基于MC68HC908MR16數字化控制的不間斷電源系統

0 引言

隨著信息處理技術和微電子等精密技術的蓬勃發展，對供電系統質量和可靠性的要求也越來越高，在一些用電質量要求較高的場合，急需一種電壓穩定、能同步跟蹤電網頻率、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”。UPS使供電系統的可靠性和質量大大提高，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。在很多由于計算機系統停電而使計算機丟失數據的行業，UPS起著不可替代的作用，如銀行、證券、通信、航空管理、生產監控系統等。

1 系統結構及工作原理

不間斷電源的種類很多，按不同的結構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。

本系統采用的是后備式正弦波UPS，它適用于用電質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、靜態開關等組成。系統工作原理如圖1和圖2所示。

當市電供電正常時如圖1所示，連接逆變器的轉換開關關斷，連接電網的轉換開關開通，UPS將原來電壓起伏很大的市電經過一種簡易的交流穩壓器稍加穩壓處理后，向用戶負載供電。同時經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，連接電網的轉換開關關斷，連接逆變器的轉換開關開通，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電壓鎖相同步的實現

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，必須保證電網電壓與UPS逆變器輸出電壓同頻、同相和同幅值，本系統通過MR16單片機對電網電壓采樣及相位捕捉，并與建立的電網電壓正弦表格相比較，經邏輯判斷后控制逆變器輸出電壓的幅值和相位，從而實現與電網電壓的同步。如圖3所示，電網電壓的正弦波信號經變壓器降壓再經－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周期。UPS逆變器正弦波的產生，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電壓波形鎖相同步，否則就要通過移相跟蹤電網電壓相位實現鎖相。

圖3 電網電壓的采樣及相位的捕捉