UPS不间断电源项目设计方案.doc

UPS不间断电源项目设计方案第一章 概 述自从电子设备特别是计算机问世以来，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。1.1 UPS的发展1.1.1 UPS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。近期又出现了不间断蓄电池系统UBS(Uninterrupted Battery System)，见图1-3所示。它结合了动态UPS和静态UPS的优点，只是噪声稍大，主要应用于特殊场合，如野外、地下室等环境恶劣的场所。柴油发电 机蓄电池UPSOUT图1-3 UPS典型框图1.1.2 UPS的发展前景从以上UPS的发展历程可看出，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。1.2 本课题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。UPS的发展，并由此推动与之相关技术的发展，这也是我选择本课题的初衷之一。1.3 本课题的任务和要求1.3.1 本课题的任务本课题的任务是研究设计出新一代微机控制的可应用于网络的20KVA的智能UPS系统。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。1.3.2 本课题的要求1. UPS输入设计要求:(1)输入电压:380V10%(三相四线制)，频率50HZ15%；(2)输入容量能同时满足蓄电池均充和逆变器满载运行要求；(3)功率因0.8.2. UPS输出设计要求(1)三相输出电压380V2%,输出频率500.5%，并在一定范围内可调（电压正负5%，频率正负2HZ)；(2)输出功率大于额定功率（20KVA）；(3)过载能力125%-150%；(4)谐波失真度0.75，总功率因数0.8；(2)软启动功能；(3)逆变器与后备静态旁路锁相同步，两者切换时间100us；(4)具有功能指示和故障报警功能；(5)具有自保护功能；(6)具有RS232通讯接口，可远程监控、管理；第二章 系统整体设计方案UPS不间断电源装置不间断供电的含义就是指当交流输入电源（市电）发生异常或断电时，电源装置能继续向负载供电，而且能保证供电质量，使负载供电不受影响。实现此目的的交流不间断UPS电源的基本组成如图2-1所示:整流器逆变器蓄电池市电负载图2-1 UPS基本组成框图在此基本组成电路中，当市电发生断电或异常时，关键在于使用蓄电池放电，以蓄电池代替整流器，向逆变器提供直流输入从而保证负载供电的不间断和质量。如果深入地扩展分析，要保证负载的不间断供电和负载的供电质量，就必须增强UPS电源装置的可靠性，因为只有电源装置的可靠性提高了，才能使负载供电不间断和质量得到充分保证，这就要从UPS电源装置的结构和形式来考虑其设计方案。下面在分析不间断供电的原理的基础上，提出本课题的整体设计方案。2.1 UPS电源不间断供电的原理2.1.1 负载间断供电的原因造成负载间断供电的原因有很多，概括起来，主要有:1）交流输入电源（市电）突然发生停电。造成这种突然停电的原因较多，如：用户发生故障或事故，造成电源跳闸；雷击造成短路而跳闸，或者由于雷击引起输电线断裂；鸟害引起断裂而跳闸；台风或龙卷风将输电线刮断等。2）交流输入电源发生瞬间停电。3）电源装置发生故障而中断供电。因此，解决负载不间断供电须从以上三方面主要原因入手。2.1.2 不间断供电的原理从UPS基本组成原理图2-1可看出，(1)在交流输入电源正常的情况下，整流器一方面为逆变器提供直流输入电压，同时另一方面向蓄电池充电，使蓄电池储存能量；一旦交流输入电压发生异常或断电、或者整流器发生故障时，整流器就无直流输出，这时蓄电池自动代替整流器向逆变器提供直流输入电压，逆变器仍能正常工作。当市电恢复正常或者整流器故障排除后，恢复整流器供电，这样负载得到连续供电，不会产生间断供电的现象。(2)当逆变器发生故障时，很明显，图2-1所示结构的UPS就不能实现负载的不间断供电。解决的办法有两个：一是提供逆变器的备用单元；二是提供静态旁路辅助电源。具体来说:a.如果有逆变器的冗余备用单元，当逆变器故障时，通过快速开关立即切换至备用单元，保证负载的不间断供电，这时负载得到的仍是稳压稳频的交流电；b.如果有静态旁路辅助电源(或称静态旁路电源)，当逆变器故障时，通过静态开关迅速切换至静态旁路电源，向负载供电，不过，这时负载得到的是市电，供电质量比较差，无稳压稳频性能，但保证了负载不间断供电。一旦逆变器故障排除，即可恢复运行。(3)如果市电交流输入不正常的同时，逆变器又发生故障，这时要保证负载的不间断供电，可采用既有逆变器备用单元，又有静态旁路电源的设计方案。当交流输入恢复正常或者逆变器故障排除，通过静态旁路电源向负载供电(如果市电输入正常的话)；或者通过逆变器向负载供电(如果逆变器故障排除的话)。这种方案可保证负载的供电不间断。(4)电源装置根据实际情况需要定期检修，这时必须断开逆变器和静态旁路，但仍然要保证负载供电的不间断，这时可采用增加维修旁路电源的方案。当电源装置维修时，通过维修旁路开关切换至维修旁路电源，此电源取自市电；一旦维修完毕，即切换至逆变器供电或静态旁路电源供电。综上所述，不间断供电的原理实质就是从电源装置的组成结构上考虑如何实现负载的不间断供电:采用冗余结构或者其他可靠性设计方案。本课题根据1.3的设计要求和技术指标，从不间断供电的原理出发，提出下面的整体设计方案。2.2 系统整体设计原理框图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；(3)旁路辅助电源(包括维修旁路电源和静态旁路电源)是为维修、检修UPS，或者逆变器故障的情况下实现不间断供电的辅助电源。根据以上所述，提出如下设计原理框图(图2-2)：静态开关静态开关隔离变压器整流/充电器蓄电池逆变器1逆变器2负载维修旁路电源静态旁路电源市电输入辅助电源图2-2 系统整体设计原理框图下面以此原理框图从整流器/充电器、逆变器、旁路辅助电源三方面分析本设计方案。2.3 整流/充电器设计方案本设计中整流器和充电器合二为一，这主要是从功率大这个因素考虑的。为实现大功率整流和充电的需要，设计中借助于可控整流器件SCR，采用三相全控桥式整流充电电路，从而大大提高了可靠性、降低了造价。控制电路采用16位INTEL96系列的80C196单片机，控制简洁、方便、可靠。主回路电路示意图见图2-3所示。如图2-3所示，三相四线380V交流电压经空气开关KK、快速熔断器KRD、整流变压器降压隔离、再经三相全控桥式整流；整流输出经电感L、电容C滤波，LEM霍尔电流传感器，熔断器RD，接触器JQ接至220V蓄电池。微机(80C196单片机系统)控制回路由主控、测量、同步、脉冲输出、信号输入、信号输出及电源等部分组成。图2-3 整流/充电器设计方案2.4 逆变器设计方案逆变器的功率单元采用IGBT组成的三相桥式逆变电路；IGBT驱单元采用日本富士公司生产的EXB841驱动芯片组成的驱动电路；逆变控制系统设计采用冗余设计方案： 两套由INTEL公司生产的16位微处理器80C196MC组成的控制系统1#和控制系统2# (两者互为备用)共用一组功率单元及其驱动单元。如图2-4所示，逆变器的输入来自整流/充电器的直流输出，经三相IGBT全控逆变桥，在逆变控制系统SPWM控制方式下产生SPWM脉冲波输出，再经特殊设计的隔离变压器(原边为三角形接法，副边为星形接法)隔离、滤波后产生稳压稳频的正弦交流电输出。其中K2为快速晶闸管组成的静态开关，是为实现负载不间断供电而设置的转换开关。图2-4 逆变器设计方案2.5 旁路电源设计方案旁路电源是UPS不间断电源不可缺少的部分，它分为静态旁路电源和维修旁路电源。静态旁路是指利用静态开关(一对反并联的快速晶闸管组成)来实现逆变器供电和旁路供电之间的同步切换。因为快速继电器的动作时间至少为几毫秒，不能满足不间断供电的要求，而静态开关的导通和关断时间仅为数十微秒，因此可实现负载的不间断供电。维修旁路电源是为电源装置检修、维修时的备用电源。旁路电源一般取自市电电网。本UPS旁路系统设计方案如图2-5所示，图中只画出了一相的电路示意图。图2-5 UPS旁路电源设计方案第三章 整流/充电器的设计整流/充电器在UPS交流不间断电源装置中的作用主要有两个：一是将交流电整流为直流电，经滤波供给逆变器；二是给蓄电池提供充电电压，对蓄电池进行充电。整流器电路形式有很多，典型整流电路有：三相或单相桥式不可控整流电路、三相或单相桥式半控整流电路、三相或单相桥式全控整流电路、带平衡电抗器的12脉波整流电路等。大功率UPS不间断电源的整流/充电电路一般选用可控整流电路，这是基于整流器和充电器合为一体的设计考虑。具体来说：(1)通常希望逆变器能得到一个电压稳定的电源。但是由于种种因素的影响，比如市电电压变化频繁，有时低于380V(三相交流电输入)，甚至低达340V；有时高于380V，甚至高达420V等等，如果采用不可控整流电路，将使得整流器的直流输出不能保持稳定。只有采用可控整流电路，同时采用必要的负反馈环节，自动地调节脉冲相位，才能保证整流器的直流输出电压的稳定。(2)蓄电池充电电压必须能够调节。不可控整流电路不能提供蓄电池通常状态下的浮充电压和过放电以后的均充电压(均衡充电电压)两种不同大小的电压。因此采用可控整流电路比较好。在可控整流电路中，典型应用电路是三相桥式全控整流电路。3.1 整流/充电器主回路设计本设计中的整流/充电电路采用常见的三相桥式全控整流电路。其电路的基本原理这里不再详细说明。原理电路如下，图中KPl6为晶闸管。图3-1 三相桥式全控整流电路原理图3.1.1 整流变压器的设计由前面所述可知，三相电网电压经空气开关和快速熔断器后，接在一星形/三角形接法的变压器的原边。此变压器属整流变压器，不同于一般的电力变压器。1.整流变压器在此设计中的作用整流变压器在设计中的作用有三：(1)它可扩大整流电路中晶闸管控制角的调节范围，提高调节性能。(2)起隔离作用。它使整流电路与电网电源隔离开来，使它们之间不发生电的直接联系，这样可减轻电网对整流/充电电路的干扰和影响，同时也减少了整流/充电电路对电网上其他用电设备的干扰。(3)降压作用。整流变压器将电网电压变换成与负载相匹配的电压，这有助于提高晶闸管整流器的性能。一般清况下，整流器的副边次级电压低于原边初级电压，因此这里的整流变压器属降压变压器。它的接线方式要与同步变压器接线相配合，以满足主回路电路与同步电压之间的相位关系。2.整流变压器在设计上与一般电力变压器的区别整流变压器在设计上不同于一般的电力变压器：(1)接线方式上有严格要求。初级和次级绕组中要有一个接成三角形，一般以初级绕组接成三角形的居多，这样可避免供电电压波形的畸变；也可避免负载发生不平衡时出现中心点浮动。在三相四线制接法的输入中，整流变压器只有接成星形/三角形。本设计中就属这种情况。(2)要求具有较高的绝缘强度。这是因为晶闸管整流电路发生过电压的机会比较多。(3)要求适当增大变压器的导线截面积，这是因为晶闸管整流电路较易发生短路而产生过电流。基于(2)(3)的原因，使得整流变压器的体积比同等容量的电力变压器体积要大。3.容量和变比设计根据本设计中UPS的功率(20KVA)整流变压器的容量可选1.5倍UPS额定功率即30KVA，变比要根据蓄电池的电压而定。3.1.2 直流滤波电抗器和滤波电解电容的设计在图3-1中，P1、N1两端的整流输出为脉动的直流电压，在这种直流电压中还含有较多的交流成分，它不利于逆变器的工作和蓄电池的充电，所以不能直接送往逆变器和为蓄电池充电，必须经过滤波。1.滤波电抗器LL的作用可归结为以下三个方面：(1)平波作用。整流电压里含有对逆变器和蓄电池不利的交流成分，利用电抗器既能储存能量又能放出能量的特点，在电路中接入电抗器L减小整流电压脉动程度，起到平波作用。(2)续流作用。当整流器的晶闸管控制角增大到一定值后，在某段时间内桥式整流电路中各元件均不导通，此时整流器输出电压为零，输出电压的波形出现了不连续，输出电流也就出现了不连续。这必将影响逆变器和蓄电池的供电连续胜。如果接入了电抗器L，在这段时间内电抗器将通过续流二极管所提供的通路，把它储存的能量释放出来，供给逆变器和蓄电池，形成导通回路，保证输出电流的连续性。(3)限制短路电流上升率的作用。当直流侧发生短路时，直流回路中的电流将猛然增大，危及晶闸管和硅整流元件如整流二极管。利用电抗器上电流不能突变的特点，在电流中接入电抗器后可限制短路电流的上升率，从而起动保护整流器的作用。2.滤波电容C电容C是大容量、高耐压滤波电解电容，起平滑滤波作用。3.L和C的选用设计直流滤波器所用L和C的大小根据整流/充电器的容量合理计算，这里我们根据经验来取值。L-考虑电感量大小和电流，选1mH/600A。C-考虑大小和耐压值，选6800uF/450V两片。3.1.3 主回路电路综上所述，本整流/充电器的主回路电路如图3-2所示。在图3-2主回路电路中。图中各元件说明如下：图3-2 整流/充电器的主回路电路图KK-空气开关;ZB-整流变压器，接法为Y/11；RD1-3-整流输入端保护熔断器；RD4-整流输出端保护熔断器；YR1-3-整流输入端压敏电阻保护；YR4-整流输出端压敏电阻保护；S1-6-整流器件：晶闸管SCR；RI-6-晶闸管阻容吸收电阻；Cl-6-晶闸管阻容吸收电容；LEM-霍尔电流传感器；L-滤波电感；C7, C8-两个完全相同的滤波电解电容；BI-蓄电池组；A-直流电流表；V-直流电压表。在图3-2中，整流器件晶闸管SCR的参数应根据UPS的容量和蓄电池的端电压大小来选取。其阻容吸收电路的电阻和电容可根据经验公式选取。3.2 整流/充电器控制设计设计好整流/充电器的主回路电路后，进一步的工作就是设计控制电路。控制电路是整流充电器的核心，因为无论是整流直流输出作为逆变器的输入的控制，还是给蓄电池充、放电的控制，必须保证控制可靠、稳定、有序。因此对控制电路的要求如下：(1)晶闸管的触发控制电路要输出与主回路电路相同步的触发脉冲；(2)能调节整流输出大小，以满足对蓄电池充电的要求；(3)保证整流输出的稳定，以利于逆变器和蓄电池的工作；(4)整流器的起动要平稳，因而要控制起动速度，限制起动电流；(5)抑制过载电流，要有限流保护和过、欠压保护。根据上述要求，并紧密联系当前国内外保护、控制领域的发展形势，设计了以微机控制为核心的整流/充电控制系统。3.2.1 微处理器的选择现在市场上应用最为普遍的是8位单片机，但是在一些比较复杂的系统中，它就不得不让位与16位单片机。在本设计中我选用MCS-96系列单片机，它除了适用于一般的信号处理系统外，对于要求实时处理、实时控制的各类自动控制系统如工业控制系统、随动系统、分布式控制系统、变频调速系统等以及高级智能系统如高级智能仪器、高性能的计算机外部设备控制器、办公自动化设备控制器等都有其特有的优势。它在下列几个方面显示出其优越的性能和特点：(1)CPU的算术逻辑单元不采用常规的累加器结构，改用寄存器-寄存器结构，CPU操作直接面向256字节甚至512字节的寄存器，消除了一般CPU结构中的累加器如51系列单片机等的瓶颈效应，大大提高了操作速度和数据吞吐能力。(2)256或512字节寄存器中除了前端少量专用寄存器外，其余字节均为通用寄存器。这样多数量的通用寄存器就有可能为各中断服务程序中的局部变量指定专门的寄存器，免除了指定服务过程中保护寄存器现场和恢复寄存器现场所支付的软件开销，并大大方便了程序的设计。(3)指令系统执行更快、效率更高。可以对带符号数和不带符号数进行操作；还有符号扩展、数据规格化(用于浮点运算)等指令。另外，三操作数指令大大提高了指令效率。(4)在8OC196KC及其以后的芯片中，增加了一个外设事务服务器PTS,专门用于处理外设中断事务，它和普通中断服务过程相比，PTS服务大大减少了CPU的软件开销。(5)内部带有四路以上的模/数转换器(A/D)，8OC196MC具有多达13路A/D，而且KB以后的芯片转换位数8位和10位可选。A/D转换器集成于芯片内部，大大增强了信号采样电路的抗干扰能力，提高了电路的可靠性。(6)具有高速输入口HSI和高速输出口HSO或者比较/捕获 COMPARE/CAPCOMP，它们对于处理与时间有关的事件以及某些特殊输出提供了极大的方便。当然，MCS-96 系列单片机具有一般单片机所具有的全部外设装置：振荡器和时钟发生器、定时器计数器、标准输入/输出口、全双工异步或同步串行输入/输出口、监视定时器(Watchdog)、片选输出等。由此可看出，MCS-96系列16位单片机具有更丰富的软、硬件资源，具有更高的性能，它更适用于一些较复杂的系统中。基于以上原因，本课题中整流/充电器的控制电路采用了以80C196KC单片机为主控的微机控制系统。它主要由主控、测量与采集、脉冲输出与同步、信号输出以及电源等部分组成。控制电路组成框图如图3-3。80C196单片机主控系统小型开关电源模块测 量同 步给 定脉冲输出保护出口信号输出+24V（Vp）GND-15V+15VVSS+5V（VCC）AC220V或DC220V图3-3 整流/充电器的控制电路组成框图3.2.2 整流/充电器的微机控制系统1.整流/充电器的控制原理在UPS不间断电源中的整流器，除了供给逆变器直流输入外，还须完成对蓄电池的常规充电、快速充电、浮充电的功能。因此整流器的输出是随着UPS不间断电源工作状态的变化而变化。下面具体说明如何调节整流电路的输出。在图3-1中，在接上负载后的整流输出的大小为: （3-1）其中，为整流器输出的直流电源平均值；为整流变压器初级线电压；为整流变压器次级相电压；为晶闸管控制角，即晶闸管触发脉冲相位，是对应于触发脉冲出现的时刻距自然换相点的电角度，又称为延迟角。从公式3-1可看出，调节晶闸管的控制角即可调节整流输出。整流器提供给逆变器的直流输入必须是稳定的，这样才能有利于逆变器的正常工作，为此在设计中引入了电压负反馈并采用了PID控制算法。即通过电压传感器对整流输出电压进行取样，与期望值进行比较，根据差值进行PID控制，从而实现整流输出的稳定。2.主控电路设计基于80C196单片机丰富的内部资源，整流/充电器主控电路以80C196芯片为核心，只扩展了一片程序存贮器27C64,辅以地址锁存器74HC373，复位电路、参考电压电路及振荡电路。程序存贮器的片选信号直接取自80C196的地址线AD15，地址范围为:2000H-3FFFH。复位电路见图3-4。工作原理是:复位电路接收到硬件或软件复位信息(上电复位、监视定时器溢出、执行复位指RST)后，都会使单片机RESET引脚的电位变低。图3-4所示的复位电路具有上电复位功能。上电时通过R, C通路向电容C充电使单片机RESET引脚保持在低电平状态，随着复位电容充电电压的升高，RESET引脚电位变成高电平，完成上电复位。图中的二极管D为复位电容C在掉电的情况下提供了一条迅速放电的通路，这样可保证芯片的反复上电的情况下可靠地复位。图3-4 80C196单片机复位电路参考电压电路是为采样A/D转换电路提供参考基准电压。通过电阻降压、稳压管稳压获得。基准电压源采用LM336-5.OV，它是一种新型带隙基准电压源，具有温度系数小、动态阻抗低、工作电流范围宽等优点。应用电路见图3-5。其中振荡电路晶振频率采用8MHZ,振荡电容选33pF。图3-5 参考电压电路3.脉冲输出与同步电路设计如图3-1中，为了保证整流桥在合闸上电后共阴极组和共阳极组各有一个晶闸管导通，或者由于电流断续后能再次导通，必须对两组中应导通的一对晶闸管同时施加触发脉冲。为此可有两种触发方式：宽脉冲触发方式和双窄脉冲触发方式。宽脉冲触发是指使每个触发脉冲的宽度(一般取-)；双窄脉冲触发是指在触发某一号晶闸管的同时给前一号晶闸管补发一个脉冲，相当于用两个窄脉冲等效替代大于的宽脉冲。双窄脉冲触发方式中，在一个周期内对每个晶闸管需要连续触发两次，两次脉冲前沿的间隔，这种触发方式虽然比较复杂，但它可减少触发电路的输出功率，减小脉冲变压器的铁心体积。宽脉冲触发方式中虽然脉冲次数减少一半，但是为了不让脉冲变压器饱和，其铁心体积必然做得大些，绕组匝数多些，因而漏感增大，导致脉冲前沿不够陡，增加去磁绕组可改变这个情况，但又使装置复杂化。因此，在本整流器触发控制设计中，采用了双窄脉冲强触发方式。脉冲来自单片机8OC196的高速输出口(通过编程产生六路触发脉冲波)。80C196单片机的高速输出口HSO为晶闸管触发脉冲的产生提供了极大的方便。HSO应用于按程序设定的时间去触发某一事件，要求CPU的开销极少，因此速度块。利用HSO可产生宽度和周期符合晶闸管触发要求的脉冲。方法即是通过设定HSO.x的正跳和负跳时间。利用80C196单片机的产生六路晶闸管触发脉冲的原理就是按照整流电路中晶闸管触发导通的规律，在一周期内编程产生六路具有一定宽度和周期的双脉冲，再经功率放大电路、隔离电路以及脉冲变压器得到符合晶闸管触发要求的触发脉冲。晶闸管触发脉冲必须是具有一定宽度、幅值和陡沿的脉冲信号。一般来说，触发脉冲宽度为400uS，幅值10V左右，而且前沿要陡峭。晶闸管触发电流一般为mA级，而单片机输出口驱动电流只有几百uA，因此必须进行功率放大，本设计中采用驱动能力较强的MC1413芯片。经驱动后的驱动电流可达几百mA。采用光电隔离是避免单片机弱电工作电路不受主回路强电电路的干扰。采用脉冲变压器是基于匹配晶闸管门极触发电压的考虑。脉冲输出电路如图3-6所示。本节一开始，在控制电路要求中就提出晶闸管的触发脉冲必须与主回路电路相同步，因此要设计同步电路以保证触发脉冲与主回路的同步。同步电路取自主回路三相输入的A相，它经滤波、比较产生同步脉冲信号，见图3-7所示。图3-6 脉冲输出电路图3-7 同步电路4.测量与信号采集电路设计信号采集与测量包括开关量和模拟量的采集和测量。信号采集是针对80C196 单片机而言的，为实现测量结果的显示及保护等功能，必须有采集计算电路。利用80C196单片机的8路10位A/D 模/数转换器以及CPU的计算处理功能，可方便地处理测量结果和保护整定。但是，进入单片机的信号必须是经过调理的信号，它要求符合以下条件：(1)信号必须是非负的，而且幅值不能超过5V；(2)进入单片机输入口的信号是电压信号；(3)输入信号不能干扰单片机的正常工作。因此，进入单片机的信号必须经过适当的处理。对于电信号有电压和电流信号，在进入单片机之前电流信号要转换为电压信号，利用电阻即可实现；对于高压、交变信号要转换成低压非负信号才能进入单片机。 模拟电压信号有交流电压信号和直流电压信号，对应单片机的采集方法有交流采集和直流采集。不管哪种采集方法，进入单片机的信号都必须符合上面提出的三个要求。因此，对于交流信号，还要考虑将交变的信号转换为非负信号的问题。在本整流/充电器的设计中，采用直流采样。交流输入电压的过、欠压保护均通过整流后的整流输出值进行整定保护。因此本设计中模拟采集量包括整流输出电压和电流。它们是通过霍尔电压、电流传感器传送来的，它们有降压、隔离的功能。从传感器传送来的信号因含有谐波等干扰信号，不能直接进入单片机，须经过滤波、缓冲等环节。滤波采用R、 C滤波，缓冲采用电压跟随器，如图3-8所示。图3-8 直流采样电路5.信号输出电路设计信号输出包括状态信号输出如开关量的输出、指示灯的状态。开关量输出有保护继电器、光字牌、调压开关等。与开关量的输入类似，开关量的输出要有光电隔离、驱动等环节。开关量输出的典型电路见图3-9。图3-9 开关量输出电路指示灯是利用发光二极管的点亮与熄灭两种二选状态来指示装置各部分的工作正常与否，如Vcc、Vp、交流或直流输入电源的有无。装置的过、欠压保护、过流保护、同步保护是通过指示灯和继电器同时进行的，一方面指示故障类型，另一方面保护继电器动作，保护装置。6.工作电源设计装置的工作电源对整个装置工作的重要性是不言而喻的，因为一旦工作电源出现故障，整个装置就陷入瘫痪状态，正常工作就无从谈起。因此工作电源必须可靠、精确。本整流/充电器的工作电源设计采用以小型开关电源模块为中心的设计方案。此小型开关电源模块可输出+5V(Vss), +15V、-15V、 +24V(GND)等几种装置必须的工作电压。它的输入为交流220V或直流220V。基于整个装置控制电路工作功率的考虑，此开关电源模块输出电流为5V/1A, 24V/0.5A, 15V/0.3A、-15V/0.3A等几种。对于放大器的工作电源，TL084选用15V, LM324的V+为+6.2V, V-为-0.7V,它们分别由如图3-10所示的电路获得。图3-10 放大器工作电源电路3.2.3 整流/充电器的控制软件设计由于本论文是在已开发的直流充电装置的基础上进行的，因此它就作为了本设计中的UPS整流/充电器。此装置现已在很多地方运行、使用，技术非常成熟。并且整流/充电器的软件设计不是本论文的重点，在此就不作具体介绍了。需要强调的是，由于蓄电池在UPS不间断电源中的重要作用，作为给蓄电池充、放电的整流/充电器在UPS中也是至关重要的，这里也不再作为重点的研究说明。第四章 逆变器的设计 在整流/充电器设计的基础上，本章进行逆变器的设计，以完成从直流向交流的转变。 逆变器是在线式交流UPS不间断电源的核心，因为在在线式UPS系统中，无论市电正常与否，逆变电路都必须正常工作，除非逆变器发生故障，这是在线式UPS的特点决定的。因此，逆变器的设计在整个UPS设计中显得尤为重要。4.1 PWM逆变器的原理 逆变是将直流电变为交流电,实现逆变的电路称为逆变电路。UPS不间断电源的交流输出侧直接和负载相连，其中的逆变电路属于无源逆变。 在许多场合，电网提供的50Hz工频电源不能满足负载的特殊需要。UPS不间断电源的负载就是那些对电源的电压和频率的稳定性(220V/380V, 5OHz)、波形畸变等有着严格的要求，且绝不允许瞬时停电的特殊负载。逆变器的主要功能就是将整流/充电器输出的直流电压变换成稳压稳频CVCF(Constant Voltage Constant Frequency)的交流电。4.1.1 逆变电路及其控制方式1.三相桥式逆变电路逆变最基本的电路就是桥式电路。三相桥式逆变电路原理电路如图4-1所示。 图中的开关S1-6代表实际电路中的电力电子功率开关器件。只要开关按照一定的规律断开和闭合就能将直流电变为交流电。图4-1三相桥式逆变电路原理图在实际电路中，开关的切换(换相)通过换相电路或控制脉冲来实现。换相是逆变电路中一个十分重要的概念，因为实际电路中的电力电子开关器件并不是理想开关，它们的开通和关断必须在一定的控制条件下进行。无论是全控型还是半控型电力电子器件,只要给控制极适当的信号，就可以使其导通；但是关断时的情况就不同,全控型器件可以用控制极信号使其关断，而半控型的器件，必须采用一定的外部条件或措施才能使其关断。对于有自关断能力的器件来说，换相可通过自身来完成，称为器件换相；否则要借助其他手段来实现换相，如电网换相、负载换相、电容换相。 在本UPS不间断电源设计中，逆变器的直流输入侧来自整流器的整流输出或者蓄电池的直流输出，属于电压源，因此本设计中的逆变电路属于电压型逆变电路。它一般采用导电模式，即在一个周期内每个臂导通。2.控制方式 电压型逆变电路的典型控制方式有相控和PWM控制两种。 相控是指控制触发脉冲的相位，即脉冲触发时刻来改变输出电压脉冲的宽度，从而得到调节逆变输出电压的作用。这种控制方式输出电压为矩形波，其中含有较多的谐波，对负载有不利的影响；且功率因数不高，调节时动态响应慢。 采用PWM控制方式能够较好地克服上述缺点。 PWM(Pulse Width Modulation)即脉冲宽度调制控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使之输出一系列幅值相等、宽度不等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。按照一定的规则，对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变输出电压的大小，又可改变输出频率。理论和实践证明PWM逆变电路具有很强的谐波抑制能力。同时，它还具有下列特点： (1)逆变输出波形接近正弦波；(2)动态响应快；(3)功率因数高。 随着自关断器件的出现并成熟后，PWM控制技术得到了很快的发展，PWM型逆变电路获得了广泛的应用。如今，PWM控制技术己成为电力电子技术中一个非常重要的组成部分，它对提高电力电子装置的性能，推动电力电子技术的发展起着巨大作用。4.1.2 PWM逆变器的基本原理及PWM波的生成方法 正因为PWM控制技术的迅猛发展和广泛应用，逆变电路越来越多地采用PWM控制方式。下面详述PWM逆变器的基本原理。1.PWM控制的基本原理在采样控制理论中，有一个重要结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上，其效果基本相同即环节的输出响应波形基本相同。这个结论是PWM控制的重要理论基础。下面以正弦脉宽调制SPWM为例说明PWM控制的基本原理。(a） (b)图4-2 PWM控制的基本原理示意图如图4-2所示，在图4-2a中，将正弦半波分成N等份，把正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于n/N，但幅值不等，脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果此脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合，并且使矩形脉冲和相应正弦部分面积即冲量相等，就得到了如图4-2b所示的脉冲序列。这就是PWM波形。从中可看出PWM各脉冲的宽度是按正弦规律变化的。根据冲量相等效果相同的原理，此PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦负半周，可用同样的方法得到相应的PWM波形。这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，成为SPWM波形。 在PWM波形中，要改变等效输出正弦波的幅值只要按同一比例改变各脉冲的宽度即可。2.利用80C196MC单片机产生SPWM波形 根据上面分析的原理，我们选用80C196MC来产生SPWM波形。下面分析80C196MC单片机内部PWM波形发生器WFG ( Wave Form Generator )的原理及如何产生SPWM波形。图4-3给出了WFG的原理框图。正弦调制波三角载波死区信号时间发生器缓冲器输出相位比较器图4-3 80C196MC产生SPWM波形原理框图WFG有三个同步的PWM模块，可输出三相互补PWM波形。三对输出为WG1和/WGI, WG2和/WG2, WG3和/WG3,输出受WGOUT专用寄存器的控制。 WGOUT寄存器确定WFG时基计数器的计数方式(向上或向下)、工作方式(方式0、1、2、3)。 下面以中心对准工作方式0为例说明WFG产生PWM波的原理。 当WFG的时基发生器开始工作时，时基计数器开始向上计数，原始输出有效。当计数器的值和相位比较寄存器的值相等时即WGCOUNT=WGCOMP时，输出变为无效。然后计数器继续向上计数，直至WGCOUNT=WGRELOAD，计数器计数达到峰顶时，产生一次WG中断，发生一次相位比较寄存器修改值的重装载。随后计数器向下计数，这期间一对互补输出均无效，直至WGCOUNT再次等于相位寄存器WGCOMP的值，输出又变为有效，直至WGCOUNT又一次等于WGCOMP输出再次变为无效。如此反复，在WGx和/WGx产生一对互补PWM输出波形，如图4-4所示。图中： （4-1）WGRELOADWG-COUNTWG-COMPTcWG/WG1WG1WFGDTT-dead/WG1WG1图4-4 波形发生器产生中心对准PWM 其中为三角载波周期，为单片机的晶振频率。 为防止一对同时有效的互补PWM波作用于逆变器的上下臂产生直通问题，保证WFG的输出产生不交叠的波形，WFG中设置了无信号时间发生器或称为死区时间发生器，它是当WGCOUNT=WGCOMP时，相位比较器产生一跳变信号，跳变检测器检测到此跳变后，启动一个10位无信号时间计数器，其计数值由WGCON专用寄存器的低10位D9DO装入，并驱使计数器的输出DT为低电平，然后每个状态周期计数减1，直至到0。这时计数器停止计数，DT变为高电平。 （4-2）其中为死区时间计数器的值，为要求设置的死区时间us)。 值得注意的是死区时间的设置不能影响PWM的正常输出。因为太大的死区时间可能导致WFG无PWM输出。理论上要保证脉冲宽度不小于3。在图4-4中可看出设置了死区时间后的PWM波形输出。 WFG内专门设置了保护电路，由WGPROTECT专用寄存器控制，并作用于EXTINT脚。 由上述80C196MC单片机的波形发生器WFG产生PWM波的基本原理可知，要产生正弦脉宽调制SPWM波形，必须按正弦规律控制WFG