隨著計算機(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)計方法，根據(jù)設(shè)計思想制作了一臺樣機(jī)，得到了較好的實驗結(jié)果。

1 主電路的設(shè)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(guān)向負(fù)載供電。系統(tǒng)設(shè)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(shè)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(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)位后延時一段時間，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，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(guān)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(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)控制運算，獲得相應(yīng)的SPWM控制信號輸出。該單片機(jī)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(hù)蓄電池，防止過度放電，需要對直流側(cè)電壓進(jìn)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，**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 鎖相同步的實現(xiàn)
在UPS的設(shè)計中，鎖相同步技術(shù)是衡量UPS系統(tǒng)性能好壞的一個重要指標(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(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)脈寬計算產(chǎn)生SPWM波形輸出。正弦指針為零時對應(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(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中斷程序中實現(xiàn)。
2.4 切換電路的設(shè)計
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間為幾μs，關(guān)斷時間約為幾百μs，開、關(guān)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(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，首先，去掉V1和V2上的門極觸發(fā)信號，假設(shè)這時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(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，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(shè)計思路制作了一臺5kW樣機(jī)，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(dāng)電網(wǎng)斷電時，從電網(wǎng)切換到逆變器輸出時的負(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，切換時間約2ms左右，能滿足負(fù)載和用戶要求。　國標(biāo)GB的條文解釋指出：固定型閥控式密閉（免維護(hù)）鉛酸蓄電池與堿性鎘鎳蓄電池在充放電過程中排出的電解液氣體及氫、氧氣很少，故其充電用整流設(shè)備可裝設(shè)在同一房間內(nèi)。這條規(guī)范規(guī)定閥控鉛酸電池可以和整流設(shè)備設(shè)在一個房間，整流設(shè)備如UPS等均為非防爆設(shè)備，可以理解為閥控鉛酸電池和整流設(shè)備布置到一個房間時，可按正常環(huán)境考慮