雙CPU控制電力專用UPS

1、雙CPU控制電力專用UPS煙臺東方電子玉麟電氣有限公司 何建軍 姜志強 李立偉 管善功 （煙臺 264001）摘 要：基于雙CPU控制的電力專用UPS，其控制以Intel公司近期推出的16位單片機80C196MC為核心，充分利用其片內(nèi)集成的三相波形發(fā)生器WFG，大大簡化了產(chǎn)生SPWM波形的硬件和軟件設(shè)計，同時采用Philips公司的8位 單片機P89C51RD2構(gòu)成外部接口單元，系統(tǒng)控制靈活，工作可靠。本文對此控制方法作了簡要論述。關(guān)鍵詞：UPS 電力系統(tǒng) 雙CPU控制1前言變電站、發(fā)電廠中的重要交流設(shè)備，如后臺機、RTU、變送器、通訊設(shè)備、事故照明等，以往一般采用不間斷電源（UPS）供電，以

2、備市電不穩(wěn)和斷電；但普通UPS設(shè)備存在價格貴、維護量大、故障率高等不足。因此，近年來電力專用UPS應(yīng)運而生，其優(yōu)勢在于：電力專用UPS可與變電站、發(fā)電廠中的直流操作電源系統(tǒng)配套使用，直接利用直流操作電源系統(tǒng)中的長壽命、大容量蓄電池，比常規(guī)UPS供電方案節(jié)約投資費用，減少系統(tǒng)維護，降低運行成本。電力專用UPS有兩大特點：首先，它歸屬UPS范疇,因此其工作原理、輸出特性與常規(guī)UPS完全相同；其次，由于它掛靠直流操作電源系統(tǒng)的直流母線，因此其輸入特性必須滿足電力工程系統(tǒng)的設(shè)計要求。電力專用UPS的直流供電電壓為220V或110V,但是直流供電電壓為220V/110V的常規(guī)UPS其實并不能很好地適用于

3、直流操作電源系統(tǒng)：其一，常規(guī)UPS工作所配的電池組是單獨使用的，一般不考慮與其它電池組的并聯(lián)使用，所以對于常規(guī)UPS而言，其直流輸入端的反灌雜音較大，直接與直流操作電源系統(tǒng)共用時，會在直流母線上產(chǎn)生較大的電磁干擾，嚴重時會影響系統(tǒng)的正常運行，而電力專用UPS的直流輸入端一般裝有反灌雜音抑制器，對直流母線的影響極小；其二，電力專用UPS的直流輸入端裝有防反隔離二極管，而常規(guī)UPS沒有，因此其內(nèi)部故障可能會危及直流操作電源系統(tǒng)的正常工作；其三，常規(guī)UPS僅有交流緩沖電路設(shè)計，這對直流操作電源系統(tǒng)而言是不夠的。由于直流操作電源系統(tǒng)所用電池組的容量較大，當(dāng)直流開關(guān)啟動瞬間，電池組產(chǎn)生的浪涌不但容易損壞

4、UPS內(nèi)部元件，而且也會耗損電池壽命，因此必須在電池組及逆變器之間加上緩沖啟動電路來解決上述問題，而電力專用UPS一般具有直流緩沖電路設(shè)計；其四，電力專用UPS關(guān)于直流輸入范圍的設(shè)計，充分考慮了直流操作電源系統(tǒng)的工作特點，其下限設(shè)定不低于電池放電終了電壓，上限設(shè)定遠高于電池均充電壓，因此在直流操作電源系統(tǒng)的整個工作過程中電力專用UPS均能正常工作，不會誤動，而常規(guī)UPS的直流輸入范圍通常需要重新設(shè)定。其五，直流操作電源系統(tǒng)的直流母線對地有絕緣要求，因此要求UPS的交直流輸入相互隔離。常規(guī)UPS的交直流輸入一般是不隔離的，而電力專用UPS的交流輸入端裝有隔離變壓器，滿足設(shè)計要求。 可見，電力專用

5、UPS具有常規(guī)UPS不可替代的功能。為適應(yīng)電力系統(tǒng)飛速發(fā)展的需要，我們有必要開發(fā)功能完善、工作可靠的電力專用UPS。2. 主電路設(shè)計與常規(guī)UPS一樣，電力專用UPS的主電路有高頻方案、工頻方案之分。3kVA及以下產(chǎn)品，通常要考慮配屏，對體積、重量、外形尺寸有要求，因此采用高頻方案來設(shè)計較為合理；3kVA以上產(chǎn)品，一般不再苛求配屏，從產(chǎn)品的性價比、工作可靠性來分析，工頻方案優(yōu)于高頻方案。本文提出的雙CPU控制電力專用UPS，額定輸出容量為5kVA，故采用工頻方案進行設(shè)計，結(jié)構(gòu)框圖如下：圖一 主電路結(jié)構(gòu)框圖當(dāng)電網(wǎng)供電正常時，整流電路將隔離的交流市電整流成平滑直流，然后逆變電路在主控單片機控制下將之

6、變換成基頻為50HZ的高頻SPWM波形，再經(jīng)輸出隔離變壓器升壓及低通濾波器濾波后，輸出我們所要求的220VAC/50Hz交流電；當(dāng)電網(wǎng)供電異常時，則由直流操作電源系統(tǒng)通過防反隔離二極管向本電源提供220V/110V的直流電，然后再逆變成220VAC/50Hz的交流電向負載供電。市電逆變供電與直流逆變供電具有零延時轉(zhuǎn)換功能。此外，本電源為在線式設(shè)計，因此只有在其內(nèi)部逆變器出現(xiàn)故障或發(fā)生輸出過載等情況，它才會將負載快速切換到交流市電上，保證負載不間斷工作。在本設(shè)計中，逆變部分采用了集功率管、驅(qū)動、保護（包括過載、短路、過熱、控制電源異常等多種保護）于一體的日本原裝智能IGBT功率模塊IPM,大大簡

7、化了主電路設(shè)計,使得整機只有一個高頻功率變換環(huán)節(jié)，可靠性大大提高。3. 控制系統(tǒng)設(shè)計控制系統(tǒng)的設(shè)計包括硬件、軟件兩方面，是整個電源的核心部分。為保證電源控制的實時性和工作可靠性，同時提高本電源與外部智能設(shè)備接口的靈活性，本設(shè)計采用雙CPU控制技術(shù)。圖二 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖主控單片機采用Intel公司近期推出的16位單片機80C196MC，采用匯編語言編程，主要完成SPWM波形生成、閉環(huán)穩(wěn)壓控制、同步鎖相、旁路切換邏輯控制、電參數(shù)實時檢測、故障保護等功能。接口單片機采用Philips公司的8位單片機P89C51RD2，采用C語言編程，主要完成顯示、設(shè)定、通信等功能。1)SPWM波形生成方法常用的S

8、PWM波形生產(chǎn)方法有3種：模擬電路法、數(shù)字電路法、專用集成芯片法。模擬方法電路復(fù)雜，硬件多，抗干擾性能差，有溫漂現(xiàn)象，可靠性較低；數(shù)字方法按照不同的數(shù)字模型用計算機算出各切換點，將其存入內(nèi)存，然后通過查表及必要的計算產(chǎn)生SPWM波，該方法占用內(nèi)存大，輸出的SPWM波1/4軸不對稱，會產(chǎn)生偶次諧波；由專用集成芯片生成SPWM波的技術(shù)近年來被廣泛采用，常用的有HEF4752、SLE4520、MA818、MA828、MA838、SA828、SA838等。它們多與微處理器連接，完成外圍控制功能，但在系統(tǒng)構(gòu)成上仍然較復(fù)雜。INTEL公司的16位微處理器80C196MC，片內(nèi)集成了一個3相波形發(fā)生器WFG

9、，可大大簡化產(chǎn)生SPWM的硬件和軟件設(shè)計,詳見參考文獻1。2）閉環(huán)穩(wěn)壓控制本系統(tǒng)采用輸出電壓有效值閉環(huán)控制。在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，通過優(yōu)化PID調(diào)節(jié)器設(shè)計，提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度。3) 軟件同步鎖相系統(tǒng)具有市電旁路功能，在負載過重或主電路故障時,為避免故障進一步擴大并保證負載連續(xù)供電，系統(tǒng)自動執(zhí)行從逆變器供電轉(zhuǎn)市電供電的切換操作，一旦故障消除，則由市電供電自動切換回到逆變器供電上。為減輕“拉弧”現(xiàn)象，避免過大沖擊，兩路交流電壓的相位、頻率必須保持一致，這就要求系統(tǒng)具有同步鎖相功能。本系統(tǒng)采用軟件同步鎖相技術(shù),首先把市電和逆變交流電變成矩形脈沖，通過脈沖上升沿的中斷捕獲時間值來判斷是否同步，

10、不同步就按照一定的速率調(diào)整逆變器輸出，直到同步為止。軟件同步鎖相相比于硬件同步鎖相，更加方便、可靠。4）界面設(shè)計通過對接口單片機系統(tǒng)的設(shè)計，可以完成以下功能：a. 液晶顯示b. 液晶背光亮度數(shù)字控制（校正受溫度影響而引起的變色） c. 遙控開關(guān)機d. 故障存錄(最多可記錄100條)e. RS232/RS485通信接口（由跳線設(shè)置）f. 內(nèi)建與上位機通信的標(biāo)準(zhǔn)通訊規(guī)約庫，,減輕用戶上位機的工作量g. 通信參數(shù)調(diào)整（如波特率修改等）h. 用戶可自定義管理模式4. 主要技術(shù)指標(biāo)按照上述設(shè)計方法，我們研制開發(fā)了DF0523電力專用UPS，主要技術(shù)指標(biāo)如下：1) 額定輸出容量：5kVA2) 直流輸入電壓：220VDC/110VDC3) 交流輸入電壓：220VAC 20%4）交流輸入頻率：50Hz 10%5）輸出波形：純正弦波6）輸出穩(wěn)壓精度： 3%7）輸出頻率精度： 0.1%8）輸出電壓相對諧波含量: 3%9）非線性負載峰值比: 3:110）逆變效率： 92%11）過載能力：過載110% ，工作持續(xù)時間不少于10分鐘 過載150% ，工作持續(xù)時間不少于10秒鐘 12）噪音: 50dB(A)5結(jié)論 根據(jù)電力系統(tǒng)對不間斷電源的特殊要求，設(shè)計并研制出了電力專用UPS。系統(tǒng)主電路采用智