1、UPSf間斷電源項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案第一章概述自從電子設(shè)備特別是計(jì)算機(jī)問(wèn)世以來(lái)，電源問(wèn)題一直是人們十分關(guān)心 的問(wèn)題。對(duì)于一些特殊位置的重要設(shè)備，人們不但關(guān)心其供電電源本身的 性能指標(biāo)，更注重供電電源的質(zhì)量，即供電的穩(wěn)定性和不間斷性。因?yàn)檫@ 些設(shè)備的電源一旦出現(xiàn)不穩(wěn)定或者消失， 就將造成非常大的損失，甚至無(wú) 可挽回的損失。所幸的是不間斷電源UPS(Uninterruptible Power System) 的出現(xiàn)，為解決這個(gè)問(wèn)題提供了廣闊的前景。1.1 UPS的發(fā)展1.1.1 UPS的發(fā)展歷程最初的UPS!本世紀(jì)六十年代初由旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)供應(yīng)能量的動(dòng)態(tài) ups即 不間斷是靠動(dòng)能維持。這種早期UPS勺輸出穩(wěn)定

2、是靠慣性飛輪對(duì)短時(shí)間電 壓突變和干擾無(wú)反應(yīng)；不間斷性是靠斷電后飛輪的慣性延長(zhǎng)供電時(shí)間。 當(dāng) 然這種UPS勺后備時(shí)間是很短的(一般不超過(guò)5秒)，于是人們開始使用備用 蓄電池組，這是早期UPS勺典型結(jié)構(gòu)，框圖如圖1-1所示。這樣的UPS!然 可以靠增大蓄電池容量來(lái)延長(zhǎng)后備時(shí)間， 但轉(zhuǎn)換效率低，于是出現(xiàn)了內(nèi)燃 式UP添統(tǒng)，這種UPSS內(nèi)燃機(jī)提供斷電后的能量。動(dòng)態(tài)UPSS備龐大笨重、 操作不夠靈活、而且效率低、噪聲大。圖1-1 早期ups典型框圖隨著電力電子學(xué)(功率電子學(xué))的發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)大功率的電能轉(zhuǎn)換，于 是出現(xiàn)了靜態(tài)ups它的主電路和控制電路均采用半導(dǎo)體器件，它也是目 前絕大多數(shù)概念中的UPS其典

3、型Ig圖如圖1-2所示。其基本原理是：市電 輸入經(jīng)整流器將交流電變成直流電， 一方面給蓄電池組充電，另一方面為 逆變器提供能量，再將直流電變成交流電經(jīng)轉(zhuǎn)換開關(guān)送到負(fù)載； 當(dāng)逆變器 發(fā)生故障時(shí)，另一路備用電源(旁路電源)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換開關(guān)實(shí)現(xiàn)向負(fù)載供電。旁路電源圖1-2 靜態(tài)ups典型框圖靜態(tài)UPS勺工作方式有在線式和后備式(Online and Offline) ,兩者 主體結(jié)構(gòu)大體相同，只是后者在市電正常時(shí)工作在旁路(Bypass),而前者 只有當(dāng)逆變器故障或過(guò)載時(shí)才由旁路電源供電。一般來(lái)說(shuō)，從性能上講， 在線式優(yōu)于后備式；從容量上講，后備式一般不大于3KVA而在線式不受 此限制，目前單機(jī)容量可以

4、做到 600KVAZ上，比如M.G, EXIDE, SOCOMEC 等公司。UPS勺裝機(jī)容量正不斷擴(kuò)大，并聯(lián)成為擴(kuò)大容量或者冗余系統(tǒng)的必然 方法。比如M.G, EXIDE等公司的UPSL內(nèi)信號(hào)用微機(jī)處理、通訊采用普通 信號(hào)，而SIEL公司采用光纖通訊OS保統(tǒng))，從而實(shí)現(xiàn)多臺(tái)UPS勺同相同 幅、均負(fù)載的功能。由于單相進(jìn)單相出給市電配電帶來(lái)極大困難，于是出現(xiàn)了三相入單相出(3/1)的UPS其最大容量可達(dá)60KVAZ上，這種單相輸出的UPSS切換到 旁路時(shí)、滿負(fù)載情況下市電對(duì)應(yīng)的一相將嚴(yán)重超載，因此廠家推出了三相 入三相出的UP/品，而且有三相負(fù)載100%f平衡產(chǎn)品，如IPM, SOCOMEC,BO

5、RRI, MEISSNER, SAVIN,VICTRON司的 UPS品。為改善后備式UPS勺供電質(zhì)量，人們研制了凈化UPS即將凈化電源加 在旁路電源上，如國(guó)產(chǎn)寶合UP中品。結(jié)合后備式UP效率高和在線式UP縱電質(zhì)量高的優(yōu)點(diǎn)，人們提出了三 端口 UPS它使得離線式和在線式有機(jī)結(jié)合在一起，產(chǎn)品如 APC BEST DELTEC休康等。近期又出現(xiàn)了不間斷蓄電池系統(tǒng)UBS（Uninterrupted BatterySystem）,見(jiàn)圖1-3所示。它結(jié)合了動(dòng)態(tài)UPS口靜態(tài)UPS勺優(yōu)點(diǎn)，只是噪聲稍 大，主要應(yīng)用于特殊場(chǎng)合，如野外、地下室等環(huán)境惡劣的場(chǎng)所。圖1-3 ups典型框圖1.1.2 UPS的發(fā)展前景從

6、以上UPS勺發(fā)展歷程可看出，UP縱當(dāng)初單一的動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)式到今天多 類型多品種動(dòng)態(tài)、靜態(tài)、動(dòng)靜結(jié)合、在線式、后備式（離線式）、后備在線 交叉式等。隨之，UPS勺應(yīng)用領(lǐng)域也從當(dāng)初單一的計(jì)算機(jī)用戶發(fā)展到今天 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在內(nèi)的能源（如電力）、醫(yī)藥、農(nóng)林、交通、天文、 地理、通訊系統(tǒng)（如網(wǎng)絡(luò)通訊）等領(lǐng)域；后備時(shí)間從當(dāng)初的幾秒鐘到今天的 幾小時(shí)、幾十小時(shí)甚至更常的時(shí)間；特別是從技術(shù)內(nèi)含意義上講，從當(dāng)初 單一的機(jī)械式到今天包羅了當(dāng)代全部的電子技術(shù)：從微電子學(xué)到功率電子 學(xué)，從線性電路到數(shù)字電路，從計(jì)算機(jī)硬件到軟件，從電信號(hào)通訊到光纖 通訊以及機(jī)電一體化技術(shù)。隨著微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電

7、源技術(shù)的高頻化、模塊化、數(shù)字化、綠色化成為發(fā)展趨勢(shì)，UP環(huán)間斷電源也不例外。電力電子功率器件的高頻化和模塊化使得 UPS!源產(chǎn)品的體積和重量 大大減小，而可靠性和效率得以提高，可帶來(lái)顯著節(jié)能、降耗的可觀經(jīng)濟(jì) 效益。.專業(yè).專注.微處理器軟硬件的引入，可以實(shí)現(xiàn)對(duì) UPS勺智能化管理，進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)和遠(yuǎn)程診斷。從而為UPS!源產(chǎn)品的數(shù)字化、智能化提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的加強(qiáng)， 電源系統(tǒng)的綠色化概念被提出。 所謂電源綠色化首先是顯著節(jié)能， 因?yàn)楣?jié)電可以減少發(fā)電對(duì)環(huán)境的污染； 其次是電源不能（ 或少 ） 對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生污染。 事實(shí)上許多功率電子節(jié)能設(shè)備往往是電網(wǎng)的污染源：向電網(wǎng)注入嚴(yán)重的諧

8、波電流，使得總的功率因素下降，使電網(wǎng)電壓產(chǎn)生毛刺尖峰甚至畸變。20世紀(jì)末各種有源濾波器和有源補(bǔ)償器的方案誕生，有了功率因數(shù)校正 PFC（ Power Factor Corrector） 方法，為21世紀(jì)UPS!源產(chǎn)品的綠色化奠定了基礎(chǔ)。由此可看出，UPSS當(dāng)之無(wú)魄成為當(dāng)代高科技成員，而且正隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展而不斷發(fā)展。1.2 本課題研究的目的和意義早期的UP/品因電子技術(shù)及相關(guān)技術(shù)、工藝水平等方面的限制，備用時(shí)間短，智能性差，所以主要作為計(jì)算機(jī)的備用電源，其它行業(yè)涉及較少，因而普及率很低。但是，隨著微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用的日益普及和信息處理技術(shù)的不斷發(fā)展， 人們對(duì)供

9、電的質(zhì)量要求越來(lái)越高。 這是因?yàn)樵谖⑿陀?jì)算機(jī)特別是企、 事業(yè)單位的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行期間供電的中斷， 將會(huì)導(dǎo)致隨機(jī)存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)的丟失和程序的破壞， 有時(shí)甚至?xí)勾疟P盤面及磁頭遭到損壞，造成難以彌補(bǔ)的損失。不但如此，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，生產(chǎn)力水平的提高各行各業(yè)的許多關(guān)鍵設(shè)備對(duì)電源的要求也是如此。 于是高性能、 高可靠性UP越來(lái)越受到人們的關(guān)注。從國(guó)防、航天、科研到醫(yī)療衛(wèi)生、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸， 從銀行證券到商貿(mào)銷售，從通訊行業(yè)直至以信息高速公路為代表的新興信息產(chǎn)業(yè)（IT）,無(wú)不用到UP壞間斷電源。而且， 隨著電子技術(shù)的發(fā)展， 特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)UPS勺要求越來(lái)越高：不但

10、要求供電質(zhì)量高，而且要求智能化，這也是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。人們希望將現(xiàn)代電子技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等UPffi關(guān)技術(shù)應(yīng)用于UP環(huán)間斷電源，使UPS!源供電系統(tǒng)變得越來(lái)越完善，對(duì)各種性質(zhì)的負(fù)載適應(yīng)性更強(qiáng)，產(chǎn)品種類更齊全。實(shí)際上，UPSS過(guò)近四十年的發(fā)展至今，性能指標(biāo)基本相似，不同點(diǎn) 在于功能上的拓寬、創(chuàng)新及可靠性的高低。PWM（c寬調(diào)制）技術(shù)和功率晶 體管及組合管、功率MOST、IGB邙己被UP贈(zèng)遍采用，從而降低了 UPS勺 可聞噪聲，提高了效率和可靠性。特別是自80年代以來(lái)，微處理器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)工程的迅猛發(fā)展，并引入 UP頸域，大大拓寬了 UPS勺功 能。顯示方

11、式從數(shù)碼顯示到液晶顯示，使得人機(jī)“對(duì)話”更加方便。利用CPU勺強(qiáng)大處理功能，可做到自動(dòng)診斷、自動(dòng)開關(guān)機(jī)、自動(dòng)打印運(yùn)行記錄， 起到監(jiān)控、管理系統(tǒng)的作用。隨著UPSE計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用不斷發(fā)展， UP環(huán)再是單純供電、僅僅保護(hù)服務(wù)器，而是強(qiáng)調(diào)以整個(gè)網(wǎng)絡(luò)為保護(hù)對(duì)象。 用戶希望UP暉護(hù)的對(duì)象不再是特定的運(yùn)算設(shè)備為主，而是讓網(wǎng)絡(luò)在電源 出現(xiàn)異常時(shí)，仍然可以繼續(xù)工作而不中斷。因此，UP暇控防護(hù)軟件是UPS的新發(fā)展，這種軟硬件的新搭配有助于大幅度提高UPS勺功能，使其趨向人性化；同時(shí)大大拓寬了 UP階計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。智能UP瞅是在這 種形勢(shì)要求下發(fā)展起來(lái)的。所謂智能UP瞅是將傳統(tǒng)UPSS過(guò)與PCh位機(jī)相

12、連的硬件接口，結(jié)合特 殊設(shè)計(jì)的軟件（稱為監(jiān)控軟件） 以提供電源和資料的雙重保護(hù)。 因此監(jiān)控軟件是UPS?能化的關(guān)鍵部分。目前UP骼大廠家都將UPS勺監(jiān)控軟件作為產(chǎn) 品竟?fàn)幜Φ囊粋€(gè)重要籌碼。UP壞間斷電源本身是集數(shù)字與模擬技術(shù)、數(shù)字通訊技術(shù)、電力電子 技術(shù)、微處理器及軟件編程等技術(shù)于一體的密集型電子產(chǎn)品。另外，隨著微處理器和計(jì)算機(jī)應(yīng)用的普及，將其引入 UP系統(tǒng)，研制智能UPS!UPSg 展的必然趨勢(shì)。UPS勺發(fā)展，并由此推動(dòng)與之相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，這也是我選擇本課題 的初衷之一。1.3 本課題的任務(wù)和要求1.3.1 本課題的任務(wù)本課題的任務(wù)是研究設(shè)計(jì)出新一代微機(jī)控制的可應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)的 20KVA 的智

13、能UP系統(tǒng)。UPSE電源包括整流/充電器、逆變器、旁路電源(靜態(tài)旁路電源和維 修旁路電源 ) 三大部分組成。1.3.2 本課題的要求1. UPS輸入設(shè)計(jì)要求：(1) 輸入電壓 :380V 10%(三相四線制) ，頻率 50HZ 15%；(2) 輸入容量能同時(shí)滿足蓄電池均充和逆變器滿載運(yùn)行要求；(3) 功率因 0.8.2. UPS輸出設(shè)計(jì)要求(1) 三相輸出電壓380V 2%,輸出頻率50 0.5%， 并在一定范圍內(nèi)可調(diào)(電壓正負(fù)5%，頻率正負(fù)2HZ)；(2) 輸出功率大于額定功率(20KVA)；(3) 過(guò)載能力125%-150%；(4) 諧波失真度0.75 ，總功率因數(shù)0.8 ；(2) 軟啟動(dòng)

14、功能；(3) 逆變器與后備靜態(tài)旁路鎖相同步，兩者切換時(shí)間100us；(4) 具有功能指示和故障報(bào)警功能；(5) 具有自保護(hù)功能；(6)具有RS232S訊接口，可遠(yuǎn)程監(jiān)控、管理；.專業(yè) .專注 .第二章系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案UP壞間斷電源裝置不間斷供電的含義就是指當(dāng)交流輸入電源（市電）發(fā)生異?；驍嚯姇r(shí)，電源裝置能繼續(xù)向負(fù)載供電，而且能保證供電質(zhì)量， 使負(fù)載供電不受影響。實(shí)現(xiàn)此目的的交流不間斷 UPS!源的基本組成如圖 2-1所小:市電整流器一逆變器負(fù)載蓄電池圖2-1 UPS基本組成框圖在此基本組成電路中，當(dāng)市電發(fā)生斷電或異常時(shí)，關(guān)鍵在于使用蓄電 池放電，以蓄電池代替整流器，向逆變器提供直流輸入從而保證

15、負(fù)載供電 的不間斷和質(zhì)量。如果深入地?cái)U(kuò)展分析，要保證負(fù)載的不間斷供電和負(fù)載 的供電質(zhì)量，就必須增強(qiáng)UPS!源裝置的可靠性，因?yàn)橹挥须娫囱b置的可 靠性提高了，才能使負(fù)載供電不間斷和質(zhì)量得到充分保證，這就要從UPS電源裝置的結(jié)構(gòu)和形式來(lái)考慮其設(shè)計(jì)方案。下面在分析不間斷供電的原理 的基礎(chǔ)上，提出本課題的整體設(shè)計(jì)方案。2.1 UPS電源不間斷供電的原理2.1.1 負(fù)載間斷供電的原因造成負(fù)載間斷供電的原因有很多，概括起來(lái)，主要有 ：1）交流輸入電源（市電）突然發(fā)生停電。造成這種突然停電的原因 較多，如：用戶發(fā)生故障或事故，造成電源跳閘；雷擊造成短路而跳閘， 或者由于雷擊引起輸電線斷裂；鳥害引起斷裂而跳閘

16、；臺(tái)風(fēng)或龍卷風(fēng)將輸 電線刮斷等。2)交流輸入電源發(fā)生瞬間停電。3)電源裝置發(fā)生故障而中斷供電。因此，解決負(fù)載不間斷供電須從以上三方面主要原因入手。2.1.2 不間斷供電的原理從UP旗本組成原理圖2-1可看出，(1) 在交流輸入電源正常的情況下，整流器一方面為逆變器提供直流輸入電壓，同時(shí)另一方面向蓄電池充電，使蓄電池儲(chǔ)存能量；一旦交流輸入電壓發(fā)生異?；驍嚯姟⒒蛘哒髌靼l(fā)生故障時(shí)，整流器就無(wú)直流輸出，這時(shí)蓄電池自動(dòng)代替整流器向逆變器提供直流輸入電壓， 逆變器仍能正常工作。當(dāng)市電恢復(fù)正?；蛘哒髌鞴收吓懦?，恢復(fù)整流器供電，這樣負(fù)載得到連續(xù)供電，不會(huì)產(chǎn)生間斷供電的現(xiàn)象。(2)當(dāng)逆變器發(fā)生故障時(shí)，很明

17、顯，圖2-1所示結(jié)構(gòu)的UP僦不能實(shí)現(xiàn) 負(fù)載的不間斷供電。解決的辦法有兩個(gè)：一是提供逆變器的備用單元；二是提供靜態(tài)旁路輔助電源。具體來(lái)說(shuō) :a. 如果有逆變器的冗余備用單元， 當(dāng)逆變器故障時(shí)， 通過(guò)快速開關(guān)立即切換至備用單元， 保證負(fù)載的不間斷供電， 這時(shí)負(fù)載得到的仍是穩(wěn)壓穩(wěn)頻的交流電； b. 如果有靜態(tài)旁路輔助電源 ( 或稱靜態(tài)旁路電源 ) ， 當(dāng)逆變器故障時(shí)，通過(guò)靜態(tài)開關(guān)迅速切換至靜態(tài)旁路電源，向負(fù)載供電，不過(guò)，這時(shí)負(fù)載得到的是市電，供電質(zhì)量比較差，無(wú)穩(wěn)壓穩(wěn)頻性能，但保證了負(fù)載不間斷供電。一旦逆變器故障排除，即可恢復(fù)運(yùn)行。(3) 如果市電交流輸入不正常的同時(shí)，逆變器又發(fā)生故障，這時(shí)要保證負(fù)載

18、的不間斷供電， 可采用既有逆變器備用單元， 又有靜態(tài)旁路電源的設(shè)計(jì)方案。 當(dāng)交流輸入恢復(fù)正?；蛘吣孀兤鞴收吓懦?通過(guò)靜態(tài)旁路電源向負(fù)載供電( 如果市電輸入正常的話) ；或者通過(guò)逆變器向負(fù)載供電 ( 如果逆變器故障排除的話) 。這種方案可保證負(fù)載的供電不間斷。(4) 電源裝置根據(jù)實(shí)際情況需要定期檢修，這時(shí)必須斷開逆變器和靜態(tài)旁路， 但仍然要保證負(fù)載供電的不間斷， 這時(shí)可采用增加維修旁路電源的方案。當(dāng)電源裝置維修時(shí)，通過(guò)維修旁路開關(guān)切換至維修旁路電源，此電源取自市電；一旦維修完畢，即切換至逆變器供電或靜態(tài)旁路電源供電。綜上所述，不間斷供電的原理實(shí)質(zhì)就是從電源裝置的組成結(jié)構(gòu)上考慮 如何實(shí)現(xiàn)負(fù)載的不

19、間斷供電：采用冗余結(jié)構(gòu)或者其他可靠性設(shè)計(jì)方案。本課題根據(jù)1.3的設(shè)計(jì)要求和技術(shù)指標(biāo)，從不間斷供電的原理出發(fā)，提 出下面的整體設(shè)計(jì)方案。2.2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)原理框圖UP壞間斷電源設(shè)計(jì)的基本原理是將輸入的交流電整流轉(zhuǎn)換為直流電，一方面為備用蓄電池充電，另一方面再將其逆變轉(zhuǎn)換為穩(wěn)壓穩(wěn)頻的交 流電。設(shè)計(jì)的基本點(diǎn)有兩個(gè)：一是 upSj出的穩(wěn)定性，即輸出電壓和頻率 都必須保持穩(wěn)定（在一定的額定精度內(nèi)）；二是upSj出的不間斷性，即要 能實(shí)現(xiàn)不間斷供電。整個(gè)設(shè)計(jì)緊緊圍繞這兩個(gè)要點(diǎn)進(jìn)行的：（1）蓄電池（包括充電器）是電網(wǎng)斷電或者電網(wǎng)電壓嚴(yán)重畸變時(shí)為負(fù)載 供電的能量來(lái)源；（2）逆變器是UPSJ出穩(wěn)壓穩(wěn)頻的交流電

20、的核心組成，也是整個(gè) UP舷 心，采用冗余備用單元也是為了保證負(fù)載供電的不間斷；（3）旁路輔助電源（包括維修旁路電源和靜態(tài)旁路電源）是為維修、檢 修UPS或者逆變器故障的情況下實(shí)現(xiàn)不間斷供電的輔助電源。根據(jù)以上所述，提出如下設(shè)計(jì)原理框圖（圖2-2）:輔助電源維修旁路電源圖2-2系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)原理框圖下面以此原理框圖從整流器/充電器、逆變器、旁路輔助電源三方面 分析本設(shè)計(jì)方案。.專業(yè).專注.2.3 整流/充電器設(shè)計(jì)方案本設(shè)計(jì)中整流器和充電器合二為一，這主要是從功率大這個(gè)因素考慮 的。為實(shí)現(xiàn)大功率整流和充電的需要，設(shè)計(jì)中借助于可控整流器件SCR采用三相全控橋式整流充電電路，從而大大提高了可靠性、降低

21、了造價(jià)。 控制電路采用16位INTEL96系歹1J的80C196I片機(jī)，控制簡(jiǎn)潔、方便、可靠。 主回路電路示意圖見(jiàn)圖2-3所示。如圖2-3所示，三相四線380Vt流電壓經(jīng)空氣開關(guān)KK快速熔斷器KRD 整流變壓器降壓隔離、再經(jīng)三相全控橋式整流；整流輸出經(jīng)電感L、電容C濾波，LE耶爾電流傳感器,熔斷器RD接觸器J瞰至220V電池。微機(jī) （80C196Wt機(jī)系統(tǒng)）控制回路由主控、測(cè)量、同步、脈沖輸出、信號(hào)輸入、 信號(hào)輸出及電源等部分組成。圖2-3 整流/充電器設(shè)計(jì)方案2.4 逆變器設(shè)計(jì)方案逆變器的功率單元采用IGBT&成的三相橋式逆變電路；IGBTW單元采 用日本富士公司生產(chǎn)的EXB84軀動(dòng)芯片組成

22、的驅(qū)動(dòng)電路；逆變控制系統(tǒng)設(shè) 計(jì)采用冗余設(shè)計(jì)方案：兩套由INTEL公司生產(chǎn)的16位微處理器80C196MC組成的控制系統(tǒng)1掰口控制系統(tǒng)2# （兩者互為備用）共用一組功率單元及其 驅(qū)動(dòng)單元。如圖2-4所示，逆變器的輸入來(lái)自整流/充電器的直流輸出，經(jīng)三相 IGB柞控逆變橋，在逆變控制系統(tǒng)SPWM制方式下產(chǎn)生SPWM沖波輸出，再經(jīng)特殊設(shè)計(jì)的隔離變壓器（原邊為三角形接法，副邊為星形接法）隔離、濾波后產(chǎn)生穩(wěn)壓穩(wěn)頻的正弦交流電輸出。 其中K功快速晶閘管組成的靜態(tài)2.5 旁路電源設(shè)計(jì)方案旁路電源是UP壞間斷電源不可缺少的部分，它分為靜態(tài)旁路電源和 維修旁路電源。靜態(tài)旁路是指利用靜態(tài)開關(guān)（一對(duì)反并聯(lián)的快速品閘管

23、組 成）來(lái)實(shí)現(xiàn)逆變器供電和旁路供電之間的同步切換。因?yàn)榭焖倮^電器的動(dòng) 作時(shí)間至少為幾毫秒，不能滿足不間斷供電的要求，而靜態(tài)開關(guān)的導(dǎo)通和 關(guān)斷時(shí)間僅為數(shù)十微秒，因此可實(shí)現(xiàn)負(fù)載的不間斷供電。維修旁路電源是 為電源裝置檢修、維修時(shí)的備用電源。旁路電源一般取自市電電網(wǎng)。本UP旁路系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖2-5所示，圖中只畫出了一相的電路示意 圖。圖2-5 UPS旁路電源設(shè)計(jì)方案 第三章 整流/充電器的設(shè)計(jì)整流/充電器在UP貨流不間斷電源裝置中的作用主要有兩個(gè)： 一是將 交流電整流為直流電，經(jīng)濾波供給逆變器；二是給蓄電池提供充電電壓， 對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。整流器電路形式有很多，典型整流電路有：三相或單 相橋式不可

24、控整流電路、三相或單相橋式半控整流電路、 三相或單相橋式 全控整流電路、帶平衡電抗器的12脈波整流電路等。大功率UP環(huán)間斷電源的整流/充電電路一般選用可控整流電路，這是 基于整流器和充電器合為一體的設(shè)計(jì)考慮。具體來(lái)說(shuō)：(1)通常希望逆變器能得到一個(gè)電壓穩(wěn)定的電源。但是由于種種因素 的影響，比如市電電壓變化頻繁，有時(shí)低于380V(三相交流電輸入)，甚至 低達(dá)340V;有時(shí)高于380V,甚至高達(dá)420可等，如果采用不可控整流電路， 將使得整流器的直流輸出不能保持穩(wěn)定。 只有采用可控整流電路，同時(shí)采 用必要的負(fù)反饋環(huán)節(jié)，自動(dòng)地調(diào)節(jié)脈沖相位，才能保證整流器的直流輸出 電壓的穩(wěn)定。(2)蓄電池充電電壓必

25、須能夠調(diào)節(jié)。不可控整流電路不能提供蓄電池 通常狀態(tài)下的浮充電壓和過(guò)放電以后的均充電壓 (均衡充電電壓)兩種不 同大小的電壓。因此采用可控整流電路比較好。在可控整流電路中，典型應(yīng)用電路是三相橋式全控整流電路。3.1 整流/充電器主回路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中的整流/充電電路采用常見(jiàn)的三相橋式全控整流電路。其電 路的基本原理這里不再詳細(xì)說(shuō)明。原理電路如下，圖中KPl6為品閘管。3.1.1 整流變壓器的設(shè)計(jì)由前面所述可知，三相電網(wǎng)電壓經(jīng)空氣開關(guān)和快速熔斷器后，接在一星形/三角形接法的變壓器的原邊。此變壓器屬整流變壓器，不同于一般 的電力變壓器。1 .整流變壓器在此設(shè)計(jì)中的作用整流變壓器在設(shè)計(jì)中的作用有三：(1)

26、它可擴(kuò)大整流電路中品閘管控制角的調(diào)節(jié)范圍，提高調(diào)節(jié)性能。(2)起隔離作用。它使整流電路與電網(wǎng)電源隔離開來(lái)，使它們之間不 發(fā)生電的直接聯(lián)系，這樣可減輕電網(wǎng)對(duì)整流 /充電電路的干擾和影響，同 時(shí)也減少了整流/充電電路對(duì)電網(wǎng)上其他用電設(shè)備的干擾。(3)降壓作用。整流變壓器將電網(wǎng)電壓變換成與負(fù)載相匹配的電壓，這有助于提高品閘管整流器的性能。 一般清況下，整流器的副邊次級(jí)電壓 低于原邊初級(jí)電壓，因此這里的整流變壓器屬降壓變壓器。 它的接線方式 要與同步變壓器接線相配合，以滿足主回路電路與同步電壓之間的相位關(guān) 系。2 .整流變壓器在設(shè)計(jì)上與一般電力變壓器的區(qū)別整流變壓器在設(shè)計(jì)上不同于一般的電力變壓器：(1

27、)接線方式上有嚴(yán)格要求。初級(jí)和次級(jí)繞組中要有一個(gè)接成三角形，一般以初級(jí)繞組接成三角形的居多， 這樣可避免供電電壓波形的畸變； 也 可避免負(fù)載發(fā)生不平衡時(shí)出現(xiàn)中心點(diǎn)浮動(dòng)。在三相四線制接法的輸入中， 整流變壓器只有接成星形/三角形。本設(shè)計(jì)中就屬這種情況。.專業(yè).專注.(2) 要求具有較高的絕緣強(qiáng)度。這是因?yàn)榫чl管整流電路發(fā)生過(guò)電壓的機(jī)會(huì)比較多。(3) 要求適當(dāng)增大變壓器的導(dǎo)線截面積，這是因?yàn)榫чl管整流電路較易發(fā)生短路而產(chǎn)生過(guò)電流?；?(2)(3) 的原因， 使得整流變壓器的體積比同等容量的電力變壓器體積要大。(4) 容量和變比設(shè)計(jì)根據(jù)本設(shè)計(jì)中UPS勺功率(20KVA)整流變壓器的容量可選1.5倍

28、UP領(lǐng) 定功率即30KVA變比要根據(jù)蓄電池的電壓而定。3.1.2 直流濾波電抗器和濾波電解電容的設(shè)計(jì)在圖3-1中，P1、N1兩端的整流輸出為脈動(dòng)的直流電壓，在這種直流電壓中還含有較多的交流成分，它不利于逆變器的工作和蓄電池的充電，所以不能直接送往逆變器和為蓄電池充電，必須經(jīng)過(guò)濾波。(1) 濾波電抗器LL的作用可歸結(jié)為以下三個(gè)方面：(2) 平波作用。整流電壓里含有對(duì)逆變器和蓄電池不利的交流成分，利用電抗器既能儲(chǔ)存能量又能放出能量的特點(diǎn)，在電路中接入電抗器 L減 小整流電壓脈動(dòng)程度，起到平波作用。(3) 續(xù)流作用。當(dāng)整流器的晶閘管控制角增大到一定值后，在某段時(shí)間內(nèi)橋式整流電路中各元件均不導(dǎo)通， 此

29、時(shí)整流器輸出電壓為零， 輸出電壓的波形出現(xiàn)了不連續(xù)， 輸出電流也就出現(xiàn)了不連續(xù)。 這必將影響逆變器和蓄電池的供電連續(xù)勝。如果接入了電抗器L,在這段時(shí)間內(nèi)電抗器將通過(guò)續(xù)流二極管所提供的通路， 把它儲(chǔ)存的能量釋放出來(lái)， 供給逆變器和蓄電池，形成導(dǎo)通回路，保證輸出電流的連續(xù)性。(4) 限制短路電流上升率的作用。當(dāng)直流側(cè)發(fā)生短路時(shí)，直流回路中的電流將猛然增大， 危及晶閘管和硅整流元件如整流二極管。 利用電抗器上電流不能突變的特點(diǎn)，在電流中接入電抗器后可限制短路電流的上升率，從而起動(dòng)保護(hù)整流器的作用。2 .濾波電容C電容C是大容量、高耐壓濾波電解電容，起平滑濾波作用。3 .L和C勺選用設(shè)計(jì)直流濾波器所用

30、L和C的大小根據(jù)整流/充電器的容量合理計(jì)算, 這里我們根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)取值。L-考慮電感量大小和電流，選1mH/600AC-考慮大小和耐壓值，選6800uF/450V兩片。3.1.3主回路電路綜上所述，本整流/充電器的主回路電路如圖3-2所示。在圖3-2主回路電路中。圖中各元件說(shuō)明如下：圖3-2 整流/充電器的主回路電路圖KK-空氣開關(guān)；ZB- 整流變壓器，接法為Y/11;RD1-3-整流輸入端保護(hù)熔斷器；RD4-整流輸出端保護(hù)熔斷器；Y R1-3-整流輸入端壓敏電阻保護(hù)；Y R4-整流輸出端壓敏電阻保護(hù)；S1-6- 整流器件：晶閘管SCRRI-6-晶閘管阻容吸收電阻；Cl-6-晶閘管阻容吸收電容；

31、LEM-霍爾電流傳感器；L 濾波電感；C7, C8 兩個(gè)完全相同的濾波電解電容；BI 蓄電池組；A 直流電流表；Y 直流電壓表。在圖3-2中，整流器件晶閘管SCR勺參數(shù)應(yīng)根據(jù)UPS勺容量和蓄電池的 端電壓大小來(lái)選取。其阻容吸收電路的電阻和電容可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式選取。3.2 整流 / 充電器控制設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)好整流/ 充電器的主回路電路后，進(jìn)一步的工作就是設(shè)計(jì)控制電路。 控制電路是整流充電器的核心， 因?yàn)闊o(wú)論是整流直流輸出作為逆變器的輸入的控制， 還是給蓄電池充、放電的控制， 必須保證控制可靠、 穩(wěn)定、有序。因此對(duì)控制電路的要求如下：(1) 晶閘管的觸發(fā)控制電路要輸出與主回路電路相同步的觸發(fā)脈沖；(2)

32、能調(diào)節(jié)整流輸出大小，以滿足對(duì)蓄電池充電的要求；(3) 保證整流輸出的穩(wěn)定，以利于逆變器和蓄電池的工作；(4) 整流器的起動(dòng)要平穩(wěn)，因而要控制起動(dòng)速度，限制起動(dòng)電流；(5) 抑制過(guò)載電流，要有限流保護(hù)和過(guò)、欠壓保護(hù)。根據(jù)上述要求，并緊密聯(lián)系當(dāng)前國(guó)內(nèi)外保護(hù)、控制領(lǐng)域的發(fā)展形勢(shì)，設(shè)計(jì)了以微機(jī)控制為核心的整流/ 充電控制系統(tǒng)。(6) .1 微處理器的選擇現(xiàn)在市場(chǎng)上應(yīng)用最為普遍的是8位單片機(jī)，但是在一些比較復(fù)雜的系統(tǒng)中，它就不得不讓位與16位單片機(jī)。在本設(shè)計(jì)中我選用MCS-9賽列單片 機(jī)，它除了適用于一般的信號(hào)處理系統(tǒng)外，對(duì)于要求實(shí)時(shí)處理、實(shí)時(shí)控制的各類自動(dòng)控制系統(tǒng)如工業(yè)控制系統(tǒng)、隨動(dòng)系統(tǒng)、分布式控制系

33、統(tǒng)、變頻調(diào)速系統(tǒng)等以及高級(jí)智能系統(tǒng)如高級(jí)智能儀器、 高性能的計(jì)算機(jī)外部設(shè)備控制器、 辦公自動(dòng)化設(shè)備控制器等都有其特有的優(yōu)勢(shì)。 它在下列幾個(gè)方面顯示出其優(yōu)越的性能和特點(diǎn)：(1)CPU的算術(shù)邏輯單元不采用常規(guī)的累加器結(jié)構(gòu)，改用寄存器-寄存 .專業(yè).專注.器結(jié)構(gòu)，CPUS作直接面向256字節(jié)甚至512字節(jié)的寄存器，消除了一般CPU 結(jié)構(gòu)中的累加器如 51系列單片機(jī)等的瓶頸效應(yīng)， 大大提高了操作速度和數(shù) 據(jù)吞吐能力。(2)256 或512字節(jié)寄存器中除了前端少量專用寄存器外，其余字節(jié)均為通用寄存器。 這樣多數(shù)量的通用寄存器就有可能為各中斷服務(wù)程序中的局部變量指定專門的寄存器， 免除了指定服務(wù)過(guò)程中保護(hù)

34、寄存器現(xiàn)場(chǎng)和恢復(fù)寄存器現(xiàn)場(chǎng)所支付的軟件開銷，并大大方便了程序的設(shè)計(jì)。(3) 指令系統(tǒng)執(zhí)行更快、效率更高。可以對(duì)帶符號(hào)數(shù)和不帶符號(hào)數(shù)進(jìn)行操作；還有符號(hào)擴(kuò)展、數(shù)據(jù)規(guī)格化 ( 用于浮點(diǎn)運(yùn)算) 等指令。另外，三操作數(shù)指令大大提高了指令效率。(4)在8OC196KC其以后的芯片中，增加了一個(gè)外設(shè)事務(wù)服務(wù)器 PTS, 專門用于處理外設(shè)中斷事務(wù)，它和普通中斷服務(wù)過(guò)程相比，PT網(wǎng)艮務(wù)大大減少了 CPU勺軟件開銷。(5)內(nèi)部帶有四路以上的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D) , 8OC196MC有多達(dá)13路 A/D,而且K劭后的芯片轉(zhuǎn)換位數(shù)8位和10位可選。A/D轉(zhuǎn)換器集成于芯片 內(nèi)部，大大增強(qiáng)了信號(hào)采樣電路的抗干擾能力，提

35、高了電路的可靠性。(6)具有高速輸入口 HSI和高速卒&出口 HSOE者比較/捕獲 COMPARE/CAPCO耐門對(duì)于處理與時(shí)間有關(guān)的事件以及某些特殊輸出提 供了極大的方便。當(dāng)然， MCS-96 系列單片機(jī)具有一般單片機(jī)所具有的全部外設(shè)裝置：振蕩器和時(shí)鐘發(fā)生器、定時(shí)器計(jì)數(shù)器、標(biāo)準(zhǔn)輸入 / 輸出口、全雙工異步或同步串行輸入 /輸出口、監(jiān)視定時(shí)器(Watchdog) 、片選輸出等。由此可看出，MCS-96K列16位單片機(jī)具有更豐富的軟、硬件資源，具 有更高的性能，它更適用于一些較復(fù)雜的系統(tǒng)中?；谝陨显颍菊n題中整流/ 充電器的控制電路采用了以 80C196KC單片機(jī)為主控的微機(jī)控制系統(tǒng)。它主要

36、由主控、測(cè)量與采集、脈沖輸出與同步、信號(hào)輸出以及電源等部分組成?？刂齐娐方M成框圖如圖 3-3 。圖3-3整流/充電器的控制電路組成框圖(7) .2整流/充電器的微機(jī)控制系統(tǒng)1 .整流/充電器的控制原理在UP環(huán)間斷電源中的整流器，除了供給逆變器直流輸入外，還須完 成對(duì)蓄電池的常規(guī)充電、快速充電、浮充電的功能。因此整流器的輸出是 隨著UP壞間斷電源工作狀態(tài)的變化而變化。下面具體說(shuō)明如何調(diào)節(jié)整流 電路的輸出。在圖3-1中，在接上負(fù)載后的整流輸出U d的大小為：Ud 1.35U L cos 2.34U2 cos(3-1)其中，Ud為整流器輸出的直流電源平均值；U L為整流變壓器初級(jí)線電壓；U 2為整流

37、變壓器次級(jí)相電壓；為品閘管控制角，即晶閘管觸發(fā)脈沖相位，是對(duì)應(yīng)于觸發(fā)脈沖出現(xiàn) 的時(shí)刻距自然換相點(diǎn)的電角度，又稱為延遲角。從公式3-1可看出，調(diào)節(jié)品閘管的控制角即可調(diào)節(jié)整流輸出。整流器提供給逆變器的直流輸入必須是穩(wěn)定的，這樣才能有利于逆變 器的正常工作，為此在設(shè)計(jì)中引入了電壓負(fù)反饋并采用了PID空制算法。即通過(guò)電壓傳感器對(duì)整流輸出電壓進(jìn)行取樣，與期望值進(jìn)行比較，根據(jù)差值進(jìn)行PID控制，從而實(shí)現(xiàn)整流輸出的穩(wěn)定。2 .主控電路設(shè)計(jì)基于80C196I片機(jī)豐富的內(nèi)部資源，整流/充電器主控電路以80C196 芯片為核心，只擴(kuò)展了一片程序存貯器27C64,輔以地址鎖存器74HC373 復(fù)位電路、參考電壓電路

38、及振蕩電路。程序存貯器的片選信號(hào)直接取自80C196勺地址線AD15地址范圍為:2000H-3FFFHo復(fù)位電路見(jiàn)圖3-4。工作原理是：復(fù)位電路接收到硬件或軟件復(fù)位信息 （上電復(fù)位、監(jiān)視定時(shí)器溢出、執(zhí)行復(fù)位指 RST）后，都會(huì)使單片機(jī)RESET 引腳的電位變低。圖3-4所示的復(fù)位電路具有上電復(fù)位功能。上電時(shí)通過(guò) R, C!路向電容 蕊電使單片機(jī)RESET腳保持在低電平狀態(tài)，隨著復(fù)位電 容充電電壓的升高，RESETI腳電位變成高電平，完成上電復(fù)位。圖中的二極管D為復(fù)位電容C4掉電的情況下提供了一條迅速放電的 通路，這樣可保證芯片的反復(fù)上電的情況下可靠地復(fù)位。45RRESET J手CSSA圖3-4

39、 80C196單片機(jī)復(fù)位電路參考電壓電路是為采樣A/D轉(zhuǎn)換電路提供參考基準(zhǔn)電壓。通過(guò)電阻降 壓、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓獲得。基準(zhǔn)電壓源采用LM336-5.OV它是一種新型帶隙基 準(zhǔn)電壓源，具有溫度系數(shù)小、動(dòng)態(tài)阻抗低、工作電流范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用 電路見(jiàn)圖3-5。其中振蕩電路晶振頻率采用8MHZ振蕩電容選33pF。+15R1Cl 3E M3蚪5.專業(yè).專注.圖 3-5 參考電壓電路3 . 脈沖輸出與同步電路設(shè)計(jì)如圖 3-1 中，為了保證整流橋在合閘上電后共陰極組和共陽(yáng)極組各有一個(gè)晶閘管導(dǎo)通， 或者由于電流斷續(xù)后能再次導(dǎo)通， 必須對(duì)兩組中應(yīng)導(dǎo)通的一對(duì)晶閘管同時(shí)施加觸發(fā)脈沖。 為此可有兩種觸發(fā)方式： 寬脈沖觸發(fā)方

40、式和雙窄脈沖觸發(fā)方式。寬脈沖觸發(fā)是指使每個(gè)觸發(fā)脈沖的寬度60 （ 一般取 80 - 100 ） ；雙窄脈沖觸發(fā)是指在觸發(fā)某一號(hào)晶閘管的同時(shí)給前一號(hào)晶閘管補(bǔ)發(fā)一個(gè)脈沖，相當(dāng)于用兩個(gè)窄脈沖等效替代大于 60 的寬脈沖。 雙窄脈沖觸發(fā)方式中， 在一個(gè)周期內(nèi)對(duì)每個(gè)晶閘管需要連續(xù)觸發(fā)兩次，兩次脈沖前沿的間隔 60 ，這種觸發(fā)方式雖然比較復(fù)雜，但它可減少觸發(fā)電路的輸出功率， 減小脈沖變壓器的鐵心體積。 寬脈沖觸發(fā)方式中雖然脈沖次數(shù)減少一半， 但是為了不讓脈沖變壓器飽和， 其鐵心體積必然做得大些，繞組匝數(shù)多些，因而漏感增大，導(dǎo)致脈沖前沿不夠陡，增加去磁繞組可改變這個(gè)情況， 但又使裝置復(fù)雜化。 因此， 在本整

41、流器觸發(fā)控制設(shè)計(jì)中，采用了雙窄脈沖強(qiáng)觸發(fā)方式。脈沖來(lái)自單片機(jī)8OC19的高速輸出口HSO0 5 （通過(guò)編程產(chǎn)生六路觸發(fā)脈沖波） 。80C196I片機(jī)的高速輸出口 HSO；晶閘管觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生提供了極大 的方便。HS應(yīng)用于按程序設(shè)定的時(shí)間去觸發(fā)某一事件，要求CPU勺開銷極 少，因此速度塊。利用HSOT產(chǎn)生寬度和周期符合晶閘管觸發(fā)要求的脈沖。方法即是通 過(guò)設(shè)定HSO.X勺正跳和負(fù)跳時(shí)間。利用80C196I片機(jī)的HSO0 5產(chǎn)生六路晶 閘管觸發(fā)脈沖的原理就是按照整流電路中晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通的規(guī)律， 在一周 期內(nèi)編程產(chǎn)生六路具有一定寬度和周期的雙脈沖， 再經(jīng)功率放大電路、 隔 離電路以及脈沖變壓器得到符合

42、晶閘管觸發(fā)要求的觸發(fā)脈沖。晶閘管觸發(fā)脈沖必須是具有一定寬度、 幅值和陡沿的脈沖信號(hào)。 一般 來(lái)說(shuō)，觸發(fā)脈沖寬度為400uS,幅值10右，而且前沿要陡峭。晶閘管觸 發(fā)電流一般為mAt而單片機(jī)輸出口驅(qū)動(dòng)電流只有幾百uA,因此必須進(jìn)行 功率放大，本設(shè)計(jì)中采用驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)的MC141芯片。經(jīng)驅(qū)動(dòng)后的驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)幾百mA采用光電隔離是避免單片機(jī)弱電工作電路不受主回路強(qiáng)電電路的干擾。采用脈沖變壓器是基于匹配品閘管門極觸發(fā)電壓的考慮。脈沖輸出電路如圖3-6所示。本節(jié)一開始，在控制電路要求中就提出品閘管的觸發(fā)脈沖必須與主回路電路相同步，因此要設(shè)計(jì)同步電路以保證觸發(fā)脈沖與主回路的同步。同步電路取自主回路三相輸入

43、的 片目，它經(jīng)濾波、比較產(chǎn)生同步脈沖 信號(hào)，見(jiàn)圖3-7所示。圖3-6脈沖輸出電路圖3-7 同步電路4 .測(cè)量與信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)信號(hào)采集與測(cè)量包括開關(guān)量和模擬量的采集和測(cè)量。信號(hào)采集是針對(duì)80C196單片機(jī)而言的，為實(shí)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果的顯示及保 護(hù)等功能，必須有采集計(jì)算電路。利用80C196I片機(jī)的8路10位A/D,8/ 數(shù)轉(zhuǎn)換器以及CPU勺計(jì)算處理功能，可方便地處理測(cè)量結(jié)果和保護(hù)整定。 但是，進(jìn)入單片機(jī)的信號(hào)必須是經(jīng)過(guò)調(diào)理的信號(hào)，它要求符合以下條件：(1)信號(hào)必須是非負(fù)的，而且幅值不能超過(guò) 5V;(2)進(jìn)入單片機(jī)輸入口的信號(hào)是電壓信號(hào)；(3)輸入信號(hào)不能干擾單片機(jī)的正常工作。因此，進(jìn)入單片機(jī)的信號(hào)必

44、須經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)奶幚?。?duì)于電信號(hào)有電壓和電流信號(hào)，在進(jìn)入單片機(jī)之前電流信號(hào)要轉(zhuǎn)換為 電壓信號(hào)，利用電阻即可實(shí)現(xiàn)；對(duì)于高壓、交變信號(hào)要轉(zhuǎn)換成低壓非負(fù)信 號(hào)才能進(jìn)入單片機(jī)。模擬電壓信號(hào)有交流電壓信號(hào)和直流電壓信號(hào)， 對(duì)應(yīng)單片機(jī)的采集方 法有交流采集和直流采集。不管哪種采集方法，進(jìn)入單片機(jī)的信號(hào)都必須 符合上面提出的三個(gè)要求。因此，對(duì)于交流信號(hào)，還要考慮將交變的信號(hào)轉(zhuǎn)換為非負(fù)信號(hào)的問(wèn)題。在本整流/充電器的設(shè)計(jì)中，采用直流采樣。交流輸入電壓的過(guò)、欠壓保護(hù)均通過(guò)整流后的整流輸出值進(jìn)行整定保護(hù)。因此本設(shè)計(jì)中模擬采集量包括整流輸出電壓和電流。它們是通過(guò)霍爾電壓、電流傳感器傳送來(lái)的, 它們有降壓、隔離的功能。從傳

45、感器傳送來(lái)的信號(hào)因含有諧波等干擾信號(hào)， 不能直接進(jìn)入單片機(jī)，須經(jīng)過(guò)濾波、緩沖等環(huán)節(jié)。濾波采用 R C濾波， 緩沖采用電壓跟隨器，如圖3-8所示。圖3-8 直流采樣電路5 .信號(hào)輸出電路設(shè)計(jì)信號(hào)輸出包括狀態(tài)信號(hào)輸出如開關(guān)量的輸出、指示燈的狀態(tài)。開關(guān)量輸出有保護(hù)繼電器、光字牌、調(diào)壓開關(guān)等。與開關(guān)量的輸入類 似，開關(guān)量的輸出要有光電隔離、驅(qū)動(dòng)等環(huán)節(jié)。開關(guān)量輸出的典型電路見(jiàn) 圖 3-9。圖3-9 開關(guān)量輸出電路指示燈是利用發(fā)光二極管的點(diǎn)亮與熄滅兩種二選狀態(tài)來(lái)指示裝置各 部分的工作正常與否，如Vcc、Vp、交流或直流輸入電源的有無(wú)。裝置的過(guò)、欠壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、同步保護(hù)是通過(guò)指示燈和繼電器同 時(shí)進(jìn)行的，

46、一方面指示故障類型，另一方面保護(hù)繼電器動(dòng)作，保護(hù)裝置。6 .工作電源設(shè)計(jì)裝置的工作電源對(duì)整個(gè)裝置工作的重要性是不言而喻的，因?yàn)橐坏┕ぷ麟娫闯霈F(xiàn)故障，整個(gè)裝置就陷入癱瘓狀態(tài)，正常工作就無(wú)從談起。因此 工作電源必須可靠、精確。本整流/充電器的工作電源設(shè)計(jì)采用以小型開關(guān)電源模塊為中心的設(shè)計(jì)方案。此小型開關(guān)電源模塊可輸出 +5V(Vss), +15V -15V、+24V(GND) 等幾種裝置必須的工作電壓。它的輸入為交流220VE直流220V?；谡麄€(gè) 裝置控制電路工作功率的考慮，此開關(guān)電源模塊輸出電流為5V/1A,24V/0.5A, 15V/0.3A、-15V/0.3A 等幾種。對(duì)于放大器的工作電源

47、，TL08妙用 15V, LM324白勺V以J +6.2V, V- 為-0.7V,它們分別由如圖3-10所示的電路獲得。+151Snai 帕+snvmtvT53A圖3-10 放大器工作電源電路.專業(yè).專注.(8) .3 整流 / 充電器的控制軟件設(shè)計(jì)由于本論文是在已開發(fā)的直流充電裝置的基礎(chǔ)上進(jìn)行的， 因此它就作為了本設(shè)計(jì)中的UPSI流/充電器。此裝置現(xiàn)已在很多地方運(yùn)行、使用，技術(shù)非常成熟。并且整流/ 充電器的軟件設(shè)計(jì)不是本論文的重點(diǎn)，在此就不作具體介紹了。需要強(qiáng)調(diào)的是，由于蓄電池在UP杯間斷電源中的重要作用，作為給 蓄電池充、放電的整流/充電器在UP舟也是至關(guān)重要的，這里也不再作為 重點(diǎn)的研究

48、說(shuō)明。第四章 逆變器的設(shè)計(jì)在整流 / 充電器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，本章進(jìn)行逆變器的設(shè)計(jì)，以完成從直流向交流的轉(zhuǎn)變。逆變器是在線式交流UP杯間斷電源的核心，因?yàn)樵谠诰€式 UP添統(tǒng)中， 無(wú)論市電正常與否， 逆變電路都必須正常工作， 除非逆變器發(fā)生故障，這是在線式UPS勺特點(diǎn)決定的。因此，逆變器的設(shè)計(jì)在整個(gè)UPSS計(jì)中顯得 尤為重要。4.1 PWM逆變器的原理逆變是將直流電變?yōu)榻涣麟?，?shí)現(xiàn)逆變的電路稱為逆變電路。UPS不 間斷電源的交流輸出側(cè)直接和負(fù)載相連，其中的逆變電路屬于無(wú)源逆變。在許多場(chǎng)合，電網(wǎng)提供的 50Hz 工頻電源不能滿足負(fù)載的特殊需要。UP杯間斷電源的負(fù)載就是那些對(duì)電源的電壓和頻率的穩(wěn)定性(2

49、20V/380V,5OHz波形畸變等有著嚴(yán)格的要求，且絕不允許瞬時(shí)停電的特殊負(fù)載。逆變器的主要功能就是將整流/ 充電器輸出的直流電壓變換成穩(wěn)壓穩(wěn)頻CVCF(Constant Voltage Constant Frequency) 的交流電。4.1.1 逆變電路及其控制方式1 . 三相橋式逆變電路逆變最基本的電路就是橋式電路。三相橋式逆變電路原理電路如圖4-1 所示。圖中的開關(guān)S1-6 代表實(shí)際電路中的電力電子功率開關(guān)器件。 只要開關(guān)按照一定的規(guī)律斷開和閉合就能將直流電變?yōu)榻涣麟?。圖4-1三相橋式逆變電路原理圖在實(shí)際電路中，開關(guān)的切換(換相)通過(guò)換相電路或控制脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)。 換相是逆變電路中一個(gè)十

50、分重要的概念，因?yàn)閷?shí)際電路中的電力電子開關(guān) 器件并不是理想開關(guān)，它們的開通和關(guān)斷必須在一定的控制條件下進(jìn)行。 無(wú)論是全控型還是半控型電力電子器件，只要給控制極適當(dāng)?shù)男盘?hào)，就可 以使其導(dǎo)通；但是關(guān)斷時(shí)的情況就不同，全控型器件可以用控制極信號(hào)使 其關(guān)斷，而半控型的器件，必須采用一定的外部條件或措施才能使其關(guān)斷。 對(duì)于有自關(guān)斷能力的器件來(lái)說(shuō)，換相可通過(guò)自身來(lái)完成，稱為器件換相； 否則要借助其他手段來(lái)實(shí)現(xiàn)換相，如電網(wǎng)換相、負(fù)載換相、電容換相。在本UPS間斷電源設(shè)計(jì)中，逆變器的直流輸入側(cè)來(lái)自整流器的整流 輸出或者蓄電池的直流輸出，屬于電壓源，因此本設(shè)計(jì)中的逆變電路屬于 電壓型逆變電路。它一般采用180導(dǎo)

51、電模式，即在一個(gè)周期內(nèi)每個(gè)臂導(dǎo)通 180 。2 .控制方式電壓型逆變電路的典型控制方式有相控和PW雕制兩種。相控是指控制觸發(fā)脈沖的相位，即脈沖觸發(fā)時(shí)刻來(lái)改變輸出電壓脈沖 的寬度，從而得到調(diào)節(jié)逆變輸出電壓的作用。 這種控制方式輸出電壓為矩 形波，其中含有較多的諧波，對(duì)負(fù)載有不利的影響；且功率因數(shù)不高，調(diào) 節(jié)時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢。采用PWM6制方式能夠較好地克服上述缺點(diǎn)。PWM(Pulse Width Modulation)即脈沖寬度調(diào)制控制方式就是對(duì)逆變 電路開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，使之輸出一系列幅值相等、寬度不等的脈 沖，用這些脈沖來(lái)代替正弦波或所需要的波形。按照一定的規(guī)則，對(duì)各脈 沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，

52、既可改變逆變輸出電壓的大小，又可改變輸出頻率。理論和實(shí)踐證明PWME變電路具有很強(qiáng)的諧波抑制能力。同時(shí)，它還具有 下列特點(diǎn)：(1) 逆變輸出波形接近正弦波；(2)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快；(3)功率因數(shù)高。隨著自關(guān)斷器件的出現(xiàn)并成熟后,PWM6制技術(shù)得到了很快的發(fā)展, PWMK逆變電路獲得了廣泛的應(yīng)用。如今，PWM6制技術(shù)己成為電力電子技術(shù)中一個(gè)非常重要的組成部分，它對(duì)提高電力電子裝置的性能，推動(dòng)電 力電子技術(shù)的發(fā)展起著巨大作用。4.1.2 PWM逆變器的基本原理及PW瞰的生成方法正因?yàn)镻W肺制技術(shù)的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用,逆變電路越來(lái)越多地采 用PWM6制方式。下面詳述PW質(zhì)變器的基本原理。1 .PWM空制的

53、基本原理在采樣控制理論中，有一個(gè)重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖 加在具有慣性的環(huán)節(jié)上，其效果基本相同即環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相 同。這個(gè)結(jié)論是PWM6制的重要理論基礎(chǔ)。下面以正弦脈寬調(diào)制 SPWMb 例說(shuō)明PW肺制的基本原理。(a)(b)圖4-2 PWM控制的基本原理示意圖如圖4-2所示，在圖4-2a中，將正弦半波分成N等份，把正弦半波看成由N個(gè)彼此相連的脈沖所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都等于 n/N,但幅值不等，脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按 正弦規(guī)律變化。如果此脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序 列代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦等分的中點(diǎn)重合，并且使矩

54、形脈沖和相應(yīng)正弦部分面積即沖量相等，就得到了如圖4-2b所示的脈沖序列。這就是PW隴形。從中可看出PW解脈沖的寬度是按正弦規(guī)律變化的。 根 據(jù)沖量相等效果相同的原理，此PWMft形和正弦半波是等效的。對(duì)于正弦 負(fù)半周，可用同樣的方法得到相應(yīng)的PW隴形。這種脈沖的寬度按正弦規(guī) 律變化而和正弦波等效的PWMft形，成為SPW肢形。在PWMfc形中，要改變等效輸出正弦波的幅值只要按同一比例改變各 脈沖的寬度即可。2 .利用80C196Mo片機(jī)產(chǎn)生SPW跛形根據(jù)上面分析的原理，我們選用80C196MCE產(chǎn)生SPW跛形。下面分析 80C196Mo片機(jī)內(nèi)部 PW峨形發(fā)生器 WFG （ Wave Form

55、Generator） 的原理及如何產(chǎn)生SPW跛形。圖4-3給出了 WFG勺原理框圖。圖4-3 80C196MC產(chǎn)生SPW械形原理框圖WFGt三個(gè)同步的PWM1塊，可輸出三相互補(bǔ)PWMS形。三對(duì)輸出為WG和/WGI, WG和/WG2,WG刷/WG3輸出受 WG_OUT用寄存器的控制。WG OUTS存器確定 WFG寸基計(jì)數(shù)器白計(jì)數(shù)方式（向上或向下）、工作 方式（方式0、1、2、3）。下面以中心對(duì)準(zhǔn)工作方式 0為例說(shuō)明 WFCF生PWMfc的原理。當(dāng)WFG勺時(shí)基發(fā)生器開始工作時(shí)，時(shí)基計(jì)數(shù)器開始向上計(jì)數(shù)，原始輸 出有效。當(dāng)計(jì)數(shù)器的值和相位比較寄存器的值相等時(shí)即WG_COUNT=WGCOM時(shí)，輸出變?yōu)闊o(wú)

56、效。然后計(jì)數(shù)器繼續(xù)向上計(jì)數(shù)，直至WG_COUNT=WGRELOAD計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)達(dá)到峰頂時(shí)，產(chǎn)生一次 WGJ斷，發(fā)生一次相位比 較寄存器修改值的重裝載。隨后計(jì)數(shù)器向下計(jì)數(shù)，這期間一對(duì)互補(bǔ)輸出均 無(wú)效，直至 WGLCOUNTI次等于相位寄存器 WGLCOM曲值，輸出又變?yōu)?有效，直至 WGLCOUNR一次等于 WGLCOM輸出再次變?yōu)闊o(wú)效。如此反 復(fù)，在 WG刑/WGx產(chǎn)生一又t互補(bǔ)PWMJ出波形，如圖4-4所示。圖中：WG RELOAD ,、4(us)(4-1)TcWFGT-dead/WG1 I I IWG1 n n n圖4-4 波形發(fā)生器產(chǎn)生中心對(duì)準(zhǔn) PWM其中Tc為三角載波周期，F(xiàn)xtal為單片機(jī)的晶振頻率。為防止一對(duì)同時(shí)有效的互補(bǔ) PWMK作用于逆變器的上下臂產(chǎn)生直通 問(wèn)題，保證WFG勺輸出產(chǎn)生不交疊的波形，W