基于MC68HC908MR16數(shù)字化控制的不間斷電源系統(tǒng)

0 引言

隨著信息處理技術(shù)和微電子等精密技術(shù)的蓬勃發(fā)展，對供電系統(tǒng)質(zhì)量和可靠性的要求也越來越高，在一些用電質(zhì)量要求較高的場合，急需一種電壓穩(wěn)定、能同步跟蹤電網(wǎng)頻率、高可靠性的交流不間斷電源。UPS系英文Uninterruptible Power System的縮寫，中文意思是“不間斷電源系統(tǒng)”。UPS使供電系統(tǒng)的可靠性和質(zhì)量大大提高，同時使投資和運行費用降低，是信息時代不可缺少的能源系統(tǒng)。在很多由于計算機系統(tǒng)停電而使計算機丟失數(shù)據(jù)的行業(yè)，UPS起著不可替代的作用，如銀行、證券、通信、航空管理、生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)等。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

不間斷電源的種類很多，按不同的結(jié)構(gòu)和功能可以分為在線式UPS、在線互動式UPS、后備式正弦波UPS、后備式方波輸出UPS和Delta變換型UPS。從性能指標上看，在線式UPS>Delta變換型UPS>在線互動式UPS>后備式正弦波輸出UPS>后備式方波輸出UPS。從價格上看，在線式UPS、Delta變換型UPS和在線互動式UPS價格較高，后備式UPS便宜。

本系統(tǒng)采用的是后備式正弦波UPS，它適用于用電質(zhì)量不高又要求不能斷電的負載。它由充電器、逆變器、蓄電池組、靜態(tài)開關(guān)等組成。系統(tǒng)工作原理如圖1和圖2所示。

當市電供電正常時如圖1所示，連接逆變器的轉(zhuǎn)換開關(guān)關(guān)斷，連接電網(wǎng)的轉(zhuǎn)換開關(guān)開通，UPS將原來電壓起伏很大的市電經(jīng)過一種簡易的交流穩(wěn)壓器稍加穩(wěn)壓處理后，向用戶負載供電。同時經(jīng)充電器對蓄電池組充電。

圖1 市電供電正常時的工作原理

當市電供電不正常時如圖2所示，連接電網(wǎng)的轉(zhuǎn)換開關(guān)關(guān)斷，連接逆變器的轉(zhuǎn)換開關(guān)開通，逆變器在蓄電池組所提供的直流能源支持下，向用戶提供50Hz、220V正弦波交流穩(wěn)壓電源，同時充電器停止工作。

圖2 市電供電不正常時的工作原理

2 控制策略

2.1 UPS逆變器輸出電壓與電網(wǎng)電壓鎖相同步的實現(xiàn)

在市電故障時，為避免UPS的逆變器和市電電源切換瞬間對負載造成大的電流沖擊，必須保證電網(wǎng)電壓與UPS逆變器輸出電壓同頻、同相和同幅值，本系統(tǒng)通過MR16單片機對電網(wǎng)電壓采樣及相位捕捉，并與建立的電網(wǎng)電壓正弦表格相比較，經(jīng)邏輯判斷后控制逆變器輸出電壓的幅值和相位，從而實現(xiàn)與電網(wǎng)電壓的同步。如圖3所示，電網(wǎng)電壓的正弦波信號經(jīng)變壓器降壓再經(jīng)－2.5V基準電壓的提升，與＋2.5V基準電壓進行比較，在LM339的輸出端經(jīng)反向器后在PTE6口就可以得到與正弦波同頻、同相位的方波信號，方波的上升沿為正弦波的零相位處，下降沿為正弦波的180°相位處，方波信號送到單片機的I/O口，單片機通過對I/O的檢測就可以判斷電網(wǎng)電壓的相位。通過計算兩次上升沿的時間間隔就可算出電網(wǎng)周期。UPS逆變器正弦波的產(chǎn)生，是通過在MR16單片機的ROM中建立一個正弦表，在中斷程序中，由正弦指針讀取正弦值進行脈寬計算，從而產(chǎn)生SPWM波形輸出,正弦指針為零時對應的正弦波輸出電壓也為零，所以，當檢測到電網(wǎng)零相位點時，可以考慮通過比較正弦指針的值來判斷是否鎖相，指針為零則表明逆變器正弦波輸出與電網(wǎng)電壓波形鎖相同步，否則就要通過移相跟蹤電網(wǎng)電壓相位實現(xiàn)鎖相。

圖3 電網(wǎng)電壓的采樣及相位的捕捉