【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 I蓄電池組；A直流電流表；V直流電壓表。在圖32中，整流器件晶閘管SCR的參數(shù)應(yīng)根據(jù)UPS的容量和蓄電池的端電壓大小來選取。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。 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?？刂齐娐肥钦鞒潆娖鞯暮诵?，因?yàn)闊o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)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)抑制過載電流，要有限流保護(hù)和過、欠壓保護(hù)。根據(jù)上述要求，并緊密聯(lián)系當(dāng)前國內(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)。 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MCS96系列單片機(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)，改用寄存器寄存器結(jié)構(gòu)，CPU操作直接面向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)過程中保護(hù)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?？梢詫?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及其以后的芯片中，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)過程相比，PTS服務(wù)大大減少了CPU的軟件開銷。(5)內(nèi)部帶有四路以上的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)，8OC196MC具有多達(dá)13路A/D，而且KB以后的芯片轉(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，提高了電路的可靠性。(6)具有高速輸入口HSI和高速輸出口HSO或者比較/捕獲 COMPARE/CAPCOMP，它們對(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，MCS96 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，MCS96系列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?，本課題中整流/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33。80C196單片機(jī)主控系統(tǒng)小型開關(guān)電源模塊測(cè) 量同 步給 定脈沖輸出保護(hù)出口信號(hào)輸出+24V（Vp）GND15V+15VVSS+5V（VCC）AC220V或DC220V圖33 整流/充電器的控制電路組成框圖 整流/充電器的微機(jī)控制系統(tǒng)在UPS不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UPS不間斷電源工作狀態(tài)的變化而變化。下面具體說明如何調(diào)節(jié)整流電路的輸出。在圖31中，在接上負(fù)載后的整流輸出的大小為: （31）其中，為整流器輸出的直流電源平均值；為整流變壓器初級(jí)線電壓；為整流變壓器次級(jí)相電壓；為晶閘管控制角，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31可看出，調(diào)節(jié)晶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控制算法。即通過電壓傳感器對(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?；?0C196單片機(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、參考電壓電路及振蕩電路。程序存貯器的片選信號(hào)直接取自80C196的地址線AD15，地址范圍為:2000H3FFFH。復(fù)位電路見圖34。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34所示的復(fù)位電路具有上電復(fù)位功能。上電時(shí)通過R, C通路向電容C充電使單片機(jī)RESET引腳保持在低電平狀態(tài)，隨著復(fù)位電容充電電壓的升高，RESET引腳電位變成高電平，完成上電復(fù)位。圖中的二極管D為復(fù)位電容C在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。圖34 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。通過電阻降壓、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓獲得。，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)用電路見圖35。其中振蕩電路晶振頻率采用8MHZ,振蕩電容選33pF。圖35 參考電壓電路如圖31中，為了保證整流橋在合閘上電后共陰極組和共陽極組各有一個(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(一般取)；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，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。脈沖來自單片機(jī)8OC196的高速輸出口(通過編程產(chǎn)生六路觸發(fā)脈沖波)。80C196單片機(jī)的高速輸出口HSO為晶閘管觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生提供了極大的方便。HSO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的開銷極少，因此速度塊。利用HSO可產(chǎn)生寬度和周期符合晶閘管觸發(fā)要求的脈沖。利用80C196單片機(jī)的產(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)。一般來說，觸發(fā)脈沖寬度為400uS，幅值10V左右，而且前沿要陡峭。晶閘管觸發(fā)電流一般為mA級(jí)，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MC1413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晶閘管門極觸發(fā)電壓的考慮。脈沖輸出電路如圖36所示。本節(jié)一開始，在控制電路要求中就提出晶閘管的觸發(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的A相，它經(jīng)濾波、比較產(chǎn)生同步脈沖信號(hào)，見圖37所示。圖36 脈沖輸出電路圖37 同步電路信號(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80C196單片機(jī)的8路10位A/D 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器以及CPU的計(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)必須經(jīng)過適當(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、欠壓保護(hù)均通過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。它們是通過霍爾電壓、電流傳感器傳送來的，它們有降壓、隔離的功能。從傳感器傳送來的信號(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38所示。圖38 直流采樣電路信號(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圖39。圖39 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。裝置的過、欠壓保護(hù)、過流保護(hù)、同步保護(hù)是通過指示燈和繼電器同時(shí)進(jìn)行的，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。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220V或直流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/, 15V/、15V/。對(duì)于放大器的工作電源，TL084選用15V, LM324的V+為+, ,它們分別由如圖310所示的電路獲得。圖310 放大器工作電源電路 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UPS整流/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UPS不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UPS中也是至關(guān)重要的，這里也不再作為重點(diǎn)的研究說明。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UPS不間斷電源的核心，因?yàn)樵谠诰€式UPS系統(tǒng)中，無論市電正常與否，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的特點(diǎn)決定的。因此，逆變器的設(shè)計(jì)在整個(gè)UPS設(shè)計(jì)中顯得尤為重要。 PWM逆變器的原理 逆變是將直流電變?yōu)榻涣麟?實(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。UPS不間斷電源的負(fù)載就是那些對(duì)電源的電壓和頻率的穩(wěn)定性(220V/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。 逆變電路及其控制方式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41所示。 圖中的開關(guān)S16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41三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)通過換相電路或控制脈沖來實(shí)現(xiàn)。換相是逆變電路中一個(gè)十分重要的概念，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)斷能力的器件來說，換相可通過自身來完成，稱為器件換相；否則要借助其他手段來實(shí)現(xiàn)換相，如電網(wǎng)換相、負(fù)載換相、電容換相。 在本UPS不間斷電源設(shè)計(jì)中，逆變器的直流輸入側(cè)來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。它一般采用導(dǎo)電模式，即在一個(gè)周期內(nèi)每個(gè)臂導(dǎo)通。 電壓型逆變電路的典型控制方式有相控和PWM控制兩種。 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。