【文章內容簡介】 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)應根據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經驗公式選取。 整流/充電器控制設計設計好整流/充電器的主回路電路后，進一步的工作就是設計控制電路?？刂齐娐肥钦鞒潆娖鞯暮诵?，因為無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)能調節(jié)整流輸出大小，以滿足對蓄電池充電的要求；(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)整流器的起動要平穩(wěn)，因而要控制起動速度，限制起動電流；(5)抑制過載電流，要有限流保護和過、欠壓保護。根據上述要求，并緊密聯(lián)系當前國內外保護、控制領域的發(fā)展形勢，設計了以微機控制為核心的整流/充電控制系統(tǒng)。 微處理器的選擇現(xiàn)在市場上應用最為普遍的是8位單片機，但是在一些比較復雜的系統(tǒng)中，它就不得不讓位與16位單片機。在本設計中我選用MCS96系列單片機，它除了適用于一般的信號處理系統(tǒng)外，對于要求實時處理、實時控制的各類自動控制系統(tǒng)如工業(yè)控制系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)、分布式控制系統(tǒng)、變頻調速系統(tǒng)等以及高級智能系統(tǒng)如高級智能儀器、高性能的計算機外部設備控制器、辦公自動化設備控制器等都有其特有的優(yōu)勢。它在下列幾個方面顯示出其優(yōu)越的性能和特點：(1)CPU的算術邏輯單元不采用常規(guī)的累加器結構，改用寄存器寄存器結構，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結構中的累加器如51系列單片機等的瓶頸效應，大大提高了操作速度和數(shù)據吞吐能力。(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程序中的局部變量指定專門的寄存器，免除了指定服務過程中保護寄存器現(xiàn)場和恢復寄存器現(xiàn)場所支付的軟件開銷，并大大方便了程序的設計。(3)指令系統(tǒng)執(zhí)行更快、效率更高?？梢詫Х枖?shù)和不帶符號數(shù)進行操作；還有符號擴展、數(shù)據規(guī)格化(用于浮點運算)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，增加了一個外設事務服務器PTS,專門用于處理外設中斷事務，它和普通中斷服務過程相比，PTS服務大大減少了CPU的軟件開銷。(5)內部帶有四路以上的模/數(shù)轉換器(A/D)，8OC196MC具有多達13路A/D，而且KB以后的芯片轉換位數(shù)8位和10位可選。A/D轉換器集成于芯片內部，大大增強了信號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，它們對于處理與時間有關的事件以及某些特殊輸出提供了極大的方便。當然，MCS96 系列單片機具有一般單片機所具有的全部外設裝置：振蕩器和時鐘發(fā)生器、定時器計數(shù)器、標準輸入/輸出口、全雙工異步或同步串行輸入/輸出口、監(jiān)視定時器(Watchdog)、片選輸出等。由此可看出，MCS96系列16位單片機具有更豐富的軟、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單片機為主控的微機控制系統(tǒng)。它主要由主控、測量與采集、脈沖輸出與同步、信號輸出以及電源等部分組成。控制電路組成框圖如圖33。80C196單片機主控系統(tǒng)小型開關電源模塊測 量同 步給 定脈沖輸出保護出口信號輸出+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節(jié)整流電路的輸出。在圖31中，在接上負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；為整流變壓器初級線電壓；為整流變壓器次級相電壓；為晶閘管控制角，即晶閘管觸發(fā)脈沖相位，是對應于觸發(fā)脈沖出現(xiàn)的時刻距自然換相點的電角度，又稱為延遲角。從公式31可看出，調節(jié)晶閘管的控制角即可調節(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，為此在設計中引入了電壓負反饋并采用了PID控制算法。即通過電壓傳感器對整流輸出電壓進行取樣，與期望值進行比較，根據差值進行PID控制，從而實現(xiàn)整流輸出的穩(wěn)定?；?0C196單片機豐富的內部資源，整流/充電器主控電路以80C196芯片為核心，只擴展了一片程序存貯器27C64,輔以地址鎖存器74HC373，復位電路、參考電壓電路及振蕩電路。程序存貯器的片選信號直接取自80C196的地址線AD15，地址范圍為:2000H3FFFH。復位電路見圖34。工作原理是:復位電路接收到硬件或軟件復位信息(上電復位、監(jiān)視定時器溢出、執(zhí)行復位指RST)后，都會使單片機RESET引腳的電位變低。圖34所示的復位電路具有上電復位功能。上電時通過R, C通路向電容C充電使單片機RESET引腳保持在低電平狀態(tài)，隨著復位電容充電電壓的升高，RESET引腳電位變成高電平，完成上電復位。圖中的二極管D為復位電容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上電的情況下可靠地復位。圖34 80C196單片機復位電路參考電壓電路是為采樣A/D轉換電路提供參考基準電壓。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電壓源，具有溫度系數(shù)小、動態(tài)阻抗低、工作電流范圍寬等優(yōu)點。應用電路見圖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晶閘管導通，或者由于電流斷續(xù)后能再次導通，必須對兩組中應導通的一對晶閘管同時施加觸發(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)某一號晶閘管的同時給前一號晶閘管補發(fā)一個脈沖，相當于用兩個窄脈沖等效替代大于的寬脈沖。雙窄脈沖觸發(fā)方式中，在一個周期內對每個晶閘管需要連續(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，導致脈沖前沿不夠陡，增加去磁繞組可改變這個情況，但又使裝置復雜化。因此，在本整流器觸發(fā)控制設計中，采用了雙窄脈沖強觸發(fā)方式。脈沖來自單片機8OC196的高速輸出口(通過編程產生六路觸發(fā)脈沖波)。80C196單片機的高速輸出口HSO為晶閘管觸發(fā)脈沖的產生提供了極大的方便。HSO應用于按程序設定的時間去觸發(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單片機的產生六路晶閘管觸發(fā)脈沖的原理就是按照整流電路中晶閘管觸發(fā)導通的規(guī)律，在一周期內編程產生六路具有一定寬度和周期的雙脈沖，再經功率放大電路、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。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，而單片機輸出口驅動電流只有幾百uA，因此必須進行功率放大，本設計中采用驅動能力較強的MC1413芯片。經驅動后的驅動電流可達幾百mA。采用光電隔離是避免單片機弱電工作電路不受主回路強電電路的干擾。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，因此要設計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，它經濾波、比較產生同步脈沖信號，見圖37所示。圖36 脈沖輸出電路圖37 同步電路信號采集與測量包括開關量和模擬量的采集和測量。信號采集是針對80C196 單片機而言的，為實現(xiàn)測量結果的顯示及保護等功能，必須有采集計算電路。利用80C196單片機的8路10位A/D 模/數(shù)轉換器以及CPU的計算處理功能，可方便地處理測量結果和保護整定。但是，進入單片機的信號必須是經過調理的信號，它要求符合以下條件：(1)信號必須是非負的，而且幅值不能超過5V；(2)進入單片機輸入口的信號是電壓信號；(3)輸入信號不能干擾單片機的正常工作。因此，進入單片機的信號必須經過適當?shù)奶幚怼τ陔娦盘栍须妷汉碗娏餍盘?，在進入單片機之前電流信號要轉換為電壓信號，利用電阻即可實現(xiàn)；對于高壓、交變信號要轉換成低壓非負信號才能進入單片機。 模擬電壓信號有交流電壓信號和直流電壓信號，對應單片機的采集方法有交流采集和直流采集。不管哪種采集方法，進入單片機的信號都必須符合上面提出的三個要求。因此，對于交流信號，還要考慮將交變的信號轉換為非負信號的問題。在本整流/充電器的設計中，采用直流采樣。交流輸入電壓的過、欠壓保護均通過整流后的整流輸出值進行整定保護。因此本設計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因含有諧波等干擾信號，不能直接進入單片機，須經過濾波、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 直流采樣電路信號輸出包括狀態(tài)信號輸出如開關量的輸出、指示燈的狀態(tài)。開關量輸出有保護繼電器、光字牌、調壓開關等。與開關量的輸入類似，開關量的輸出要有光電隔離、驅動等環(huán)節(jié)。開關量輸出的典型電路見圖39。圖39 開關量輸出電路指示燈是利用發(fā)光二極管的點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、過流保護、同步保護是通過指示燈和繼電器同時進行的，一方面指示故障類型，另一方面保護繼電器動作，保護裝置。裝置的工作電源對整個裝置工作的重要性是不言而喻的，因為一旦工作電源出現(xiàn)故障，整個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計采用以小型開關電源模塊為中心的設計方案。此小型開關電源模塊可輸出+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。基于整個裝置控制電路工作功率的考慮，此開關電源模塊輸出電流為5V/1A, 24V/, 15V/、15V/。對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計由于本論文是在已開發(fā)的直流充電裝置的基礎上進行的，因此它就作為了本設計中的UPS整流/充電器。此裝置現(xiàn)已在很多地方運行、使用，技術非常成熟。并且整流/充電器的軟件設計不是本論文的重點，在此就不作具體介紹了。需要強調的是，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中也是至關重要的，這里也不再作為重點的研究說明。第四章 逆變器的設計 在整流/充電器設計的基礎上，本章進行逆變器的設計，以完成從直流向交流的轉變。 逆變器是在線式交流UPS不間斷電源的核心，因為在在線式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的特點決定的。因此，逆變器的設計在整個UPS設計中顯得尤為重要。 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直接和負載相連，其中的逆變電路屬于無源逆變。 在許多場合，電網提供的50Hz工頻電源不能滿足負載的特殊需要。UPS不間斷電源的負載就是那些對電源的電壓和頻率的穩(wěn)定性(220V/380V, 5OHz)、波形畸變等有著嚴格的要求，且絕不允許瞬時停電的特殊負載。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S16代表實際電路中的電力電子功率開關器件。只要開關按照一定的規(guī)律斷開和閉合就能將直流電變?yōu)榻涣麟姟D41三相橋式逆變電路原理圖在實際電路中，開關的切換(換相)通過換相電路或控制脈沖來實現(xiàn)。換相是逆變電路中一個十分重要的概念，因為實際電路中的電力電子開關器件并不是理想開關，它們的開通和關斷必須在一定的控制條件下進行。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?shù)男盘枺涂梢允蛊鋵?；但是關斷時的情況就不同,全控型器件可以用控制極信號使其關斷，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斷。對于有自關斷能力的器件來說，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現(xiàn)換相，如電網換相、負載換相、電容換相。 在本UPS不間斷電源設計中，逆變器的直流輸入側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，因此本設計中的逆變電路屬于電壓型逆變電路。它一般采用導電模式，即在一個周期內每個臂導通。 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)時刻來改變輸出電壓脈沖的寬度，從而得到調節(jié)逆變輸出電壓的作用。