CN103618374A - 一种智能型方波输出不间断电源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智能型方波输出不间断电源，包括蓄电池和与其相连的不间断电源控制电路,所述不间断电源控制电路包括充电器、逆变电路、工频变压器、滤波电路、采样电路、切换开关、切换控制电路和辅助电源；蓄电池的一端通过充电器与电网相通，另一端依次通过逆变电路、工频变压器、滤波电路、切换开关与负载连接；切换开关的另一端与电网相通；采样电路与电网相通，并通过模数转换器与CPU的输入端连接；蓄电池通过CPU与切换控制电路和切换开关连接。当电网供电欠压或断电时，由蓄电池向逆变器提供电能；当市电再次正常供电时，由市电为负载供电。本UPS电源控制电路的整体电路性能优良，结构简单成本低廉,性价比高。

Description

一种智能型方波输出不间断电源

技术领域                                  

本发明涉及一种智能型方波输出UPS，具体地说是一种应用于个人计算机的单片机控制的后备式方波输出UPS。

背景技术

为了确保用电设备的安全，不间断电源（UPS，Uninterruptible Power Supply）受到高度的重视，并在不断进步和发展。UPS不仅渗透到国民经济的各个领域，而且在人们的日常生产、生活中也逐渐普及。而后备式方波输出UPS电源体积小，重量轻，安装容易，价格低廉，而且运行效率高，噪声低，非常适合作为一般计算机用户使用的普及型UPS电源。

发明内容

本发明的目的是提供一种智能型方波输出UPS，该UPS中的电源控制电路整体电路性能优良，结构简单成本低廉,性价比高。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种智能型方波输出UPS，其特征在于：该UPS包括蓄电池和与其相连的UPS电源控制电路,所述UPS电源控制电路包括充电器、逆变电路、工频变压器、滤波电路、采样电路、切换开关、切换控制电路和辅助电源；蓄电池的一端通过充电器与电网相通，另一端依次通过逆变电路、工频变压器、滤波电路、切换开关与负载连接；切换开关的另一端与电网相通；采样电路与电网相通，并通过模数转换器与CPU的输入端连接；蓄电池通过CPU与切换控制电路和切换开关连接。

本发明中，UPS电源控制电路还包括辅助电源，蓄电池、采样电路、模数转换器和CPU均与辅助电源连接；辅助电源与驱动电路连接，驱动电路与CPU连接。CPU与电脑连接。

当电网供电正常时，市电一路通过充电控制电路向蓄电池充电，另一路通过交流旁路转换开关直接送往用户；当电网供电欠压或断电时，转换开关断开市电与负载的连接转而连向逆变输出，同时由蓄电池向逆变器提供电能，逆变器产生的交流电经工频变压器升到220V左右，送往用户；当市电再次正常供电时，逆变器停止逆变，转换开关断开逆变输出与负载的连接转而连向市电，此时由市电为负载供电。在UPS的工作全过程中，PC机可以通过RS232通讯接口对UPS实施监控。

本UPS电源控制电路的整体电路性能优良，结构简单成本低廉,性价比高。

本UPS的功能主要有: 1)市电正常时，根据电池电压进行蓄电池智能充电管理；2）市电跟踪，发现市电欠压和断电时，逆变与市电同相位切换；3）逆变输出时根据电池电压的幅值调节PWM波脉冲宽度，实现逆变输出的稳压调节；4）逆变输出过载和电池欠压保护；5）与PC机（电脑）实现通讯、监控；6）在逆变输出时如果市电变为正常，首先进行逆变输出的仿相处理，跟踪市电，在市电与逆变同时过零处停止逆变转由市电供电。

附图说明

图1 是本发明系统总体结构框图。

图2 是本发明系统控制原理硬件框图。

图3 是本发明系统功率主电路原理图。

图4 是本发明中市电信号采集示意图。

图5 是本发明中继电器转换电路。

图6 是本发明中推挽开关电源主电路。

图7 是本发明中充电电路原理图。

图8 是本发明中基于RS232的通讯系统结构框图。

图9 是本发明中全系统软件流程图。

图10 是本发明中准方波六阶段示意图。

图11 是本发明中准方波产生流程图。

图12是本发明中 蓄电池充电流程图。

图13是本发明中 监控通讯流程图。

具体实施方式

一种智能型方波输出UPS，该UPS包括蓄电池和与其相连的UPS电源控制电路,所述UPS电源控制电路包括充电器、逆变电路、工频变压器、滤波电路、采样电路、切换开关、切换控制电路和辅助电源；蓄电池的一端通过充电器与电网相通，另一端依次通过逆变电路、工频变压器、滤波电路、切换开关与负载连接；切换开关的另一端与电网相通；采样电路与电网相通，并通过模数转换器与CPU的输入端连接；蓄电池通过CPU与切换控制电路和切换开关连接。

本UPS系统总体结构如图1所示。当电网供电正常时，市电一路通过充电控制电路向蓄电池充电，另一路通过交流旁路转换开关直接送往用户；当电网供电欠压或断电时，转换开关断开市电与负载的连接转而连向逆变输出，同时由蓄电池向逆变器提供电能，逆变器产生的交流电经工频变压器升到220V左右，送往用户；当市电再次正常供电时，逆变器停止逆变，转换开关断开逆变输出与负载的连接转而连向市电，此时由市电为负载供电。

UPS系统的硬件组成如图2所示，市电采样信号经适当转换由ADC(模数转换器)读入CPU；另一路市电通过限幅、比较，产生周期过零负窄脉冲作为相位零点和采样起点。CPU把采样信号与预设的标准值相比较，从而判断市电的有无和高低，以此确定是否切入逆变及转换时逆变输出的相位；同时在市电正常时，CPU启动充电控制电路，对电池进行充电。逆变时，CPU通过I/O输出两路相位相差180°的PWM信号给逆变器，同时停止向电池充电，启动工作指示告警电路，使红灯、蜂鸣器分别以2秒为周期闪烁和鸣叫，并不断检测电池电压，根据电池电压的高低调整输出准方波的脉宽，使输出电压的幅值较为稳定，当电池电压低于10.8V时，红灯变成常亮，蜂鸣器变成常鸣，当电池电压低于10.5V时，停止逆变。逆变过程中同时检测逆变输出电流，如果发生逆变过载，立即停止逆变。在正常逆变过程中，还采样市电平均值，当市电正常时，在逆变和市电同时过零点停止逆变，转向市电供电。在工作过程中，单片机通过MAX232实现电平转换，从而可以与PC机进行通讯。

系统功率主电路如图3所示。本机功率主电路采用推挽逆变器，由一个12V蓄电池提供直流电源，由单片机的两个I/O口产生驱动信号，使逆变状态中两开关管交替导通，产生准方波电压，再通过变压器升压后，向负载输出有效值基本稳定在220V的方波交流电压。

本系统确定市电的零相位点及市电采集过程如图4所示。市电V1经电阻分压后幅值大幅减小，并且由于稳压使得正弦被切掉一部分峰值变成采样信号V2，此采样信号与标准电压进行比较，再经反相器反相，使市电每周期在正半波起始点产生一个负窄脉冲V3。此脉冲输入单片机的一个I/O口，作为市电零相位点。从而以此作为采样零点和计算市电周期，单片机把每一个负脉冲作为上一周期的终点和这一周期的起点，并不断计时当前市电的周期，再把新计时得到的一个周期的时间平分为N份，作为采样间歇时间。实际上，就是以负窄脉冲作为零相位点，每360°/N（即2π/N）相位角采样一次市电信号值。单片机以每次采样点的序号n来记录当前的相位（即2nπ/N），这样使得相位跟踪的误差不会大于2π/N。换言之，从市电转换到逆变输出，两者的相位差小于2π/N，对于低成本的后备式UPS来说，N取20的话相位跟踪就足够了。

市电测试信号经过零检测电路输出市电过零负窄脉冲。单片机以此作为市电一周计时器的起点，同时作为电源同步切换的依据。为了判断市电与UPS的切换点，以市电电压所允许的最低电压为基准，以市电正半波的起始点为起点，每个周期（周期以实际测量为准）等分N份，取N-1个点作为基准点。工作时对输入的交流电每1/N周期进行一次中断采样，所以每个周期共取N-1个点，每个点连续采样两次并求取平均值，所得值与相应的基准值作比较，如果低于基准值，说明欠压或者断电，即可进行切换。另外，如果在采样零点发现周期计时超过预定值（即周期过长），则停止市电供电，单片机发出驱动信号，开始逆变输出。

为使转换时相位相同，逆变电压的正负和脉宽是由停电时市电的正或负和剩余时间确定的，单片机根据采样点的序号确定驱动信号的方波波形，从而实现了同步切换。

另外，逆变一开始就不断测试电池电压，根据电池电压的大小调整驱动信号脉冲的宽度，从而保证输出电压幅值的稳定。如果电池电压小于10.5V，就停止逆变。

逆变期间还测试输出电流，判断是否过载或短路，一旦过载立即停止逆变输出。

市电经分压得到的信号过电压跟随器再经RC滤波，使电压信号的平均值输入到模数转换器的模拟量输入通道。在逆变过程中，不断采样这个市电信号的平均值，判断市电是否已恢复。测试到市电恢复后，并不马上做逆变到市电的切换，因为此时的市电与逆变不是同相位的，如果市电与逆变一个在正峰值一个在负峰值时进行切换，不但会影响负载的正常工作，甚至有可能出现安全故障。所以恢复市电后，还要等待市电与逆变同相。本机在逆变输出电压的基波的正半波起始处作了标记，如果在此标记出现的0.3ms内，市电恰恰也出现了正半波起始点，则认为市电与逆变同时过零，基本同相位，此时才启动逆变到市电的切换，停止逆变输出，由市电为负载供电。采用这种同步切换，显著提高了后备式方波UPS电源转换的可靠性。为了减少这段等待时间，提高效率，还设计了一段程序。发现市电恢复正常后，就计时当前市电的周期，通过计算，如果市电频率大于50Hz则逆变输出设为45Hz；如果市电频率小于50Hz则逆变输出设为55Hz。这样通过拉大市电与逆变的频率差距，从而使上文中提到的市电与逆变正半波起始点的重合点尽早出现。

转换继电器必须选用快速继电器，以免造成微机/服务器误动作或数据丢失。机选用的是快速高可靠继电器，其动作时间等于5ms，这足以满足负载需要。实际采用的转换电路如图5所示。

本系统一般为PC机等供电，其负载为阻性或整流性。本系统采用的推挽型开关电源电路如图6所示。

为获得良好的输出，本机采用PWM控制方式。PWM控制是采用定时/计数器0置入时间常数进行定时，定时结束后，执行中断服务程序，来实现开关管的通断控制，发出连续的、脉宽不等的矩形波，并通过变压器的耦合作用进行幅值的放大。

为使单片机产生的PWM信号与市电交流电压同步，必须有一个同步提取电路，以产生同步脉冲信号，该信号加至单片机的外部中断口，在中断控制下，产生与市电同频同相的PWM信号。产生的PWM信号经驱动放大后，控制逆变器中的功率开关管，完成逆变功能。

随着逆变器工作，蓄电池持续放电，根据端电压变化而改变脉宽，可使输出电压的基波的有效值保持在要求范围内。

本机中ABM型电池管理系统实现方法如图7所示。

使维护人员随时了解和掌握UPS的运行状态和工作情况，本机共设有如下的显示和报警电路：市电供电指示灯（LINE-G,绿色），逆变供电指示灯（INV，红色），电池欠压指示灯（BATLOW,红色）及一个蜂鸣器报警喇叭。

所以为了实现单片机与PC机的串行通讯，本机采用了一个专门的电平转换芯片，系统结构如图8所示，PC机从RS232C接口的串行发送端口TXD发出“状态描述、测试”等命令，该命令通过MAX232电平转换，在经过隔离光耦到达单片机的串行接收端口RXD，单片机根据命令将相应的回答由单片机的串行发送端口TXD发出，经过光耦隔离，再经过MAX232电平转换，到达PC机的串行接收端口RXD。

系统总体实现流程如图9所示。开机后，首先进行初始设置，先把开关合到市电接通至负载，此时不允许逆变。同时控制表示市电正常的绿灯亮，表示逆变的红灯灭。并采样电池电压，根据其大小决定充电方式是采用浮充还是过充。在市电的起始点，T0计时市电周期，T1每一毫秒中断一次，再有一个市电起点出现后，T0计录下当前市电周期，把它除以二十作为采样间歇时间，以后总在新求取的采样间歇时间发生中断。每中断一次，连续采样市电信号两次，求取平均值，与单片机中预存的标准值进行比较，如果发现欠压或断电就进行市电到逆变的转换，转由逆变为负载供电，并停止向电池充电。转换时首先根据断电或欠压时市电采样点的序号，补齐一个波形，保证市电到逆变的同相转换。进入逆变供电后，控制表示市电正常的绿灯灭，表示逆变的红灯以2秒为周期闪烁，蜂鸣器以2秒为周期间歇鸣叫。并不断采样电池电压，在电池电压为10.8V时，控制逆变红灯长亮，蜂鸣器长鸣，以警告用户，如果未能及时关机，在电池电压下降到10.5V时，停止逆变，关机保护。如果电池电压正常，则采样逆变输出负载电流，与单片机内预存的阈值进行比较，一旦发生输出过载立即停止逆变，关机保护。正常逆变过程中，还通过采样电池电压，根据电池电压的大小调节输出电压的脉冲宽度，保证在电池放电、端电压下降的过程中，输出电压的幅值较为稳定。

在逆变过程中，还不断检查市电平均值，当市电正常时，在市电和逆变同时过零点处进行逆变到市电供电的转换。

为了更好的实现UPS的功能，本系统把一个PWM控制周期分成了六个阶段。如图10所示，第一阶段是P0.3清0，P0.4置1，使得T2管开通，T1管关断；第二阶段是P0.3置1，P0.4置1，使得T1管、T2管均关断；第三阶段是P0.3置1，P0.4清0，使得T2管关断，T1管开通；第四五六阶段都是P0.3置1，P0.4置1，使得T1管、T2管均关断的死区时间。为了实现逆变到市电的过零转换，在这段死区时间内设置了阶段5（A点到B点间），共计0.3ms，在这个阶段特别设置与其它阶段不同的标记，代表认定在此时间段内逆变的基波为正半波起始点（如图中虚线所示）。A点的选取是根据当时的死区时间求中点，B点是A点延时0.3ms后的点，而第六阶段就是死区时间减去前面第四第五阶段的时间。第六阶段结束后再从第一阶段开始，这样周而复始。

具体的实现方法见图11，进入逆变后，首先根据市电断开时的相位，用延时法补齐一个正弦波形，从而保证市电与逆变的同相位转换。然后，把P0.3清0，P0.4置1，并在定时器0中置入导通时间的初值，设置阶段计数为1，随之开定时器，开中断。中断发生时就是第一阶段完成，此时首先把阶段计数加一，确认为2阶段后，P0.3和P0.4置1，并在定时器0中置入关断时间的初值，随之开定时器。再发生中断时，2阶段完成，阶段计数加一，确认为3阶段，P0.3置1，P0.4清0，并在定时器0中置入导通时间的初值，随之开定时器。再发生中断时，3阶段完成，阶段计数加一，确认为4阶段，P0.3和P0.4置1，计算目前关断时间的中点A,并在定时器0中置入对应时间的初值，随之开定时器。再发生中断时，4阶段完成，阶段计数加一，确认为5阶段，P0.3和P0.4仍置1，并在定时器0中置入0.3ms的初值，随之开定时器。再发生中断时，5阶段完成，阶段计数加一，确认为6阶段，P0.3和P0.4继续置1，计算关断时间减去前两阶段所剩时间,并在定时器0中置入对应的初值，随之开定时器。再发生中断时，6阶段完成，阶段计数回1，至此完成一个准方波控制周期。

充电管理的控制程序流程如图12所示 。在每个充电周期的开始，首先由ADC（模数转换器）采样电池电压，如果小于10.5V，则欠压报警且不允许逆变，同时单片机两个充电控制端口同时置1，充电器以14.5V左右电压过充蓄电池6小时将电池充到90%的容量，然后再浮充42小时，将电池的容量从90%充电到100%，充满后单片机两个充电控制端口同时清0，使电池处于自泄漏微电流放电状态19天；如果在充电前采样电池电压，发现高于10.5V，就跳过过充状态，单片机两个充电控制端口一个置1、一个清0，充电器以13.5V左右电压浮充蓄电池42小时，然后再使电池处于自泄漏微电流放电状态19天。然后，再检查电池电压，重新开始一个充电周期，这样周而复始，只要是市电供电状态，就以这个周期进行充电。在由逆变器供电时，单片机控制充电器不充电。而逆变一结束，就立即采样电池电压，开始一个新的充电周期。

监控通讯流程图如图13所示，单片机在工作的开始先设置好通讯模式和波特率，一旦收到PC机的命令即进入中断，接收数据，判断是哪一个命令，并随之发出相应的数据给PC机，发送完毕后，跳出中断，等待PC机发出下一个命令 。

Claims (3)

1.一种智能型方波输出不间断电源，其特征在于：该不间断电源包括蓄电池和与其相连的不间断电源控制电路,所述不间断电源控制电路包括充电器、逆变电路、工频变压器、滤波电路、采样电路、切换开关、切换控制电路和辅助电源；蓄电池的一端通过充电器与电网相通，另一端依次通过逆变电路、工频变压器、滤波电路、切换开关与负载连接；切换开关的另一端与电网相通；采样电路与电网相通，并通过模数转换器与CPU的输入端连接；蓄电池通过CPU与切换控制电路和切换开关连接。

2.根据权利要求1所述的智能型方波输出不间断电源，其特征在于：不间断电源控制电路还包括辅助电源，蓄电池、采样电路、模数转换器和CPU均与辅助电源连接；辅助电源与驱动电路连接，驱动电路与CPU连接。

3.根据权利要求1所述的智能型方波输出不间断电源，其特征在于：CPU与电脑连接。

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