必然有正負(fù)之分，而單片機(jī)的輸入只能為正，故使用-2.5V基準(zhǔn)電壓將輸入信號采樣值抬高2.5V，以保證輸入單片機(jī)采樣口的電壓為正。
2.3 鎖相同步的實(shí)現(xiàn)
在UPS的設(shè)計(jì)中，鎖相同步技術(shù)是衡量UPS系統(tǒng)性能好壞的一個(gè)重要指標(biāo)。UPS能夠?qū)崿F(xiàn)市電旁路供電與逆變器供電之間的可靠轉(zhuǎn)換的前提是，市電的交流電壓與逆變器的交流輸出電壓必須同頻率、同相位和同幅值。如果UPS在執(zhí)行轉(zhuǎn)換的瞬間，由于兩路交流電源的電壓值不同，因而會(huì)出現(xiàn)瞬態(tài)電壓差ΔU，如果用戶在具有過大的ΔU情況下執(zhí)行切換操作，有可能會(huì)對負(fù)載產(chǎn)生電流沖擊。
逆變器正弦波的輸出，是通過建立一個(gè)正弦表，在中斷程序中由正弦指針讀取正弦表值，并進(jìn)行相應(yīng)脈寬計(jì)算產(chǎn)生SPWM波形輸出。正弦指針為零時(shí)對應(yīng)的輸出正弦波相位也為零，所以，當(dāng)檢測到電網(wǎng)零相位點(diǎn)時(shí)，可以通過比較正弦指針的值來判斷是否鎖相，指針為零則表明逆變器正弦波輸出與電網(wǎng)電壓波形鎖相同步，否則，就要通過移相跟蹤電網(wǎng)電壓相位。但是，如果一檢測到零相位就將正弦指針清零，勢必會(huì)引起較大的沖擊電流，并且這樣抗干擾能力弱，所以，系統(tǒng)采用逐次逼近鎖相方式。具體方法是：每檢測到一次零相位點(diǎn)，就判斷當(dāng)前正弦指針是否為零，為零表明已經(jīng)鎖相，不為零，則判斷正弦指針處于正弦表的正半周還是負(fù)半周，位于正半周時(shí)就將正弦指針減1，位于負(fù)半周就將正弦指針加1，如此反復(fù)循環(huán)直到鎖相為止。顯然，鎖相同步要在PWM中斷程序中實(shí)現(xiàn)。
2.4 切換電路的設(shè)計(jì)
現(xiàn)在常用的方法是用晶閘管作切換開關(guān),普通晶閘管的開通時(shí)間為幾μs，關(guān)斷時(shí)間約為幾百μs，開、關(guān)時(shí)間之和不超過1ms。圖1中采用晶閘管反并聯(lián)連接結(jié)構(gòu)，由于母線上流過的是正弦全波，以V1、V2為例，就必然形成在正弦波的正半周V2導(dǎo)通、V1關(guān)斷,在負(fù)半周則V1導(dǎo)通、V2關(guān)斷，這樣就保證了流過負(fù)載的電流是完整的正弦波。普通晶閘管是半控器件，其關(guān)斷依賴于給陽極施加反向電壓。當(dāng)電網(wǎng)故障時(shí)，首先，去掉V1和V2上的門極觸發(fā)信號，假設(shè)這時(shí)正處于正弦波的正半周，V1顯然關(guān)斷，但還沒有使V2關(guān)斷，這時(shí)再給V3和V4的門極施加觸發(fā)信號，V4導(dǎo)通，由于電網(wǎng)故障(停電或電壓偏低)，這時(shí)就會(huì)在V2的陽陰極之間產(chǎn)生電壓差，其方向是陰極高于陽極，使V2 關(guān)斷，從而切斷電網(wǎng)，由此可見兩者之間沒有環(huán)流。當(dāng)市電電網(wǎng)恢復(fù)時(shí)，也是同理的。實(shí)驗(yàn)證明采用上述方法是可行的。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
按照上述設(shè)計(jì)思路制作了一臺(tái)5kW樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。圖4(a)是逆變器空載輸出時(shí)的電壓波形，圖4(b)是逆變器滿載輸出時(shí)的電壓波形，圖 4(c)是當(dāng)電網(wǎng)斷電時(shí)，從電網(wǎng)切換到逆變器輸出時(shí)的負(fù)載電壓波形(通道1為電網(wǎng)波形，通道2為負(fù)載側(cè)電壓波形)。由圖4可以看出，系統(tǒng)能輸出較好的正弦電壓，切換時(shí)間約2ms左右，能滿足負(fù)載和用戶要求。
(c) 電網(wǎng)斷電時(shí)從電網(wǎng)切換到逆變器輸出時(shí)的電壓波形
圖 4 系統(tǒng)輸出波形
4 結(jié)語
采用上述思想設(shè)計(jì)了一臺(tái)樣機(jī)，通過實(shí)驗(yàn)證明了該樣機(jī)能穩(wěn)定工作，切換時(shí)間短,各項(xiàng)性能指標(biāo)均已達(dá)到UPS設(shè)計(jì)要求。