0    引言

    隨著信息處理技術(shù)和微電子等精密技術(shù)的蓬勃發(fā)展,，對(duì)供電系統(tǒng)質(zhì)量和可靠性的要求也越來越高,，在一些用電質(zhì)量要求較高的場合，急需一種電壓穩(wěn)定,、能同步跟蹤電網(wǎng)頻率,、高可靠性的交流不間斷電源。UPS系英文Uninterruptible Power System的縮寫,，中文意思是“不間斷電源系統(tǒng)”,。UPS使供電系統(tǒng)的可靠性和質(zhì)量大大提高，同時(shí)使投資和運(yùn)行費(fèi)用降低,，是信息時(shí)代不可缺少的能源系統(tǒng),。在很多由于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)停電而使計(jì)算機(jī)丟失數(shù)據(jù)的行業(yè)，UPS起著不可替代的作用,，如銀行,、證券、通信,、航空管理,、生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)等。

1    系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

    不間斷電源的種類很多,，按不同的結(jié)構(gòu)和功能可以分為在線式UPS,、在線互動(dòng)式UPS、后備式正弦波UPS,、后備式方波輸出UPS和Delta變換型UPS,。從性能指標(biāo)上看，在線式UPS>Delta變換型UPS>在線互動(dòng)式UPS>后備式正弦波輸出UPS>后備式方波輸出UPS,。從價(jià)格上看,，在線式UPS、Delta變換型UPS和在線互動(dòng)式UPS價(jià)格較高,，后備式UPS便宜,。

    本系統(tǒng)采用的是后備式正弦波UPS,，它適用于用電質(zhì)量不高又要求不能斷電的負(fù)載。它由充電器,、逆變器,、蓄電池組、靜態(tài)開關(guān)等組成,。系統(tǒng)工作原理如圖1和圖2所示,。

    當(dāng)市電供電正常時(shí)如圖1所示，連接逆變器的轉(zhuǎn)換開關(guān)關(guān)斷,，連接電網(wǎng)的轉(zhuǎn)換開關(guān)開通,，UPS將原來電壓起伏很大的市電經(jīng)過一種簡易的交流穩(wěn)壓器稍加穩(wěn)壓處理后，向用戶負(fù)載供電,。同時(shí)經(jīng)充電器對(duì)蓄電池組充電,。

當(dāng)市電供電不正常時(shí)如圖2所示，連接電網(wǎng)的轉(zhuǎn)換開關(guān)關(guān)斷,，連接逆變器的轉(zhuǎn)換開關(guān)開通,，逆變器在蓄電池組所提供的直流能源支持下，向用戶提供50Hz,、220V正弦波交流穩(wěn)壓電源,，同時(shí)充電器停止工作。

2    控制策略

2.1    UPS逆變器輸出電壓與電網(wǎng)電壓鎖相同步的實(shí)現(xiàn)

    在市電故障時(shí),，為避免UPS的逆變器和市電電源切換瞬間對(duì)負(fù)載造成大的電流沖擊,，必須保證電網(wǎng)電壓與UPS逆變器輸出電壓同頻、同相和同幅值,，本系統(tǒng)通過MR16單片機(jī)對(duì)電網(wǎng)電壓采樣及相位捕捉,，并與建立的電網(wǎng)電壓正弦表格相比較，經(jīng)邏輯判斷后控制逆變器輸出電壓的幅值和相位,，從而實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)電壓的同步,。如圖3所示，電網(wǎng)電壓的正弦波信號(hào)經(jīng)變壓器降壓再經(jīng)－2.5V基準(zhǔn)電壓的提升,，與＋2.5V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較,，在LM339的輸出端經(jīng)反向器后在PTE6口就可以得到與正弦波同頻,、同相位的方波信號(hào),，方波的上升沿為正弦波的零相位處，下降沿為正弦波的180°相位處,，方波信號(hào)送到單片機(jī)的I/O口,，單片機(jī)通過對(duì)I/O的檢測就可以判斷電網(wǎng)電壓的相位。通過計(jì)算兩次上升沿的時(shí)間間隔就可算出電網(wǎng)周期,。UPS逆變器正弦波的產(chǎn)生,，是通過在MR16單片機(jī)的ROM中建立一個(gè)正弦表，在中斷程序中，由正弦指針讀取正弦值進(jìn)行脈寬計(jì)算,，從而產(chǎn)生SPWM波形輸出,正弦指針為零時(shí)對(duì)應(yīng)的正弦波輸出電壓也為零,，所以，當(dāng)檢測到電網(wǎng)零相位點(diǎn)時(shí),，可以考慮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)電壓相位實(shí)現(xiàn)鎖相,。

2.2    UPS逆變器與電網(wǎng)切換控制的實(shí)現(xiàn)

    切換控制是通過通斷切換電路中的靜態(tài)電子開關(guān)（如晶閘管模塊MTC）來實(shí)現(xiàn)的,。本系統(tǒng)選用MTC70（70A/1200V）的晶閘管，如圖4所示,，圖4中L₁為電網(wǎng)進(jìn)線,，L₂為逆變器進(jìn)線，N為兩者的公共地線,，R為負(fù)載,。圖中采用晶閘管反并聯(lián)連接，由于母線上流過的是正弦全波,，以SCR₁及SCR₂為例,，就必然形成在正弦波的正半周SCR₂導(dǎo)通、SCR₁關(guān)斷,在負(fù)半周則SCR₁導(dǎo)通,、SCR₂關(guān)斷,，這樣就保證了流過負(fù)載的電流是完整的正弦波。

晶閘管的通斷是由MR16單片機(jī)輔以切換控制電路實(shí)現(xiàn)的,。當(dāng)電網(wǎng)故障時(shí),，先發(fā)出切斷電網(wǎng)信號(hào)，再發(fā)出切入逆變器的信號(hào),；當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)時(shí),，先發(fā)出切斷逆變器信號(hào)，再發(fā)出切入電網(wǎng)的信號(hào),，這就需要信號(hào)發(fā)送電路,，同時(shí)控制晶閘管開、關(guān)也需要門極觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路,。切換控制電路如圖5所示,，圖5中左邊PTC0、PTC6兩路端口就是MR16單片機(jī)發(fā)送的開關(guān)控制信號(hào),，經(jīng)光耦隔離送到由或非門組成的基本RS觸發(fā)器電路中,，RS觸發(fā)器輸出的兩路信號(hào)是互鎖的，兩者只能同時(shí)為低電平（關(guān)斷信號(hào)）,，不能同時(shí)為高電平（開通信號(hào)）,，從而增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性,。由555定時(shí)器組成的自激振蕩器的作用是定時(shí)地發(fā)送觸發(fā)脈沖，脈沖有效寬度應(yīng)不小于晶閘管的開通時(shí)間,，其輸出信號(hào)與RS觸發(fā)器的輸出相與送到門極驅(qū)動(dòng)電路中,。圖5中后級(jí)則是晶閘管的門極脈沖驅(qū)動(dòng)電路，可以看出也是隔離輸出的,。另外,，采用兩個(gè)LED管用于顯示負(fù)載采用的供電方式。

MR16單片機(jī)通過對(duì)市電故障及故障是否恢復(fù)的判斷來切斷市電或UPS的逆變器,。切斷市電或逆變器后,，負(fù)載電流衰減到零需要有一過程，然后再切入逆變器或市電,，為保證切換操作的可靠性,，本系統(tǒng)在零電流切入方式的基礎(chǔ)上，在主程序中加入了如果在切斷市電（或逆變器）后延時(shí)3ms沒有進(jìn)行切入操作,，就不管是否檢測到零電流直接進(jìn)行相應(yīng)的切入操作,，從而保證了UPS供電的可靠性。

2.3    UPS逆變器輸出電壓的平均值反饋控制

    UPS逆變系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上也是一種控制系統(tǒng),，對(duì)于本系統(tǒng)輸出電壓來說,，其擾動(dòng)量主要是負(fù)載變化和蓄電池的電壓變化，蓄電池電壓在短時(shí)間內(nèi)可以視為定值,，負(fù)載的變化為本系統(tǒng)的主擾動(dòng),。根據(jù)反饋控制原理，要維持哪一個(gè)物理量基本不變就應(yīng)該引入哪個(gè)物理量的負(fù)反饋,，所以,，閉環(huán)逆變系統(tǒng)采用的是電壓閉環(huán)控制。通過測量輸出反饋的電壓量與給定量進(jìn)行比較,，經(jīng)過調(diào)節(jié)器控制計(jì)算輸出,，最終改變SPWM輸出脈寬，從而使輸出跟隨給定變化,，負(fù)載擾動(dòng)是被負(fù)反饋包圍在前向通道上的,，所以，該控制結(jié)構(gòu)能夠抵抗負(fù)載擾動(dòng)變化,。對(duì)于調(diào)節(jié)器來說,，數(shù)字化PI調(diào)節(jié)器是目前應(yīng)用最廣泛、最為成熟的一項(xiàng)技術(shù),，已經(jīng)在逆變系統(tǒng)中得到了很好的應(yīng)用,。由于逆變系統(tǒng)中的負(fù)載擾動(dòng)均為電參量,，動(dòng)態(tài)響應(yīng)要快,，因此,，PI控制算法中的參數(shù)選擇至關(guān)重要，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)合理選擇調(diào)節(jié)器參數(shù),，使系統(tǒng)的控制適應(yīng)性,、快速性好，并有較強(qiáng)的魯棒性,。

    逆變系統(tǒng)的一般組成結(jié)構(gòu)如圖6所示,。

2.4    UPS逆變器輸出電壓波形的補(bǔ)償

    在逆變主電路（如圖7所示）中，為防止同一橋臂的兩個(gè)功率開關(guān)管出現(xiàn)直通現(xiàn)象,，往往采取關(guān)斷一功率管后延時(shí)一段時(shí)間再開通另一功率管的方法,，這中間延時(shí)的時(shí)間（通常為幾μs）就形成了死區(qū)，死區(qū)的存在（盡管很?。﹦荼貢?huì)造成輸出電壓波形的畸變,，尤其對(duì)零點(diǎn)附近波形的影響，本系統(tǒng)采取優(yōu)化存儲(chǔ)在MR16單片機(jī)ROM中的正弦表值的方法對(duì)死區(qū)進(jìn)行補(bǔ)償,，以實(shí)現(xiàn)平滑的正弦電壓波形輸出,。

2.5    UPS逆變器的驅(qū)動(dòng)模式

    本系統(tǒng)中，4個(gè)主功率開關(guān)器件采用的是單極性倍頻工作方式而不是雙極性方式,，因?yàn)榕c雙極性相比,，單極性倍頻方式具有等效“加倍”開關(guān)頻率的優(yōu)點(diǎn)，開關(guān)頻率的“加倍”體現(xiàn)在輸出電壓波形的頻譜中,。若選擇頻率調(diào)制比為偶數(shù),，則最低次諧波將出現(xiàn)在二倍于開關(guān)頻率的邊帶上。

3    軟件設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)軟件主要分為主程序和中斷服務(wù)子程序兩部分,。主程序由初始化模塊,、開機(jī)延時(shí)模塊、采樣保護(hù)模塊,、調(diào)節(jié)器模塊等幾個(gè)部分組成,，另外主程序中還有對(duì)一些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理程序以及前面切換部分所述的超時(shí)切換程序，數(shù)據(jù)處理程序包括為了節(jié)省中斷資源,，對(duì)中斷中AD采樣的數(shù)據(jù)的處理計(jì)算和對(duì)通信接收數(shù)據(jù)的處理,。

    中斷程序模塊的任務(wù)是完成SPWM波形的發(fā)出，完成電壓,、電流和溫度等各項(xiàng)數(shù)據(jù)的AD采樣,，與市電電壓的鎖相同步并進(jìn)行切換操作的控制。由于中斷資源有限（每100μs中斷一次,，中斷程序執(zhí)行時(shí)間不能超過100μs）,，對(duì)各參數(shù)的AD采樣不可能每次中斷都要完成一次，所以除重要參數(shù)外（輸出電壓和電網(wǎng)電壓）,，其他參數(shù)都采用每兩次中斷采樣一次的方法,。

4    實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    圖8為市電斷電切入U(xiǎn)PS逆變器瞬間波形,。圖9為由市電切入逆變器時(shí)負(fù)載電壓波形。

5    結(jié)語

    本文所介紹的全數(shù)字化后備式UPS采用MOTOROLA單片機(jī)MC68HC908MR16作為主控芯片,，能夠做到快速鎖相和快速切換,，基本對(duì)負(fù)載無影響。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊,，可靠性高,，而且成本低，調(diào)試方便,，充分體現(xiàn)了數(shù)字控制的優(yōu)勢,。