1KW在线式UPS逆变器设计毕业论文.doc

I 1KW1KW 在线式在线式 UPSUPS 逆变器设计毕业论文逆变器设计毕业论文 目录目录 摘要 I ABSTRACT II 1 绪论 2 1 1 引言 2 1 2 UPS 的发展和现状 2 1 2 1 UPS的发展历程 2 1 2 2 UPS国内外发展现状 3 1 2 3 UPS的发展前景 5 1 3 UPS 研究的目的和意义 5 1 4 本课题的任务 思路和要求 7 1 4 1 本课题的任务 7 1 4 2 本课题的思路 7 1 4 3 本课题的要求 8 2 系统整体设计方案 8 2 1 在线式 UPS 工作原理 8 2 2 系统整体方案 9 2 2 1整流电路 10 2 2 2逆变电路 10 2 2 3蓄电池和充电电路 12 2 2 4 辅助电源 15 2 3 保护电路 18 2 3 1市电断电检测 18 2 3 2 蓄电池充放电电压检测 19 2 3 3 过电压检测 20 2 3 4 过电流检测 21 2 3 5 切换开关 22 3 整流器与逆变器的设计 23 3 1 整流器 23 3 1 1整流器主回路设计 23 3 1 2整流器工作原理 25 3 2 逆变器 27 3 2 1逆变器的结构及工作原理 27 3 2 2 PWM技术在逆变电路中的应用 30 3 2 3PWM逆变器的基本原理 32 1 3 2 4 SPWM产生原理 33 3 2 5 SPWM波产生电路 36 3 2 6 UPS逆变器控制电路设计 37 4 单片机及外围电路 38 4 1 单片机 38 4 1 1 单片机的工作过程 39 4 1 2 AT89C51的管脚及功能 39 4 1 3 AT89C51与外围电路 43 4 2 驱动电路 SA4828 43 4 3 报警电路 45 5 系统软件设计 46 5 1 软件设计简介 46 5 2 软件设计思路与流程图 47 5 3 程序设计 50 2 1 绪论绪论 1 1 引言引言 随着科学技术的飞速发展 特别是各种精密电子的广泛应用 供电的连续 性和供电质量对用户变的越来越重要 后备电源需求越来越多 电源问题一直 是人们十分关心的问题 对于一些特殊位置的重要设备 人们不但关心其供电 电源本身的性能指标 更注重供电电源的质量 即供电的稳定性和不间断性 因为这些设备的电源一旦出现不稳定或者消失 就将造成非常大的损失 甚至 无可挽回的损失 所幸的是不间断电源UPS Uninterruptible Power System 的 出现 为解决这个问题提供了广阔的前景 1 2 UPS 的发展和现状的发展和现状 1 2 1 UPS 的发展历程的发展历程 最初的UPS是本世纪六十年代初由旋转电动机供应能量的动态UPS 即不间 断是靠动能维持 这种早期UPS的输出稳定是靠惯性飞轮对短时间电压突变和干 扰无反应 不间断性是靠断电后飞轮的惯性延长供电时间 当然这种UPS的后备 时间是很短的 一般不超过5秒 于是人们开始使用备用蓄电池组 这是早期 UPS的典型结构 框图如图1 1所示 这样的UPS虽然可以靠增大蓄电池容量来延 长后备时间 但转换效率低 于是出现了内燃式UPS系统 这种UPS靠内燃机提 供断电后的能量 动态UPS设备庞大笨重 操作不够灵活 而且效率低 噪声大 整流器直流电动机交流发电机设备 蓄电池 市 电 图 1 1 早期 UPS 典型框图 3 随着电力电子学 功率电子学 的发展 为实现大功率的电能转换 于是出 现了静态UPS 它的主电路和控制电路均采用半导体器件 它也是目前绝大多数 概念中的UPS 其典型框图如图1 2所示 其基本原理是 市电输入经整流器将 交流电变成直流电 一方面给蓄电池组充电 另一方面为逆变器提供能量 再 将直流电变成交流电经转换开关送到负载 当逆变器发生故障时 另一路备用 电源 旁路电源 经过转换开关实现向负载供电 整流器逆变器 转换 开 关 负 载 蓄电 池 组 旁路电源 市 电 整流器逆变器 转换 开 关 负 载 蓄电 池 组 旁路电源 市 电 图 1 2 静态 UPS 典型框图 静态UPS的工作方式有在线式和后备式 Online and Offline 两者主体结 构大体相同 只是后者在市电正常时工作在旁路 Bypass 而前者只有当逆变 器故障或过载时才由旁路电源供电 一般来说 从性能上讲 在线式优于后备 式 从容量上讲 后备式一般不大于3KVA 而在线式不受此限制 目前单机容量 可以做到600KVA以上 比如M G EXIDE SOCOMEC等公司 UPS的装机容量正不断扩大 并联成为扩大容量或者冗余系统的必然方法 比如M G EXIDE等公司的UPS机内信号用微机处理 通讯采用普通信号 而SIEL 公司采用光纤通讯 OSC系统 从而实现多台UPS的同相同幅 均负载的功能 由于单相进单相出给市电配电带来极大困难 于是出现了三相入单相出 3 1 的UPS 其最大容量可达60KVA以上 这种单相输出的UPS在切换到旁路时 满负载情况下市电对应的一相将严重超载 因此厂家推出了三相入三相出的UPS 产品 而且有三相负载100 不平衡产品 如IPM SOCOMEC BORRI MEISSNER SAVIN VICTRON等公司的UPS产品 为改善后备式UPS的供电质量 人们研制了净化UPS 即将净化电源加在旁 路电源上 如国产宝合UPS产品 结合后备式UPS效率高和在线式UPS供电质量高的优点 人们提出了三端口 UPS 它使得离线式和在线式有机结合在一起 产品如APC BEST DELTEC 休 康等 4 1 2 2 UPS 国内外发展现状国内外发展现状 欧美及日本等发达国家的电厂专用UPS研制起步较早 具有产品线齐全 使 用寿命长 平均无故障时间长 MTBF 质量过硬 售后服务全面等优点 特别 是在大功率电厂专用UPS方面 国外厂商占有很大优势 由于UPS技术是一项实 用技术 国内外各大电源公司 生产厂家以及科研院所都在对其进行研究 国 外己经将许多先进技术应用到实际系统中 生产出了许多知名品牌的UPS 美国 APC 秀康 公司一直以中小功率UPS产品供应商的身份出现在UPS市场 自1998年 推出的Symmetra和收购Silcon后 已成为全线产品供应商 2000年上半年APC 在国内的主流产品仍是Back和Smart系列产品 其中Back系列有Back 500和Back 500 AVR两种型号 Back 500 AVR是1999年的新产品 但因价格过高 销量很少 Smart 系列中1000VA 2200VA和3kVA 的销量占Smart系列的70 以上 其中APC 公司研制的PEW1 000系列单相UPS拥有5 20 0kVA 的多个机种 法国施耐德 Schneider 公司旗下的梅兰日兰 MERLIN GERIN 的Galaxyl000PW系列单相UPS 30 80kVA以及Planet系列30 80kVA的多个机种 共占其销售额的60 以上 此 外 山特 台达 爱克赛等多家公司在UPS市场中也占有相当份额 国内 对 U PS先进的关键技术的研究 主要集中在少数知名院校 且大多数 处在实验阶段 没能将它们应用到实际系统中去 从目前国内市场上看 国内 生产厂商基本不能生产大型UPS 国内的大型UPS市场几乎全部被国外公司占领 对于中小型UPS来说 虽然国内许多生产厂家可以生产 但其产品的可靠性和性 能远远不如国外的同类产品 整个中小型UPS市场90 以上都被国外公司占领 国内生产电厂专用的UPS厂家也主要集中在小功率产品 如合肥阳光电源公司SL 系列电力专用在线UPS有1 5kVA等功率的产品 正远电源公司RB 系列电力专用 UPS有1 3kVA 等功率的产品 早期 UPS 主要为后备式 UPS 技术简单 输出一般采用方波或阶梯波逆变 技术成熟 但输出电压畸变严重 容易对用电设备造成干扰 并且在市电供电 向逆变器供电切换时会出现短是的断电 对于计算机等负载是不可接受的 为 了解决这些问题出现了在线式 UPS 并采用了 SPWM 逆变和现场可编辑器件 逆变器是在线式 UPS 的核心 在小容量机型中 一般采用 MOSFET 或晶 闸管 在大容量场合已经全部为 IGBT 采用高频 PWM 技术 实现正弦波输出 目前常用的逆变器控制技术是 SPWM 技术 SPWM 是指按正弦规律变化的等 效 PWM 波 SPWM 控制的原理简单 通用性强 控制和调节性能好 是一种 你较好的波形改善技术 而 SPWM 波的产生又是基于单片机或 DSP 的 其中 单片微型计算机是随着超大规模集成电路技术的发展而诞生的 它具有高精确 5 度 高灵敏度 高响应速度 以及耗能少 体积小 可以连续测量 自动控制 安全可靠等优点 非常适合嵌入式控制 同时 其逻辑控制运算是由 软件来进行的 可以很容易的实现各种控制规律 甚至是比较复杂的控制算法 的实现 目前 国际上新型在线式 UPS 逆变器正从模拟式向数字式 由集成化向 智能化 网络化的方向发展 1 2 3 UPS 的发展前景的发展前景 UPS从当初单一的动态存储式到今天多类型多品种动态 静态 动静结合 在线式 后备式 离线式 后备在线交叉式等 随之 UPS的应用领域也从当初 单一的计算机用户发展到今天计算机系统 网络系统在内的能源 如电力 医 药 农林 交通 天文 地理 通讯系统 如网络通讯 等领域 后备时间从当 初的几秒钟到今天的几小时 几十小时甚至更常的时间 特别是从技术内含意 义上讲 从当初单一的机械式到今天包罗了当代全部的电子技术 从微电子学到 功率电子学 从线性电路到数字电路 从计算机硬件到软件 从电信号通讯到 光纤通讯以及机电一体化技术 随着微电子技术和电力电子技术的不断发展 电源技术的高频化 模块化 数字化 绿色化成为发展趋势 UPS不间断电源也不例外 电力电子功率器件的高频化和模块化使得UPS电源产品的体积和重量大大减 小 而可靠性和效率得以提高 可带来显著节能 降耗的可观经济效益 微处理器软硬件的引入 可以实现对UPS的智能化管理 进行远程维护和远 程诊断 从而为UPS电源产品的数字化 智能化提供了坚实的基础 随着人们对环境保护意识的加强 电源系统的绿色化概念被提出 所谓电 源绿色化首先是显著节能 因为节电可以减少发电对环境的污染 其次是电源 不能 或少 对电网产生污染 事实上许多功率电子节能设备往往是电网的污染 源 向电网注入严重的谐波电流 使得总的功率因素下降 使电网电压产生毛 刺尖峰甚至畸变 20世纪末各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生 有了功 率因数校正PFC Power Factor Corrector 方法 为21世纪UPS电源产品的绿色 化奠定了基础 由此可看出 UPS已当之无魄成为当代高科技成员 而且正随着电力电子技 术 计算机技术 网络技术等相关技术的发展而不断发展 6 1 3 UPS 研究的目的和意义研究的目的和意义 早期的UPS产品因电子技术及相关技术 工艺水平等方面的限制 备用时间 短 智能性差 所以主要作为计算机的备用电源 其它行业涉及较少 因而普 及率很低 但是 随着微型计算机应用的日益普及和信息处理技术的不断发展 人们对供电的质量要求越来越高 这是因为在微型计算机特别是企 事业单位 的计算机网络运行期间供电的中断 将会导致随机存储器中数据的丢失和程序 的破坏 有时甚至会使磁盘盘面及磁头遭到损坏 造成难以弥补的损失 不但 如此 随着国民经济的发展 生产力水平的提高各行各业的许多关键设备对电 源的要求也是如此 于是高性能 高可靠性UPS越来越受到人们的关注 从国防 航天 科研到医疗卫生 工农业生产 交通运输 从银行证券到商贸销售 从 通讯行业直至以信息高速公路为代表的新兴信息产业 IT 无不用到UPS不间断 电源 而且 随着电子技术的发展 特别是计算机技术及计算机网络技术的发展 人们对UPS的要求越来越高 不但要求供电质量高 而且要求智能化 这也是科 学技术发展的必然趋势 人们希望将现代电子技术 信息技术 控制技术 计 算机网络技术等UPS相关技术应用于UPS不间断电源 使UPS电源供电系统变得越 来越完善 对各种性质的负载适应性更强 产品种类更齐全 实际上 UPS经过近四十年的发展至今 性能指标基本相似 不同点在于功 能上的拓宽 创新及可靠性的高低 PWM 脉宽调制 技术和功率晶体管及组合管 功率MOS管 IGBT等己被UPS普遍采用 从而降低了UPS的可闻噪声 提高了效率 和可靠性 特别是自80年代以来 微处理器技术 计算机技术 网络工程的迅 猛发展 并引入UPS领域 大大拓宽了UPS的功能 显示方式从数码显示到液晶 显示 使得人机 对话 更加方便 利用CPU的强大处理功能 可做到自动诊断 自动开关机 自动打印运行记录 起到监控 管理系统的作用 随着UPS在计算 机网络中的应用不断发展 UPS不再是单纯供电 仅仅保护服务器 而是强调以 整个网络为保护对象 用户希望UPS保护的对象不再是特定的运算设备为主 而 是让网络在电源出现异常时 仍然可以继续工作而不中断 因此 UPS监控防护 软件是UPS的新发展 这种软硬件的新搭配有助于大幅度提高UPS的功能 使其 趋向人性化 同时大大拓宽了UPS在计算机及网络中的应用 智能UPS就是在这 种形势要求下发展起来的 所谓智能UPS就是将传统UPS通过与PC上位机相连的硬件接口 结合特殊设 计的软件 称为监控软件 以提供电源和资料的双重保护 因此监控软件是UPS智 能化的关键部分 目前UPS各大厂家都将UPS的监控软件作为产品竟争力的一个 7 重要筹码 UPS不间断电源本身是集数字与模拟技术 数字通讯技术 电力电子技术 微处理器及软件编程等技术于一体的密集型电子产品 另外 随着微处理器和 计算机应用的普及 将其引入UPS系统 研制智能UPS是UPS发展的必然趋势 1 4 本课题的任务本课题的任务 思路和要求思路和要求 1 4 1 本课题的任务本课题的任务 UPS主电源包括整流 充电器 逆变器 旁路电源 静态旁路电源和维修旁路 电源 三大部分组成 1 设计出一种新型的带过电压检测和保护功能的智能化 UPS 电源 其具有 抗连续雷电冲击的能力 并配有 RS485 通信接口 可与上位计算机通信 实现 电源的集中监控 集中管理 要求设计出智能化 UPS 电源的系统硬件电路和软 件编程 2 根据原始数据和查阅相关资料确定 1KW 在线式 UPS 逆变器控制方法 控制芯片的选取 逆变部分器件的选型 IGBT 3 根据实际测试要求设计出 1KW 在线式 UPS 逆变器控制系统的主电路图 辅助系统 4 根据电路的要求设计出 1KW 在线式 UPS 逆变器的硬件接线图 软件流 程图以及选用的集成模块 1 4 2 本课题的思路本课题的思路 采用由整体到局部再到整体的方式来完成设计 先确定总体设计框图 然 后针对每一的部分要实现的功能设计出相应的硬件电路并编写软件流程图 最 终完成系统的硬件电路图以及软件程序 系统硬件设计主要有 电容滤波的三相桥式不可控整流电路 用 IGBT 作 为功率器件的三相桥式 SPWM 电压型逆变电路 基于 555 定时器的蓄电池充电 电路 辅助电源 转换开关 过压过流检测电路等 系统软件设计主要有 主程序流程图 PWM 波产生子程序流程图 中断服 务流程图 以及软件编程 拟采用的技术路线 1 使用 IGBT 作为功率器件 设计三相逆变电路 8 2 以 AT89C51 单片机为控制核心 设计控制电路来控制三相 PWM 波产生 控制信号 3 用 AT89C51 单片机来实现 UPS 电源的过电压 过电流等监测 4 设计的 UPS 电源能提供较好的交流电源 其输出电源电压 220V AC 频率 50Hz 1 4 3 本课题的要求本课题的要求 本课题要求在熟悉 UPS 电源的基础上 设计出一种新型的带过电压检测和保护 功能的智能化 UPS 电源 其具有抗连续雷电冲击的能力 并配有 RS485 通信接 口 可与上位计算机通信 实现电源的集中监控 集中管理 要求设计出智能 化 UPS 电源的系统硬件电路和软件编程 2 系统整体设计方案系统整体设计方案 2 1 在线式在线式 UPS 工作原理工作原理 在线式 UPS 原理框图如图 2 1 所示 在线式 UPS 主要是由以下几部分组成 充电器 逆变器 输出变压器及滤波器 静态开关 蓄电池组 整流滤波电路 充电电路和控制 监测 显示 警告及保护电路 还有功率因数校正电路 在 线式 UPS 的输出波形通常为标准正弦波 9 整流滤波 电路 逆变器 输出变压器 及滤波器 静态 开关 充电 电路 蓄电 池组 控制检测显示 告警及保护电 路 UPS输出 市电输入 图 2 1 在线式 UPS 原理框图 控制 监测 显示 警告及保护电路提供逆变 充电 静态开关转换所需 的控制信号 并显示各自工作状态 当出现过压 过流 短路 过热时 及时 警告 同时提供相应的保护 由于市电可能发生电压波动 断电等故障 需要 市电输入检测电路对其进行检测 检测信号送给单片机进行分析 当单片机检 测到市电异常时 单片机控制切换电路进行切换 使电路与市电断开连接 同 时接通蓄电池 让蓄电池继续对负载供电 从而保证负载不断电 逆变电路前 通过过压检测电路与单片机相连 当产生过压现象时 单片机控制继电器电路 使大电阻并入电路 消除过电压 保证逆变器的正常工作 负载电路前通过过 流检测电路与单片机相连 当产生过流现象时 单片机给 PWM 产生电路送复 位信号 使逆变电路停止工作 同时到单片机控制报警电路产生报警信号 由 此可见 对于在线式 UPS 无论市电是否正常 其输出总是由逆变器提供 所 以在市电故障的瞬间 UPS 的输出不会有任何间断 另外 由于在线式 UPS 有 输入滤波器和输出滤波器 再加上市电的交流输入经整流滤波器变为直流 再 由逆变器逆变为交流 所以几乎所有来自电网的干扰经过 UPS 以后都能得到很 大程度的衰减 同时逆变器的稳压功能很强 所以在线式 UPS 能给负载提供干 扰小 稳压精度高的电源 10 2 2 系统整体方案系统整体方案 逆变器负载 市电 输入 检测 蓄电池充 电电路 蓄电池检 测电路 蓄 电 池 辅 助 电 源 PWM波 产生电路 过 流 检 测 单 片 机 报警 电路 过 压 检 测 切换开关整流器市电 图 2 2 在线式 UPS 系统整体结构框图 UPS不间断电源设计的基本原理是将输入的交流电整流转换为直流电 一方 面为备用蓄电池充电 另一方面再将其逆变转换为稳压稳频的交流电 设计的 基本点有两个 一是UPS输出的稳定性 即输出电压和频率都必须保持稳定 在 一定的额定精度内 二是UPS输出的不间断性 即要能实现不间断供电 整个 设计紧紧围绕这两个要点进行的 1 蓄电池 包括充电器 是电网断电或者电网电压严重畸变时为负载供电的 能量来源 2 逆变器是UPS输出稳压稳频的交流电的核心组成 也是整个UPS核心 采 用冗余备用单元也是为了保证负载供电的不间断 2 2 1 整流电路整流电路 整流电路和逆变电路想对应 简单的说是将 AC 转化为直流 DC 的装 置 它有俩个主要功能 第一 将交流电 AC 变成直流电 DC 经滤波后供 给负载 或者供给逆变 第二 给蓄电池提供充电电压 为了抑制高次谐波 改善输入的功率因数 整流部分常设有功率因数校正电路 11 T1 VD1 VD2VD6 VD5VD3 VD4 a b c a i d i c i R i d U R 图 2 3 电容滤波的三相桥式不可控整流电路 由于本设计中的蓄电池电压已经确定 而且需要进行滤波 并且不可控整 流比可控整流电路功率因数要高 本次设计中采用了电容滤波的三相桥式不可 控整流电路 如图 2 3 所示 当某一对二极管导通时 输出电压等于交流侧线 电压中最大的一个 该线电压既向电容供电 也向负载供电 当没有二极管导 通时 由电容向负载放电 按指数规律下降 d U 2 2 2 逆变电路逆变电路 逆变电路是 UPS 的核心部件之一 起着非常重要的作用 它的基本作用是在 控制电路的控制下将中间直流电路输出的直流电转换为频率非常稳定的工频交 流电供负载使用的电路 通常采用脉宽调制 PWM 技术来达到这一目的 如图 2 6 所示为三相电压桥式逆变电路原理图 从电路结构上看 如果把 三相负载看成三相整流变压器的三个绕组 那么三相桥式逆变器电路犹如三相 桥式可控整流电路与三相二极管整流电路的反并联 其中可控电路用来实现直 流到交流的变换 不可控电路为感性负载电流提供续流回路 完成无功能量的 续流和反馈因此 VD1 VD6 称为续流二极管或者反馈二极管 若以图 2 6 所示的 逆变器直流电压中心点 N 为电位参考点 控制相应的功率管使逆变器各相输出 相位为 120 的交流方波电压 即可实现电压 DC AC 的变换 V3 V5 V4 V6 V2 V1 VD1VD3VD5 VD2VD6VD4 Ud 2 Ud 2 N N U V W 12 图 2 4 三相电压型桥式逆变电路 逆变器每相的方波变换可采用导电方式和导电方式 180 120 导电方式有以下特征 180 1 每相的上下桥臂均采用互补控制模式 180 2 相邻相的桥臂驱动信号相位互差 120 3 任何时刻有且只有三个桥臂导电 或两个上桥臂一个下桥臂导电 或 一个上桥臂两个下桥臂导电 在导通型的三相逆变器中 根据每隔的各阶段其等效电路以及相应180 60 相电压 线电压数值可以得出任何一相的相电压波形为六个阶梯波 各相相互 差 线电压为脉宽为的矩形波 120 120 考虑导电方式的电压型三相桥式逆变器的相电压波形 该波形为交流180 六阶梯波波形 如果取时间坐标为相电压阶梯波的起点 并利用傅立叶分析 则不难求得逆变器输出 A 相电压的瞬时值 uan为 2 and 211 sint sin5 t sin7 t 57 UU 5 从式 2 5 分析可知 导电方式的电压型三相桥式逆变器的输出相电180 压波形中不含偶次和 3 次谐波 而只含有 5 次及 5 次以上的奇次谐波 且谐波 幅值与谐波次数成反比 对于基波无初相角的矩形波线电压 其一般表达式为 2 6 abd 2 3111 sint sin5 t sin7 t sin11 t 5711 UU 当三相逆变器按导电方式工作时 这种调制方式要求逆变器中功率管120 的驱动信号为方波 其有以下特征 120 1 每相的上下桥臂均采用控制且有导通间隙 120 60 2 相邻相的桥臂驱动信号相位互差 120 3 任何时刻有且只有两个桥臂导电 即一个上桥臂和一个下桥臂导电相邻 序号功率管的驱动信号相位互差 60 导电方式由于每相的上下桥臂均采用控制且有导通间隙 因而120 120 60 避免了换流时上下桥臂的直通 由于任何时刻只有两个桥臂导电 从而导致功 率器件的利用率较低 因此电压型三相桥式逆变器一般不采用导电方式 120 而采用导电方式 导电方式主要运用于电流型三相桥式逆变器的控制180 120 中 13 对导通方式和导电方式进行比较可知 在导电方式中 上下180 120 120 两管之间有间隙 对换流的安全有利 但是管子的利用率低 而导通方60 180 式无论电动机三角形还是星形接法时 正常工作都不会产生过电压 因此对于 电压型逆变器 导通方式较为普遍 180 2 2 3 蓄电池和充电电路蓄电池和充电电路 在 UPS 电源中 通常都使用蓄电池作为储存电能的装置 它由若干个电池串 联而成 其容量大小决定了其维持放电即供电的时间 其主要功能是 1 当市 电正常时 将电能转换成化学能储存在电池内部 2 当市电故障时 通过逆变 器将化学能转化成电能提供给负载使用 蓄电池特性 储能装置 蓄电池是 UPS 电源系统的重要组成部分 在正常情况下 直接由市 电供给负载 而当市电断电或出现异常情况时 就要由蓄电池来向负载供电 这样才能达到不间断的可靠性供电 蓄电池属于电化学电池 它把化学中的氧化还原所释放出来的能量直接转变为 直流电能 蓄电池的性能指标有 1 容量 表示蓄电池在充满电的情况下的储能多少 用放电电流与放电时间 的乘积来表示 单位为 hA 2 放电率 表示放电至中止的电流大小或者时间快慢 可以用放电电流来表 示 也可以用放电时间来表示 例如一个 6 5的蓄电池 充满以后以 hA 325mA 恒流放电 经过 20h 后达到放电中止电压 放电率若以电流来表示为 0 325A 率 若以放电时间来表示则为 20h 放电率 3 功率与比功率 蓄电池的功率指蓄电池在一定的放电制度下 单位时间所 能给出能量的大小 单位为 W 或者 kW 单位质量蓄电池所能给出的功率称为 比功率 单位为 W kg 或者 kW kg 比功率也是蓄电池重要的性能指标之一 4 放电电流 就是蓄电池的输出电流 它除了用安培来表示外 通常也用蓄 电池的容量乘以某一个系数来表示 例如对 6 5的蓄电池 0 1C 的放电电 hA 流的实际值为 0 1 6 5 0 65A 5 放电中止电压 表示蓄电池不允许再放出电能时的电压 通常为 1 75V 单 格 6 自放电率 蓄电池在不同时期内部也会消耗能量 一般以 C 天来表示 UPS 大多使用常规的铅酸蓄电池 铅酸蓄电池有造价低廉 使用简单 维修方 便 原材料丰富等优点 下面以铅酸蓄电池为例分析其充电特性 它在充电过 程中表现出非常复杂的输入特性 以一定的电流充电时 其端电压表示如式 2 9 14 所示 2 9 UEI R 式中 U 为充电时蓄电池的端电压 V 为正极板过电位 V 为负极板 过电压 V I 为充电电流 A R 为蓄电池内阻 一般蓄电池的过电压和内阻很小 蓄电池的容量和寿命是蓄电池的主要参数 它们受充电方法的影响很大 铅酸蓄电池的充电电流与端电压是随充电时间变化的 在充电开始时 电池电 压逐步上升 当电池电压达到设定的恒定值时 充点电流逐渐减少而电压值保 持不变 充电策略对于蓄电池非常重要 一个优化的充电策略可以提高蓄电池 的性能和寿命 反之 一个不合理的充电策略会非常显著的降低蓄电池可用容 量和使用寿命 蓄电池充电电路 48V蓄电池 1 2 48 7 6 5 3 555D T3 220V 60V R40 R41 R42 R43 R44 R45 R46 C36 C37 C38 VW 图 2 5 蓄电池充电电路 1 555 定时器 蓄电池充电电路的核心是 555 定时器 集成定时器 555 是一种将模拟功能与逻 辑功能巧妙地结合在一起的的中规模集成电路 它的电路结构将模拟功能和逻 辑功能兼容为一体 能够产生精确地时间延迟和振荡 在控制 定时 检测 仿声 报警等方面有着广泛应用 是一种多用途的数字模拟混合集成电路 只 要在外部配上适当的阻容元件 就可以方便地构成施密特触发器 单稳态触发 器和多谐振荡器等脉冲产生与变换电路 因集成内部含有三个 5 千欧姆电阻而 得名 555 定时器 常用的定时器有 5G555 TTL 电路 和 CC7555 CMOS 电 路 等 15 集成定时器 5G555 由电阻分压器 电压比较器 基本 R S 触发器 放电三极管 和输出缓冲器五部分组成 定时器的功能主要取决于比较器 C1 和 C2 由它们 的输出直接控制基本 R S 触发器 放电三极管的状态 从而决定整个电路的输 出状态 C1 C2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 G1 G2 G3G4 VR1 VR2 5K 5K 5K TD Vcc RD Vco VI1 VC2 VO DISC VO VC1 VC2 图 2 6 555 定时器的内部结构 如图 2 6 所示 555 定时器由 3 个 5的电阻组成的分压器 两个电压比较器 k C1 和 C2 基本 R S 触发器 放电三极管 TD 和缓冲反相器 G4 组成 虚线边沿 上的数字为管脚号 其中 1 脚为接地端 4 脚为复位输入端 RD 当 RD为 低电平时 不管其他输入端的状态如何 输出 vo为低电平 正常工作时 应将 其接高电平 5 脚为电压控制端 当其悬空时 比较器 C1和 C2的比较电压分别 为 2 3VCC 和 1 3VCC 不用时 经 0 01uF 的电容接地 以防止引入干扰 2 脚 为触发输入端 6 脚为阈值输入端 两端的电位高低控制比较器 C1和 C2的输出 从而控制 RS 触发器 决定输出状态 7 脚为放电端 555 定时器输出低电平时 放电晶体管 TD 导通 外接电容元件通过 TD 放电 3 脚为输出端 输出高电压 约低于 1 3V 输出电流可达到 200mA 因此可直接驱动继电器 发光二极管 指示灯 8 脚为电源端 可在 5V 18V 范围内使用 555 定时器工作时过程分析如下 5 脚经 0 01uF 电容接地 比较器 C1 和 C2 的比较电压为 1 2 3 RCC UV 2 1 3 RCC UV 当 时 比较器 C1 输出低电平 比较器 C2 输出高电 11 V 2 3 CC V c2 V 1 3 CC V 平 基本 RS 触发器置 0 G3 输出高电平 放电三极管 TD 导通 定时器输出 低电平 16 当 时 比较器 C1 输出高电平 比较器 C2 输出高电 11 V2 3 CC V c2 V 1 3 CC V 平 基本 RS 触发器保持原状态不变 G3 输出高电平 定时器输出状态不变 当 时 比较器 C1 输出低电平 比较器 C2 输出高电 11 V 2 3 CC V c2 V1 3 CC V 平 基本 RS 触发器两端都被置 1 G3 输出低电平 放电三极管 TD 截止 定 时器输出高电平 当 比较器 C1 输出低电平 比较器 C2 输出高电平 11 V 2 3 CC V c2 V1 3 CC V 基本 RS 触发器置 0 G3 输出高电平 放电三极管 TD 导通 定时器输出低电 平 蓄电池开始充电 当蓄电池充满电时 当 时 给 V1 导通信号 V4 关 ru U c U 断信号 则 当 5V P3 4 EA INT1 P3 3 INT0 P3 2 P2 3 P2 2 P2 1 5V C39 R68 R69 R70 R71 R72 C40 C41 C42 A T 8 9 C 5 1 S A 4 8 2 8 RT RB YT YB BT BB 负载过流检测 R67 R73 R74 R75 图 4 3 AT89C51 与外围电路连接 如图 4 3 所示 与单片机连接的外围电路除单片机自身工作需要的复位电 路 时钟振荡电路 还有报警电路 中断手动控制电路 继电器控制回路 4 2 驱动电路驱动电路 SA4828 SA4828使是英国MITEL公司研制出的一种专门用于三相SPWM信号发生和 控制的集成电路芯片 它采用28引脚 分DIP和SOIC两种封装 它可以和大部 分的单片机连接 也可以单独使用 SA4828芯片的输出包含了波形 频率 幅 值 旋转方向及许多重要的运行参数 如载波频率 最小脉宽 脉冲延迟时间 脉冲取消时间等 这些参数可在器件初始化时设置 使用中 若需要改变运行 工况 只需改软件即可 这样可使用户方便地在电路不便的情况下 通过设置 改变波形参数 就可以改变逆变器的性能指标 因而具有使用灵活方便 SA4828的主要技术性能 载波频率可达24kHz 可实现超静音工作 输出 频率范围可达4kHz 频率精度为16位 内设有看门狗定时器 具有正弦型 增 46 强型和高效型3种PWM波形可供选择 三相幅值可独立控制 且可设正反转 SA4828与多种微处理器相兼容 它通过全数字化运算产生PWM波形 所 以具有较高的精度和温度稳定性 内部精度的脉冲形成允许在任何功率电电路 中均以最佳效率运行 SA4828调制波形依据关系式 1 sinsin 6 X tAtt 3 SA4828的工作原理主要包括3个部分 1 接收并存储微处理器的初始化 命令和控制命令 有控制总线 地址 数据总线 暂存器R1 R5 虚拟寄存器 R14 R15构成 并以控制字节的方式来实现 在系统工作之前 先进行初始化 即从微处理器向初始化寄存器和控制寄存器输入控制字 进行系统参数设置 2 从内部ROM读取并产生PWM调制波形 由地址发生器 波形ROM及相位 和控制逻辑构成 3 三相输出控制电路 由脉冲取消和脉冲延时电路构成 脉冲取消电路用来将脉冲宽度小于取消时间的脉冲去掉 脉冲延时电路用来保 证死区隔离 防止在转化瞬间桥路开关器件出现共同导通现象 SA4828的引脚如图4 4所示 大体可以分为三类信号 1 与单片机的接口信号 ALE可直接与地址 数据复用的单片机相连 此时 07 ADAD WRRD 总线选择信号MUX接 5V 地址 数据引脚RS不用 2 输入信号 片选信号CS CLK 时钟信号 最高频率为24 576MHZ 复位信号 禁止输出RESET SET TRIP 关断信号 高电平时可快速关断全部SPWM信号 AD0 AD7 WR RD ALE MUX RS CS CLK REAST SET TRIP RT RB YT YB BT BB ZPPR WSS TRIP S A 4 8 2 8 图4 4 SA4828引脚图 3 输出信号 47 RT YT BT 控制三相逆变桥的上三个桥臂的开关管RB YB BB 控制 三相逆变桥的三个下桥臂的开关管它们是标准的TTL信号 有12mA的驱动能力 可直接驱动光耦 ZPPR 输出调制波的频率 WSS 输出采样波形 封锁状态 SET TRIP 有效时 该引脚为低电平表明输出已被封锁 TRIP 可接LED指示灯 单片机与SA4828的连接如图4 5所示 WR P2 0 AD0 AD7 WR SET TRIP REAST A T 8 9 C 5 1 P0 0 P0 7 ALE CLK RD RST ALE CLK S A 4 8 2 8 REAST AD0 AD7 WR RD WR P2 0SET TRIP 图 4 5 单片机与 SA4828 的连接图 4 3 报警电路报警电路 当系统运行过程中会出现过电压 过电流等各种异常状况时 若不及时地 进行保护将极大可能损毁系统 因此 及时地提醒工作人员系统出现异常状况 是必不可少的环节 本次毕业设计中用音响信号作为报警电路的报警信号 如 图4 6所示 当单片机检测到变频器出现非正常状态时 单片机通过P3 4出发高 电平 三极管导通 电路形成回路 喇叭发出音响报警信号 R67 接单片机P3 4 图 4 6 报警电路 48 5 系统软件设计系统软件设计 软件设计是整个 UPS 电源控制的核心 通过合理设计软件 可令单片机系 统实时采集数据 并进行电压闭环控制 实时性好 快速响应用户命令进行输 出电压 对故障第一时间反应 处理 可靠性高 5 1 软件设计简介软件设计简介 仅仅只完成硬件的设计 单片机是不会正常工作的 控制系统的运行需要 设计软件进行控制 单片机系统软件一般由厂家提供 应用软件由用户根据实 际需要自行开发设计 由于机械工业的逐步发展 它已逐步向电子方向发展 因此应用软件已开始逐步商品化 如通用控制算法 PID 控制算法 浮点 定 点运算算法等一系列已有售 用户只须根据自己的需求 使程序完善就可以投 入使用 用起来方便 这将是应用软件的发展方向 尽管如此 对于一般的用 户来说 应用软件的设计总是需要的特别的单片机的应用系统 由于系统对应 用软件有实时性 灵活性 可靠性的要求 所以用户必须通过软件的设计工作 来满足这些要求 在软件的总体设计中 除应保证程序的正确性 即能可靠地实现系统的各 种功能外 还应具有以下特点 1 软件结构清晰 简洁 合理 相关的控制算法尽可能的最简单 2 为了便于调试和连接 各功能程序采用模块化子程序 3 程序存储区 数据存储区规划合理 4 运行状态实现标识化管理 设置标志以便状态的查询和根据状态进 行系统程序的转移 运行和控制 5 设置软件的自诊断程序 一提高系统的可靠性 软件设计的一般步骤如图 5 1 所示 49 开始 系统定义 程序是否有错 软件结构设计 建立数学模型 绘制程序流程图 编写程序 汇编 在线仿真调试 修改程序 固化到EPROM 结束 N Y 图 5 1 软件设计的一般步骤 5 2 软件设计思路与流程图软件设计思路与流程图 软件设计是整个 UPS 电源控制的核心 通过合理设计软件 可令单片机系 统实时采集数据 并进行电压闭环控制 实时性好 快速响应用户命令进行输 出电压 对故障第一时间反应 处理 可靠性高 本软件为模块化结构 主体由主程序 SA4828 发送 SPWM 波脉冲程序和 两个中断程序组成 用汇编语言进行编写 50 初始化 开中断 市电断电检测 P1 0 1 调用PWM波发生子程序 蓄电池过压 P1 2 1 置P1 5 1 置P1 4 1 蓄电池欠压 P1 1 1 直流侧过压 P1 3 0 置P1 6 1 置P1 5 0 开始 Y N N Y N Y N Y 图 5 2 主程序流程图 主程序流程图如图 5 2 所示 首先单片机需要复位初始化 开中断 然后 是检测电路向单片机输入信号 单片机接受信号并判断是否做出相应控制 具 体是先检测市电是否断电 若断电 P1 0 1 单片机则需要切换市电到蓄电池 上 使继电器 J1 动作 置 P1 4 1 然后开启 PWM 波产生电路 使逆变器工 作 再检测蓄电池的过压和欠压情况 若蓄电池欠压 P1 1 1 则需要闭合继 电器 J2 置 P1 5 1 使蓄电池连接充电器 若蓄电池充到过压 P1 2 1 时 则需要断开继电器 J2 置 P1 5 0 使蓄电池断开充电器 再检测直流侧过压情 况 若出现过压 P1 3 0 此时单片机需要闭合继电器 J3 置 P1 6 1 再 调用中断程序来检测负载端交流侧的过电流情况 若出现过电流 P3 3 0 则 单片机转到外部中断 1 的服务子程序 给 SA4828 一个复位信号使逆变器停 51 止工作并产生报警信号 所有信号检测完后 需要返回到开始 是检测得以循 环进行 保证单片机始终处在工作状态 保证 UPS 电源的可靠性 开始 往R0 R5写入控制参数 写R14完成数据传输 往R0 R5写入初始化参数 将SA4828复位初始化 写暂态寄存器R15 传输控制数据 控制参数是否更新 返回 Y N 图 5 3 PWM 波产生子程序流程图 SA4828 初始化命令和控制命令的参数计算及设置 主要用于确定频率调节 范围 死区时间 输出电压幅值 中心频率等 值得注意的是 SA4828 虚拟寄 存器 R14 的写操作是将 R1 R5 中的数据写入了初始化寄存器 而虚拟寄存器 R15 的写操作是将 R1 R5 中的数据写入了控制寄存器 因为 R14 R15 都不是 实际的寄存器 所以写入任何数据都没有关系 但一定要执行写操作 目的是 完成写入初始化寄存器和控制寄存器的工作 从程序流程图 5 3 中可以看出 单片机先将 SA4828 复位 在