一種單相在線式不間斷電源探究與設(shè)計(jì)*

李廷陽 張 媛 鄧志民 劉 群 萬 盈 榮傲華 胡安正

(湖北文理學(xué)院物理與電子工程學(xué)院 湖北 襄陽 441053)

單相在線式不間斷電源最早出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代末，迄今已有50多年的發(fā)展，不間斷電源早期作為工業(yè)設(shè)備的電力保護(hù)裝置，其質(zhì)量直接關(guān)系到所保護(hù)設(shè)備的電力供電狀況，成為保證安全和質(zhì)量的重要基礎(chǔ).隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，不間斷電源的重要性越來越突出，其在應(yīng)對(duì)突發(fā)斷電事故和減少停電造成的不必要損失方面發(fā)揮了不可磨滅的作用[1].

1 總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)方案框圖

系統(tǒng)由全橋Buck-Boost調(diào)壓電路、全橋逆變器、電壓采樣電路,以及單片機(jī)控制電路構(gòu)成.其中由單片機(jī)進(jìn)行正弦脈沖寬度調(diào)制(Sinusoidal Pulse Width Modulation, SPWM)，產(chǎn)生SPWM波用以驅(qū)動(dòng)自帶死區(qū)控制的橋式驅(qū)動(dòng)芯片IR2104，采樣電路選用二極管進(jìn)行全波整流，再通過LM358運(yùn)放濾波后進(jìn)行采樣.全橋Buck-Boost電路將會(huì)把輸入電壓穩(wěn)壓在一個(gè)合適的值后，再輸入給全橋逆變器.

2 系統(tǒng)中主要模塊探究與設(shè)計(jì)

不間斷電源預(yù)期指標(biāo)為：系統(tǒng)能夠穩(wěn)定輸出30 V左右,50 Hz的交流電，其總諧波失真度(Total Harmonic Distortion,THD)小于1%，負(fù)載調(diào)整率和電壓調(diào)整率小于2%,電源效率在90%以上，具有斷電保護(hù)、過壓過流保護(hù)等功能.為實(shí)現(xiàn)上述指標(biāo)要求，對(duì)以下模塊進(jìn)行分析論證.

2.1 穩(wěn)壓方案探究與選擇

本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)調(diào)壓和自動(dòng)穩(wěn)壓.初始方案是通過單個(gè)逆變器控制SPWM波幅值來調(diào)節(jié)輸出交流電的電壓大小，但在實(shí)際過程中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)改變SPWM波的幅度來調(diào)制時(shí)，會(huì)引起輸出逆變波形部分失真，THD增大，且效率不高；改進(jìn)為在逆變器之前增加了一個(gè)Buck-Boost調(diào)壓電路,如圖2所示.

圖2 全橋Buck-Boost電路

配合雙沿脈沖調(diào)制算法，實(shí)現(xiàn)升壓、降壓模式間平滑過渡，降低了輸出電壓紋波，對(duì)于輸入給逆變器的直流電壓能起到很好的控制效果.

2.2 逆變方案研究與選擇

逆變電路的主要功能就是將直流電變成交流電供給負(fù)載.依照逆變電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)又可將逆變器分為半橋逆變電路和全橋逆變電路.半橋逆變電路使用開關(guān)器件少，控制性能好，但其只適用于小功率逆變器.全橋逆變電路使用的開關(guān)器件多，驅(qū)動(dòng)較為復(fù)雜，但其電壓不高，輸出功率大，適用于大功率的逆變器[2].在本系統(tǒng)中，采用全橋逆變電路，如圖3所示.

圖3 全橋逆變電路

由STM32F103RCT6單片機(jī)輸出SPWM波，IR2104芯片驅(qū)動(dòng)4個(gè)MOSFET組成逆變橋.濾波部分采用LC低通濾波電路和電磁干擾濾波器(Electromagnetic Interference Filter).SPWM波形中所含的諧波主要是載波角頻率ω及其奇次諧波，LC濾波能夠抑制 SPWM 波中的諧波分量，提高逆變電源諧波的純度[3].

2.3 濾波器研究與設(shè)計(jì)

逆變器輸出會(huì)帶有基波的奇數(shù)次諧波,因此需要濾除這些諧波或者抑制這些諧波輸出[4].在斷電情況下，逆變器輸出需要向整個(gè)系統(tǒng)供電,因此,要求電路輸出電阻小,所以不選用RC無源濾波器而選擇用LC無源濾波器,后者比前者電阻小，濾波電路如圖4所示.

在設(shè)計(jì)過程中，由于逆變器需要輸出頻率為50 Hz的交流電，因此，選用1.5 mH的屏蔽電感和2.2 μF的無極性電解電容構(gòu)成LC無源濾波器，通過

公式計(jì)算得出LC濾波器截止頻率為2.77 kHz，滿足設(shè)計(jì)要求.

圖4 濾波電路

3 軟件流程及PID算法

圖5為軟件流程圖.本系統(tǒng)由電壓采樣部分、過壓保護(hù)、模式檢測(cè)部分以及各個(gè)模式的執(zhí)行部分組成.單片機(jī)通過ADC采集反饋的電壓，判斷當(dāng)前有無交流電壓輸入，輸出電壓采集后送入單片機(jī)進(jìn)行PID處理運(yùn)算，該系統(tǒng)采用增量式PI調(diào)節(jié)，PID將采集到的電壓值與系統(tǒng)設(shè)定值相比較得到當(dāng)前偏差，將該偏差送入PI控制系統(tǒng)后得到當(dāng)前輸出，該輸出與以前的輸出累計(jì)后得到系統(tǒng)總輸出，這樣進(jìn)行多個(gè)周期調(diào)整后，就能將系統(tǒng)輸出穩(wěn)定為設(shè)定值，形成穩(wěn)定的閉環(huán)系統(tǒng).同時(shí)單片機(jī)可通過判斷電壓值來判斷電壓有無超過安全電壓，以方便斷電，從而達(dá)到保護(hù)電路的作用.

圖5 軟件流程圖

4 總結(jié)

實(shí)物效果如圖6所示，該電源以全橋Buck-Boost電路和全橋逆變器為核心，能夠穩(wěn)定輸出30 V左右,50 Hz的交流電，失真度THD<1%,負(fù)載調(diào)整率和電壓調(diào)整率都在1.5%以下，該電源效率能夠保持在90%以上，在交流輸入斷開時(shí)，該電源能夠及時(shí)切換至直流電源輸入，保證輸出電壓不間斷.在運(yùn)行過程中，該系統(tǒng)還具有測(cè)量電壓、過壓過流保護(hù)功能.

圖6 實(shí)物效果圖