孙小强1 吴艳美2
1.31121部队 广东 汕头 515041；2.75842部队 广东 广州 510510
摘要：小型发电机作为电力供应的重要设备，也是对电力资源的一种补充，它可以根据发电机电网电压、频率波动自动调节UPS输出电压、频率,使之保持输出电压稳定的方法。本文将围绕小型发电机电源下UPS输出电压和频率的单片机控制系统概述以及运行原理和结果的分析，以较好的解决电源电流的问题。
关键词：不间断电源；单片微型机；发电机；电源
一、系统概述
在线式UPS应能在任何电源供应情况下均可保证提供良好的正弦电压输出。当电网电源正常时,它通过一个称为功率因数补偿(PFC)的电路以较高的功率因数从电网汲取电能,将其以直流形式储存在储能电容中,再通过逆变电路逆变成高质量的正弦交流电输出,同时通过充电电路对后备电池充电。电源异常时则由电池提供能源,将电池中储存的直流电逆变输出。87C196KC控制的在线式UPS基本结构所示。这种UPS正常运行时,它的逆变器始终是工作的,旁路工作方式一般仅在UPS内部出现故障或输出过载时使用。单片机首先通过检测电路测出当前交流输入电压状况,确定启动PFC使用电网电源逆变还是启动直流升压电路使用电池逆变,然后检测直流母线电压,当其达到可逆变电平时,单片机立即发出正弦电压指令(SPWM)启动逆变器产生正弦交流电压输出。单片机根据实时检测不断调整指令脉宽,使输出电压迅速达到输出性能指标要求(220±2V),并保证当负载在额定范围内变化时始终保持输出电压指标。运行中单片机不断监测输入电源情况,随时准备根据其变化进行逆变的切换,即当发生停电、欠压、过压或频率异常时,迅速将其切换到电池供电逆变;电源恢复正常时再恢复到使用电网电源逆变。
二、SPWM正弦指令的产生
系统逆变部分主电路和控制电路。主电路由一对功率IGBT和滤波电感组成,以SPWM方式驱动输出正弦交流电压。87C196KC的PWM功能引脚可输出最高频率为31.2kHz的PWM信号,作为主电路的PWM载波信号源,通过三角波发生器二分频后产生15.6kHz的三角波模拟载波电压信号。利用87C196KC的高速输出口HSO,通过定时查表计算输出SPWM指令脉冲电压信号,将它经过一个二阶有源滤波电路形成模拟正弦指令电压,在脉宽形成与分配电路中与三角波叠加,形成主电路逆变所需的指令脉冲信号驱动功率管完成逆变。
为了滤除输出电压中的谐波、降低内部损耗,UPS逆变载波频率一般选择在20kHz左右。虽然HSO可输出SPWM信号,但若选择HSO直接控制逆变的全数字控制方案,则意味着SPWM的控制定时采样周期仅有50μs左右,对于还肩负UPS其它控制管理任务的单片机来说,程序运行时间显然不足,因此系统设计仍选择了数模混合控制的方式。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆这样SPWM1的采样周期可以取得较长,以让CPU有充足时间去处理其它事务。SPWM1由单片机在软定时中断服务中通过查表设定HSO形成,定时周期T由SPWM1的载波频率决定,当交流供电电源频率为标准50kHz时,本系统选择T=160μs,即SPWM1的载波频率约为6.7kHz。
三、发电机供电时输出电压频率与有效值的自动调节
为了提高UPS运行的功率因数和输出电压波形质量,在线式UPS采用了PFC技术。PFC的控制主要通过集成芯片3854的自动调节功能实现。当系统通电3854未工作时,功率管VT处于关断状态,正半周电源通过电感Li、整流二极管V1对电容C1充电,形成正向直流母线电压V+；负半周则通过Li、V2、对C2充电,形成负向直流母线电压V-,它相当于两个单相半波整流电路。PFC投入运行时,CPU控制启动3854,使功率管VT进入脉宽调制方式工作。在电源的正半周将正向直流母线的电压反馈信号Vf+接到3854,控制功率管导通时的电流由L流经Li、V3、VT、V6到N,在电感Li中积蓄电能；功率管关断时电感中积蓄的电能维持电流向原方向流动,通过V1对C1充电,使V+升高。在电压反馈的自动调节下,3854控制功率管的导通占空比,可提升V+使之最终稳定在逆变工作所需的+400V左右。电源负半周时则通过开关S将3854的电压反馈信号切换为Vf-,功率管导通时电流流通路线为N、V4、VT、V5、Li到L,在电感Li中积蓄能量;功率管关断时Li中的能量释放,通过V2对C2反向充电,在电压反馈的自动调节下使负向直流母线电压稳定在-400V左右。在线式UPS中的PFC原理电路的PFC电路在UPS逆变工作时,需要保证输出正弦电压与输入正弦电压同频同相,即要求输入与输出电压锁相运行。如果逆变运行时反馈开关按输入电压相位控制而输出电压与输入电压相位不同,则逆变输出从直流母线消耗的能量将不能立即从PFC获得补偿,最严重时刻发生在输出电压相位与输入电压相位相反时。例如当输入电压为正半周、输出电压为负半周时,逆变能量消耗使负直流母线电压降低,而此时3854连接的反馈电压为Vf+,负直流母线电压反馈Vf-并不能送达3854,3854的调节将严重滞后,最终将造成直流母线电压的大幅波动而严重影响输出电压品质。如果I/O电压不同相而反馈开关按输出电压相位控制,则效果更糟,最严重情况也发生在I/O电压反相时。例如当逆变使V+减时,Vf+被送达3854,3854立即向升压方向调节,但此时输入电压正处于负半波,因此升高的将不是应该提升的V+,而是不应该提升的V-,由此引起的直流母线电压波动更为剧烈,最终可能导致直流母线的瞬间过压使UPS损坏。显然,当I/O电压不同频时也必然会发生上述情况。对城市大电网来说,供电交流电源的频率一般比较稳定,与50Hz的标准频率偏差也较小,因此对PFC的锁相控制可以采用比较简单的方法,即在输入正弦电压每次过零度角时,将输出电压的相位锁定在零度角即可。这时即使不对逆变输出正弦指令的周期进行修正,仍按50Hz发出SPWM1,对输出小型发电机电源UPS输出电压和频率的单片机控制49电压波形的质量也不会产生显著影响。因为这时电网频率偏离50Hz很小,按50Hz输出的正弦电压仅会在360°附近与电网电压产生很小的相位偏差,不会对直流母线电压的调节产生显著影响。由于零度角的锁相控制,这个偏差不会被累积,而且在零度角的锁相对输出正弦电压相位进行的细微修正也不会影响输出电压波形的正弦度和有效值。
当采用小型发电机电网供电时情况则不同。由交流发电机原理可知,发电机输出电压的频率、幅值均和发电机的转速成正比。负载较重时,发电机转速降低,电源频率和幅值会随之下降,负载轻时则相反。由于发电机容量相对较小,即使发电机采用闭环调速,在有负载投入和切除时发电机的动态速度变化也会使输出电压频率产生数赫芝的较大波动。
四、运行结果
将上述控制方法用于3kVA在线式UPS,使用小型交流发电机供电,当发电机输出电压频率在40～60Hz间大幅度频繁波动时,UPS输出可保持正常,有效值稳定在220±3V范围。所以逆变输出电压波形畸变很小,幅值稳定,与输入交流电压锁相准确,取得了较好的控制效果。
五、结语
综上所述小型发电机电源下UPS输出电压和频率的单片机控制的运行原理进行了综合分析和探讨，本文通过对小型发电机电源下UPS输出电压和频率的单片机控制结果的掌握，最后为发电机电流正常运行的理论支持。
参考文献
[1]杨冠城.电力系统自动装置原理[M].北京:中国电力出版社,2007.
[2]王兆安,黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2010.
论文作者:孙小强1,吴艳美2
论文发表刊物:《防护工程》2018年第13期
论文发表时间:2018/10/2
标签：电压论文; 正弦论文; 发电机论文; 频率论文; 逆变论文; 母线论文; 电源论文; 《防护工程》2018年第13期论文;