【正文】 保證驅(qū)動電路與整個控制電路的嚴格電位隔離。根據(jù)以上要求，設(shè)計如下IGBT驅(qū)動電路：以日本富士公司生成的IGBT專門驅(qū)動芯片EXB841為核心器件，同時配以其他必要的器件，如圖45所示。下面結(jié)合圖45對其外圍電路進行說明。2腳是EXB841的工作電源+20V的接入腳；1腳提供IGBT的5V反向關(guān)斷電壓，電容C1, C2是為了吸收由于電源接線阻抗而引起的供電電壓的變化。R4為柵源電阻。6腳是EXB841過流檢測輸出腳，一旦過流發(fā)生，它通過快恢復二極管D1快速關(guān)斷驅(qū)動信號，實現(xiàn)IGBT的保護。，應用中常因功率不足易被外界干擾所產(chǎn)生的尖峰信號擊穿損壞，以致不能很好地抑制IGBT的柵極的電壓波動，從而造成IGBT的損壞。Z2是由兩個10V的穩(wěn)壓管正負對接而成，是為了防止高壓尖峰造成IGBT的柵源擊穿。考慮到各EXB841模塊的隔離驅(qū)動，因此每個EX841的工作電源必須獨立，不能共用一個電源。直流輸入來自系統(tǒng)工作開關(guān)電源的+24V/(對GND)。IGBT是UPS逆變器中非常重要的功率開關(guān)器件，它的工作正常與否直接關(guān)系到逆變器的正常工作，因為它的損壞對逆變器是致命的，所以必須保護好IGBT。一般IGBT的保護從過流、過壓、過熱三方面入手，設(shè)計相應的保護電路和采取相應的保護措施來實現(xiàn)IGBT的保護。在上述驅(qū)動電路設(shè)計中，EXB841具有過流檢測功能。這其中存在一個識別時間即切斷門控信號時間要小于允許的短路過電流時間。保護電路只有在2us內(nèi)動作(小于短路承受能力時間)，才能實現(xiàn)IGBT的保護。為此可從兩方面入手，一方面，采用高速光耦器件及快傳送電路以加快信號的傳輸時間；另一方面，降低門極電壓，比如從15V降至10V，使得IGBT的短路承受能力由5us增至10us，即在小于10us的短路時間內(nèi)連續(xù)檢測出過電流則屬于“真”短路。(2)過流保護時IGBT的關(guān)斷速度。因此過流時IGBT的關(guān)斷須采取慢速關(guān)斷。一般采取阻容緩沖、吸收電路來抑制過電壓及抑制過大的du/dt。圖46 IGBT緩沖電路設(shè)計 逆變器輸出變壓器和靜態(tài)開關(guān)經(jīng)調(diào)制的SPWM波形要經(jīng)過濾波才能得到正弦波。而且，隔離變壓器本身具有一定的漏感、漏阻及分布電容，這樣變壓器天然是一個低通濾波器，從而可省去體積龐大的輸出濾波器，并且濾出的正弦波失真度很小。為實現(xiàn)逆變器供電和靜態(tài)旁路供電之間的不間斷切換，采用了靜態(tài)開關(guān)技術(shù)，詳參第五章。(IGBT的緩沖電路和靜態(tài)開關(guān)(快速晶閘管)的阻容吸收電路詳見第五章)。逆變開關(guān)器件采用兩單元的IGBT模塊。靜態(tài)開關(guān)由一對反并聯(lián)的快速晶閘管組成。根據(jù)逆變器 的容量(20KVA)和輸出電壓(380V)，額定電流計算如下：考慮裕量(3倍以上)額定電流取100A；耐壓(裕量取3倍以上)取1200V。 UPS逆變器控制電路設(shè)計逆變器的控制電路是逆變器的核心。對逆變器控制電路的基本要求和功能是:(1)輸出三相互補的SPWM正弦脈寬調(diào)制脈沖；(2)能控制和調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓和頻率的大??；(3)保持輸出電壓和頻率的穩(wěn)定；(4)對逆變器進行軟啟動，以控制逆變器啟動時間，限制啟動電流；(5)輸出電壓與市電電網(wǎng)電壓鎖相同步。UPS逆變器的控制電路框圖如圖48所示。80C196MC單片機逆變器控制系統(tǒng)同步信號采集測量給定工作方式通訊接口保護信號輸出狀態(tài)信號輸出SPWM 輸 出鍵盤接口顯示接口圖48 逆變器控制框圖 需要注意的是，在PWM脈沖輸出電路設(shè)計中，雖然利用80C196MC單片機可編程產(chǎn)生三相互補PWM脈寬調(diào)制波，但是從單片機發(fā)出的PWM信號不能直接和逆變器主電路的IGBT單元模塊相連接這是因為信號驅(qū)動功率不夠。因此從單片機輸出的PWM信號必須經(jīng)過功率驅(qū)動才能有效驅(qū)動IGBT；同時信號與主電路必須進行嚴格的電位隔離。因此在PWM信號接入主電路之前必須進行嚴格的電位隔離。相位和頻率測量電路都是利用80C196MC單片機的EPA功能實現(xiàn)的。電路如圖49所示：圖49 頻率和相位測量電路此頻率測量電路的原理是將輸入的正弦波信號變換成方波信號，再送到80C196MC單片機的EPA功能捕獲口，利用方波信號的跳變沿觸發(fā)單片機產(chǎn)生中斷。圖49中，電阻R1, R2, R3, R4和電容Cl及運放Al組成有源濾波電路；電阻R5, R及C2, C3組成帶通濾波電路，通過選擇合適的參數(shù)，可使濾波器的通帶中心頻率接近工頻50HZ。電壓、電流變送器指常用PT、CT以及霍爾電流傳感器LEM等。主要包括開關(guān)量如繼電器保護信號等的輸出和一些狀態(tài)信號如指示燈、光字牌等的輸出。設(shè)計中，利用80C196MC單片機的P5口及其他口共10路作為標I/O口輸出。但是因為整流器的輸出作為逆變輸入，是經(jīng)常變化的；同時負載的變化也使得逆變輸出出現(xiàn)不穩(wěn)定。在本逆變器控制系統(tǒng)中加入了電壓負反饋環(huán)節(jié)構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)正弦脈寬調(diào)制SPWM的調(diào)制深度系數(shù)來實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。即將逆變輸出與給定值(如220V/380V)的差值作為調(diào)節(jié)量，根據(jù)逆變輸出電壓變化的程度，采用不同的比例、積分、微分系數(shù)來達到穩(wěn)定輸出的目的。 UPS逆變器控制軟件設(shè)計UPS逆變器控制軟件采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方法，即程序由主程序和若干個子程序模塊組成，各個子程序模塊的功能相對獨立。主程序完成整個UPS逆變器控制的流程和子程序模塊調(diào)用等功能。它們包括初始化模塊、顯示模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、SPWM脈寬調(diào)制波形生成模塊、穩(wěn)壓穩(wěn)頻模塊、同步鎖相跟蹤模塊、通訊模塊、保護模塊等。顯示模塊的功能是實時顯示UPS輸入輸出電流、電壓值，以及其他狀態(tài)信息和保護信息等，并和鍵盤操作相配合，實現(xiàn)保護裝置的人機界面。數(shù)據(jù)處理模塊的功能是根據(jù)一定的算法，對采樣數(shù)據(jù)進行處理，從而獲得被測信號的基波有效值，作為其他控制和保護的依據(jù)。穩(wěn)壓穩(wěn)頻模塊的功能是采用PID控制算法并結(jié)合80C196MC單片機波形發(fā)生器WFG的SPWM波形產(chǎn)生機理進行調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)電壓和頻率的穩(wěn)定。保護模塊的功能是根據(jù)程序給定的判斷邏輯判斷UPS電源裝置是否有故障發(fā)生，從而采取相應的保護措施。UPS逆變器控制主程序流程如圖410所示:開始初始化設(shè)置Watchdog顯示處理輸入檢測保護PID控制鎖相跟隨串口通訊顯示更新返回圖410 UPS逆變器控制主程序流程圖下面我們根據(jù)本次設(shè)計的主要任務(wù)和重點，著重對以下幾個方面進行設(shè)計，其他的不再作為重點敘述。實際中要求一個周波采樣12個點，并且希望八路采樣同時進行。數(shù)據(jù)采集模塊程序流程圖如圖411所示：中斷入口PSW入棧，禁止中斷采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移存儲存儲指針加2滿12個點重新允許PTS A/D中斷波確定下一次采樣時刻，啟動ACH0中斷PSW出棧，開中斷返回指針回到起始點YN圖411 PTS數(shù)據(jù)采集模塊程序流程圖在前面已詳細分析了8OC196MC單片機PWM波形發(fā)生器WFG產(chǎn)生的原理。1)載波fc的選擇一般來說，波形發(fā)生器中的PWM波形的載波頻率應比調(diào)制波的高若干倍，以保證輸出級的低通濾波器能順利通過調(diào)制頻率而有效地抑制載波頻率。在本設(shè)計中，調(diào)制頻率為工頻50HZ，選fc=2500HZ，比50HZ高出很多。內(nèi)的正弦值。這里采用查表法。180186。每個數(shù)據(jù)占用2個字節(jié)，0186。內(nèi)共450個字節(jié)。、SIN_PTR+120186。當然，在軟件中要確定各相的值的正負。根據(jù)Uk和查表所得的正弦表值可計算出三相SPWM波形占空比的瞬態(tài)值:U_PH=MID177。當在0186。之間時上面公式中取“+”，在180186。之間取“”。WFG產(chǎn)生三相SPWM波形的程序流程，如圖412所示。3. 穩(wěn)壓穩(wěn)頻模塊穩(wěn)壓子程序PID入口調(diào)用穩(wěn)壓PID算法PID入口返回 穩(wěn)壓PID算法e(n)=VgUoute(n)－(n1)=0?比例項、積分項、微分項求和Uk返回NY(a )穩(wěn)壓子程序流程圖 (b) PID子程序流程圖圖413 穩(wěn)壓子程序與PID算法子程序流程圖UPS輸出電壓和頻率隨逆變直流輸入電壓的變化以及負載的變化而變化，我們需要UPS保持穩(wěn)定的輸出電壓和頻率。穩(wěn)壓功能是通過電壓負反饋環(huán)節(jié)，軟件上采用傳統(tǒng)PID算法，調(diào)節(jié)SPWM的調(diào)制深度系數(shù)Uk來實現(xiàn)的。穩(wěn)頻功能是通過改變SPWM的載波頻率fc即改變半周期數(shù)來實現(xiàn)的。穩(wěn)頻子程序Fout=50Hz?Fout50Hz?HALF_PERIOD—1HALF_PERIOD+1返回YNNY圖414 穩(wěn)頻子程序流程圖4. 同步鎖相跟蹤模塊為實現(xiàn)同步切換，需要進行同步鎖相跟蹤。利用80C196MC單片機EPA功能測出市電的頻率和相位以及數(shù)據(jù)采集測出市電電壓幅值。軟件流程圖如圖415所示。這個部分不是本設(shè)計的重點，這里就不再對其進行詳細的描述。同步鎖相跟蹤子程序市電相位過零點？開始發(fā)SPWM脈沖fout=f市電?Uout=U市電?foutf市電?減小半周期數(shù)增加半周期數(shù)PID調(diào)節(jié)返回YNYNNYNY圖415 同步鎖相跟蹤子程序流程圖第五章 UPS旁路電源設(shè)計旁路電源是實現(xiàn)不間斷供電UPS裝置中一個不可缺少的部分，缺少它，UPS就不完善，就不能實現(xiàn)不間斷供電。前者作為在線式UPS的后備電源；后者作為UPS檢修、維修時用。從圖51可看出，靜態(tài)旁路電源中使用了兩組靜態(tài)開關(guān)，靜態(tài)旁路后備電源以及逆變器在線電源都是通過靜態(tài)開關(guān)向負載供電。在大功率UPS電源系統(tǒng)中，采用了靜態(tài)開關(guān)技術(shù)，即利用快速晶閘管作為轉(zhuǎn)換器件，軟件上采用同步鎖相技術(shù)來實現(xiàn)負載的零時間切換的不間斷供電。UPS電源的逆變器產(chǎn)生的50Hz正弦波電源應隨時保持與市電50Hz工頻旁路電源的同頻、同相、同幅和較小的正弦波失真度的關(guān)系。也只有在這樣的條件下才能使UPS電源在執(zhí)行逆變器供電與市電交流旁路供電之間切換操作時，實現(xiàn)上述兩種電源之間不存在任何瞬態(tài)電壓差或是在瞬態(tài)電壓差足夠小的條件下的安全切換操作。為防止靜態(tài)開關(guān)或逆變器因環(huán)流過大而燒毀，在大型UPS電源中都設(shè)置了專門的同步鎖相環(huán)節(jié)，以保證同步切換的需要。在同步的條件下，正確控制靜態(tài)開關(guān)的導通和關(guān)斷成為UPS靜態(tài)旁路控制技術(shù)的核心。也就是說靜態(tài)開關(guān)1和2是互為閉鎖的。根據(jù)晶閘管導通和關(guān)斷的基本原理，其觸發(fā)控制有多種方法：可采用微機產(chǎn)生觸發(fā)脈沖來控制，也可采用快速繼電器控制。本設(shè)計中，利用靜態(tài)開關(guān)是一對晶閘管反并聯(lián)的特點，控制上采用了一種快速繼電器控制的方法。 圖52 靜態(tài)開關(guān)1和2的控制電路 圖53 靜態(tài)開關(guān)的控制原理示意圖在靜態(tài)旁路電路中，直接利用交流市電電源電壓作為晶閘管的正向?qū)ê头聪蜿P(guān)斷電壓。靜態(tài)開關(guān)的這種控制方法的原理可通過圖53來解釋。當連接兩門極的繼電器的觸點閉合后，在交流市電的正半周期內(nèi)，晶閘管1導通，在交流市電的負半周期內(nèi)，晶閘管2導通，這樣在交流市電的整個周期內(nèi)，市電均能通過靜態(tài)開關(guān)向負載供電。在線式UPS中，逆變器在線工作，旁路為后備，因此接在旁路靜態(tài)開關(guān)1上的為繼電器的常開接點，接在逆變器靜態(tài)開關(guān)2上的為繼電器的常閉接點。隨后斷開控制靜態(tài)開關(guān)2的繼電器的常閉接點，在繼電器接點斷開后，靜態(tài)開關(guān)2關(guān)斷，負載由市電交流旁路電源供電，完成從逆變在線供電向后備供電的切換。靜態(tài)開關(guān)的控制技術(shù)中，主要有兩個問題:(1)關(guān)于晶閘管導通時間，可由下面公式計算: (2)關(guān)于觸發(fā)問題。當快速繼電器的接點由閉合變?yōu)閿嚅_或者由斷開變?yōu)殚]合，可使靜態(tài)開關(guān)關(guān)斷或?qū)āＦ渲?，KK2, KK3為空氣開關(guān)，靜態(tài)開關(guān)采用三組反并聯(lián)的晶閘管組成。圖中沒有畫出每組晶閘管的控制電路。其阻容吸收保護電路中電阻、電容的參數(shù)可根據(jù)經(jīng)驗公式選取。其原理、電路及控制與旁路靜態(tài)開關(guān)相同。維修旁路電源通常取自市電。圖中KKKK5為空氣開關(guān)，KRD為快速熔斷器。這樣就可以對逆變器支路和靜態(tài)旁路支路進行檢修或維修。UPS是利用電能進行工作和向用電設(shè)備輸送電能的設(shè)備，它與別的設(shè)備一樣都工作在一定的環(huán)境中。UPS電源裝置本身是集電力電子、強電、弱電于一體的設(shè)備。 干擾源UPS電源工作在電氣、電子的電磁環(huán)境中，干擾的來源很多，干擾成分和種類復雜多樣。外部干擾是指那些與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無關(guān)而是由使用條件和外部環(huán)境因素所決定的干擾。內(nèi)部干擾是指由系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、元件布局和生產(chǎn)工藝等決定的干擾。一般來說，干擾的形式有串模干擾和共模干擾兩種。共模干擾是引起回路對地電位發(fā)生變化的干擾，即對地干擾。它往往是造成裝置不能正常工作的重要原因之一。而外部干擾主要是裝置的端子排從外界引入的浪涌電壓引起，也就是說，裝置的所有輸入、輸出線，電源線，地線(包括機殼接地線)都有可能引入干擾。干擾對數(shù)字電路和模擬電路造成的后果是不同的。而數(shù)字電路在干擾作用下會造成數(shù)據(jù)或地址傳送錯誤，從而造成微機運行故障。微機型UPS電源裝置中有許多重要元件(如本UPS設(shè)計中采用的控制核心80C196MC單片機芯片)為CMOS器件，強干擾引起的浪涌電壓極易造成元件的損壞。微機控制中輸出數(shù)據(jù)、運算中間結(jié)果和控制標志字都放在數(shù)據(jù)存貯器RAM中，強干擾易引起數(shù)據(jù)發(fā)生改變。(3)程序運行異常。程序運行出現(xiàn)異常，若不能及時恢復，系統(tǒng)將發(fā)生故障，甚至引發(fā)事故。同時，UPS電源本身作為電子設(shè)備，也會對其周圍的電氣、電子設(shè)備產(chǎn)生干擾作用。這在電子技術(shù)中，稱為電磁兼容即EMC(Electromagnetic Compatibility)。實際上，在電子電路中，干擾總是存在的，不可能完全消除。EMC的標準和規(guī)范的制定和發(fā)展己有較長的時間，對于UPS電源，也制定了專門的標準如安全標準、通訊標準等。為了實現(xiàn)UPS電源與其周圍環(huán)境的電磁兼容，必須采取專門而有效的抗干擾措施來抑制干擾。