基于MC68HC908MR16数字化控制的不间断电源系统

0 引言

随着信息处理技术和微电子等精密技术的蓬勃发展，对供电系统质量和可靠性的要求也越来越高，在一些用电质量要求较高的场合，急需一种电压稳定、能同步跟踪电网频率、高可靠性的交流不间断电源。UPS系英文Uninterruptible Power System的缩写，中文意思是“不间断电源系统”。UPS使供电系统的可靠性和质量大大提高，同时使投资和运行费用降低，是信息时代不可缺少的能源系统。在很多由于计算机系统停电而使计算机丢失数据的行业，UPS起着不可替代的作用，如银行、证券、通信、航空管理、生产监控系统等。

1 系统结构及工作原理

不间断电源的种类很多，按不同的结构和功能可以分为在线式UPS、在线互动式UPS、后备式正弦波UPS、后备式方波输出UPS和Delta变换型UPS。从性能指标上看，在线式UPS>Delta变换型UPS>在线互动式UPS>后备式正弦波输出UPS>后备式方波输出UPS。从价格上看，在线式UPS、Delta变换型UPS和在线互动式UPS价格较高，后备式UPS便宜。

本系统采用的是后备式正弦波UPS，它适用于用电质量不高又要求不能断电的负载。它由充电器、逆变器、蓄电池组、静态开关等组成。系统工作原理如图1和图2所示。

当市电供电正常时如图1所示，连接逆变器的转换开关关断，连接电网的转换开关开通，UPS将原来电压起伏很大的市电经过一种简易的交流稳压器稍加稳压处理后，向用户负载供电。同时经充电器对蓄电池组充电。

图1 市电供电正常时的工作原理

当市电供电不正常时如图2所示，连接电网的转换开关关断，连接逆变器的转换开关开通，逆变器在蓄电池组所提供的直流能源支持下，向用户提供50Hz、220V正弦波交流稳压电源，同时充电器停止工作。

图2 市电供电不正常时的工作原理

2 控制策略

2.1 UPS逆变器输出电压与电网电压锁相同步的实现

在市电故障时，为避免UPS的逆变器和市电电源切换瞬间对负载造成大的电流冲击，必须保证电网电压与UPS逆变器输出电压同频、同相和同幅值，本系统通过MR16单片机对电网电压采样及相位捕捉，并与建立的电网电压正弦表格相比较，经逻辑判断后控制逆变器输出电压的幅值和相位，从而实现与电网电压的同步。如图3所示，电网电压的正弦波信号经变压器降压再经－2.5V基准电压的提升，与＋2.5V基准电压进行比较，在LM339的输出端经反向器后在PTE6口就可以得到与正弦波同频、同相位的方波信号，方波的上升沿为正弦波的零相位处，下降沿为正弦波的180°相位处，方波信号送到单片机的I/O口，单片机通过对I/O的检测就可以判断电网电压的相位。通过计算两次上升沿的时间间隔就可算出电网周期。UPS逆变器正弦波的产生，是通过在MR16单片机的ROM中建立一个正弦表，在中断程序中，由正弦指针读取正弦值进行脉宽计算，从而产生SPWM波形输出,正弦指针为零时对应的正弦波输出电压也为零，所以，当检测到电网零相位点时，可以考虑通过比较正弦指针的值来判断是否锁相，指针为零则表明逆变器正弦波输出与电网电压波形锁相同步，否则就要通过移相跟踪电网电压相位实现锁相。

图3 电网电压的采样及相位的捕捉