0 引言
隨著計算機網(wǎng)絡技術,、全球化通信技術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用到國民經(jīng)濟的各個領域。本文介紹了一種基于Motorala單片機MR16的全數(shù)字化的UPS設計方法,，根據(jù)設計思想制作了一臺樣機,，得到了較好的實驗結(jié)果。
1 主電路的設計
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通過切換開關向負載供電。系統(tǒng)設計要求為直流側(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計了由R和繼電器KM1組成的合閘軟啟動電路,，是為了防止在開機瞬間蓄電池對電解電容C1充電所產(chǎn)生的沖擊電流而設的。KM1由單片機控制,，通常單片機在復位后延時一段時間,，檢測直流母線電壓達到一定值后，再使KM1吸合,，短接限流電阻R,，完成合閘軟啟動，延時時間一般取3～5倍的電容C1的充電時間常數(shù),。C1為直流側(cè)的大濾波電容,，能有效減少工作時直流母線電壓中的脈動交流幅值，并能短時貯存操作切換開關時反饋的電感貯能,，抑制由此引起的過壓,。C2為高頻無極性濾波電容，因為,，在高頻逆變電路中電解電容的等效串聯(lián)阻抗會影響開關電流的能量吸收,，所以，有必要在C1兩端再并聯(lián)此電容,。
圖1 系統(tǒng)主電路
2 系統(tǒng)控制的實現(xiàn)
系統(tǒng)的中央控制器由Motorola公司的MR16單片機完成,。逆變器的輸出電壓經(jīng)交流電壓傳感器反饋給單片機AD接口，經(jīng)單片機采樣及閉環(huán)控制運算,，獲得相應的SPWM控制信號輸出,。該單片機同時完成對電網(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
為了保護蓄電池,，防止過度放電，需要對直流側(cè)電壓進行實時檢測,。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。
圖2 直流側(cè)電壓采樣電路
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電壓采樣即可,，但這樣增加了電路的復雜程度。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之分,，而單片機的輸入只能為正，故使用－2.5V基準電壓將輸入信號采樣值抬高2.5V,，以保證輸入單片機采樣口的電壓為正,。
圖3 交流電壓采樣電路
2.3 鎖相同步的實現(xiàn)
在UPS的設計中，鎖相同步技術是衡量UPS系統(tǒng)性能好壞的一個重要指標,。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,，有可能會對負載產(chǎn)生電流沖擊。
逆變器正弦波的輸出,，是通過建立一個正弦表,，在中斷程序中由正弦指針讀取正弦表值，并進行相應脈寬計算產(chǎn)生SPWM波形輸出,。正弦指針為零時對應的輸出正弦波相位也為零,，所以，當檢測到電網(wǎng)零相位點時,，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，就判斷當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半周,，位于正半周時就將正弦指針減1,，位于負半周就將正弦指針加1，如此反復循環(huán)直到鎖相為止,。顯然,，鎖相同步要在PWM中斷程序中實現(xiàn)。
2.4 切換電路的設計
現(xiàn)在常用的方法是用晶閘管作切換開關,普通晶閘管的開通時間為幾μs,，關斷時間約為幾百μs,，開、關時間之和不超過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導通、V1關斷,在負半周則V1導通,、V2關斷,，這樣就保證了流過負載的電流是完整的正弦波。普通晶閘管是半控器件,，其關斷依賴于給陽極施加反向電壓,。當電網(wǎng)故障時，首先,，去掉V1和V2上的門極觸發(fā)信號,，假設這時正處于正弦波的正半周，V1顯然關斷,，但還沒有使V2關斷,，這時再給V3和V4的門極施加觸發(fā)信號,，V4導通，由于電網(wǎng)故障（停電或電壓偏低）,，這時就會在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關斷,，從而切斷電網(wǎng),，由此可見兩者之間沒有環(huán)流。當市電電網(wǎng)恢復時,，也是同理的,。實驗證明采用上述方法是可行的。
3 實驗結(jié)果
按照上述設計思路制作了一臺5kW樣機,，實驗結(jié)果如圖4所示,。圖4（a）是逆變器空載輸出時的電壓波形，圖4（b）是逆變器滿載輸出時的電壓波形,，圖4（c）是當電網(wǎng)斷電時,，從電網(wǎng)切換到逆變器輸出時的負載電壓波形（通道1為電網(wǎng)波形，通道2為負載側(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，切換時間約2ms左右,，能滿足負載和用戶要求,。
（a） 逆變器空載時輸出電壓波形
（b） 逆變器滿載時輸出電壓波形
（c） 電網(wǎng)斷電時從電網(wǎng)切換到逆變器輸出時的電壓波形
圖4 系統(tǒng)輸出波形
4 結(jié)語
采用上述思想設計了一臺樣機，通過實驗證明了該樣機能穩(wěn)定工作,，切換時間短,各項性能指標均已達到UPS設計要求,。