CN1159825C - 大容量不间断电源 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种大容量UPS，包括整流及滤波部分、逆变控制部分、逆变部分、监控显示部分、旁路/逆变转换部分、电池组及输入输出配电部分，其特征在于，所述逆变控制部分采用微处理器(CPU)和可编程控制芯片，使各路回馈及采样信号进入CPU进行计算后直接给出数字信号，通过可编程控制芯片接收并存储来自CPU的数字量产生纯数字的SPWM信号，来实现对逆变部分的控制。本发明大容量UPS的电路结构简单，增强了软件的控制能力，提高了控制精度和可靠度。

Description

大容量不间断电源
本发明涉及不间断电源(UPS)，尤其是涉及大容量UPS的电路结构。
UPS是随着信息技术的高速发展和计算机的广泛应用而出现的一种计算机外设。在线UPS是一种恒频、稳定、纯净正弦波输出的高品质电源，它越来越多地成为重要场合供电方案的必选设备。现有技术中，小容量UPS已得到非常广泛的使用，它采用单相输入单相输出或三相输入单相输出，一般功率为1-10KVA，其技术难度不大，国内已有大规模生产。但对于金融、邮电、国家机关等计算机网络系统，小容量UPS还远远不能满足其功率需要，而需要使用大容量UPS。
所谓大容量UPS是指容量在30KVA以上，三相输入三相输出的UPS，其主要技术构成为双变换式，即把三相交流电变为直流，再把直流变为为三相交流电输出。如图1所示为现有技术中，大容量UPS的电路构成，包括输入部分、整流器、电池组、逆变器、转换开关和输出部分。三相交流电由输入部分输入整流器，经整流器全桥整流转变成直流电；整流器接逆变器，电池组串联后挂接在整流器与逆变器之间，整流器同时充当电池组充电器；直流电经逆变器逆变为三相交流电，经转换开关输出。在市电工作状态：整流器提供电力供给逆变器，同时对电池充电，逆变器利用整流器供应的直流电源变换出交流电后，通过转换开关供应给负载。在市电异常工作状态：当市电中断或低于额定值的25％时，逆变器由电池组提供能量，这期间的输出电压不受任何影响，当电池组放电到它的最低电压时，逆变器关闭，关闭前有声光报警。在市电恢复工作状态：市电恢复正常时，整流器将自动提供电力供给逆变器，并对电池组进行限流恒压充电，软启动后，逆变器将自动恢复工作。在旁路工作状态：如果关闭逆变器或输出过载，负载无间断地转换为通过转换开关的市电供电；重新启动逆变器或过载消失后，负载自动转为逆变供电。
由于大容量UPS存在较大的技术难度，国内目前无生产厂家，国外的主要生产厂商有EXIDE、梅兰日兰、APC，三菱等。对于大容量UPS，其核心部分是逆变器。逆变器的工作原理是产生正弦调制信号(SPWM)，使经整流器的直流电按SPWM信号通断，从而转换成交流电。在现有技术中，逆变器一般是采用模拟元器件，使用回馈迭加比较调制的技术来产生SPWM信号，因而所使用的元器件较多，电路结构复杂，控制精度难以提高。
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，而提供一种电路结构简单，控制精度高的大容量UPS。
本发明的大容量UPS包括整流及滤波部分、逆变控制部分、逆变部分、监控显示部分、旁路/逆变转换部分、电池组及输入输出配电部分，其特征在于，所述逆变控制部分采用微处理器(CPU)和可编程控制芯片，使各路回馈及采样信号进入CPU进行计算后直接给出数字信号，通过可编程控制芯片接收并存储来自CPU的数字量产生纯数字的SPWM信号，来实现对逆变部分的控制。
由于本发明的大容量UPS的逆变器控制部分是采用CPU和可编程控制芯片，使SPWM信号为纯数字化，电路结构简单，增强了软件的控制能力，提高了控制精度和可靠度。
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
图1是现有技术中，大容量UPS的电路构成示意图；
图2是本发明的一个实施例中，大容量UPS的整机逻辑框图；
图3是图2所示的大容量UPS的主电路框图；
图4是图2所示的大容量UPS中逆变部分和逆变控制部分的电路框图；
图5是图2所示的大容量UPS的逆变控制原理框图；
图6是图3所示的大容量UPS中，CPU的工作流程图。
如图2和图3所示，在本发明的一个实施例中，大容量UPS主要由以下几大部分构成：整流及滤波部分1、逆变控制部分2、逆变部分3、监控显示部分4、旁路/逆变转换部分5、电池组6和输入输出配电部分。
整流及滤波部分1是由整流采样板、整流控制板、整流驱动板、可控硅(SCR模块)和滤波主电容等构成。这部分采用三相六脉冲晶闸管全桥整流，其功能是完成三相输入交流电变换为直流电。该直流电一部分提供给逆变部分3，另一部分在电池组6需要充电时提供一个恒压限流的直流电。
逆变控制部分和逆变部分共同构成UPS的核心——逆变器。其中，逆变控制部分的作用主要完成SPWM信号的产生及隔离驱动，通过各路回馈及采样信号进入微处理器进行计算后直接给出数字的SPWM信号。逆变部分的功能是完成直流电/交流电(DC/AC)转换，输出三相四线制的交流电。
监控显示部分4主要由监控板，LCD键盘及采样传感器组成，本部分功能是完成UPS系统的人机对话窗口和智能通讯接口，可提供UPS的各种参量状态信息及设置。
旁路/逆变转换部分采用静态开关，其作用是在监控部分的控制下，完成逆变和旁路的自动切换。
电池组6是由12V×32节电池组成，其作用是完成停电后的直流供电给逆变器的功能。
输入输出配电部分完成电网及负载与UPS的连接功能。
由于逆变控制部分和逆变部分是本发明的主要发明点所在，故对其作出详细的说明。
如图4和图5所示，逆变控制部分包括一个由16位CPU和直接数字控制器(DDC)组成的控制板；三个逆变驱动板；六路电流采集，其中三路为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)过流检测信号(IAO、IBO、ICO)，三路为IGBT短路帧测信号(OPT1、OPT2、OPT3)；三路逆变电压采集(VAO、VBO、VCO)；一路电池电压采集(VDO)；一路连接件良好采样(LINK OK)。在本实施例中，CPU是采用intel的十六位微处理器80C196，DDC是采用SA828芯片。各路回馈及采样信号由CPU的A/D口及I/O口进入CPU进行计算后直接给出数字信号，通过DDC接收并存储来自CPU的数字量产生纯数字的SPWM信号，然后通过逆变驱动板实现对逆变部分的控制。逆变部分包括逆变桥、滤波回路和变压器回路。其中，逆变桥采用三相全桥逆变器，选用IGBT模块。逆变桥向滤波回路的输出波是SPWM高频率波，经过LC滤波后成为标准正弦波，再经变压器转换成所需的三相纯正弦波信号。从效果分析，LC常数越大，正弦波就越好，但是带来了动态性能变差的问题，因此，在本实施例中，在变压器原边加LC滤波以便降低变压器直流分量和温升。对于三相逆变变压器，当带有不平衡负载时，会产生三相输出不平衡的问题。因此，在本实施例中，变压器的绕组采用了特殊的方式，以解决逆变器不能控制零序分量的问题，即，变压器的原边为三角形接法；副边设置有三个绕组(A、B、C)，三个输出端(A0、B0、C0)和一个中线N；每个绕组再分成两个小组，其中，每个小组分别和另一绕组中的一个小组串联后接中线，从而形成一个接负载的输出回路。如A绕组包括小组A21和A22，B绕组包括小组B21和B22，C绕组包括小组C21和C22；小组A21和B22串联，形成输出回路A0N，小组A22和C21串联，形成输出回路C0N，小组B21和C22串联，形成输出回路B0N。这样，变压器每个绕组的功率比例是由相邻两个绕组决定的，从而减小了三相输出电压三角形中点偏移和零序电流的问题，使三相输出相对达到平衡。为了进一步滤掉高次谐波，降低波形失真度，在变压器输出端接入交流电容。由于逆变桥回路是SPWM信号，所以有直流分量，而工频变压器是按照基波50HZ正弦波设计，SPWM调制波工作时，就会发生变压器磁饱和，从而引起桥路过流或损坏，所以在制作时在变压器设计中加大其漏感量，使铁芯之间有一个很小的气隙。然而降低了变压器效率，变压器铜损增大，因此，需提高铜线的质量，提高散热效果。
逆变器的工作主要是在CPU的外接存储器中的软件的控制下完成的。如图6所示，CPU的工作流程如下：
(1)CPU进行初始化；
(2)延时10秒，然后向DDC发初始化指令；
(3)判断是否有来自监控显示部分4的开逆变器请求，如果没有，则进入步骤(6)，如果有，则进入以下步骤；
(4)判断电源电压是否正常，如果不正常，则进入步骤(6)，如果正常，则进入以下步骤，
(5)判断逆变器温度是否正常，如果不正常，则进入步骤(6)，如果正常，则进入步骤(7)；
(6)逆变器关机，并返回步骤(3)
(7)CPU采用3秒斜坡起动方式启动逆变器；
(8)判断电压是否在设定范围，如果否，则进入步骤(12)，如果是，则进入以下步骤；
(9)判断IGBT是否有过流，如果有，则进入步骤(13)，如果没有，则进入以下步骤；
(10)判断IGBT是否有短路，如果有，则进入步骤(12)，如果没有，则进入以下步骤；
(11)判断连接件是否良好，如果是，则进入步骤(14)，如果不是，则进入以下步骤；
(12)逆变器关机；
(13)CPU关SPWM，并进入以下步骤；
(14)判断电压是否需要调整，如果不需要，则进入步骤(15)，如果需要调整，则进行电压调整后再进入步骤(15)；
(15)判断逆变频率是否需要调整，如果不需要，则进入步骤(16)，如果需要调整，则进行频率调整后再进入步骤(16)；
(16)判断逆变相位是否需要调整，如果不需要，则进入步骤(17)，如果需要调整，则进行移相处理后再进入步骤(17)；
(17)判断电池电压是否正常，如果不正常，则进入步骤(12)，如果正常，则进入以下步骤；
(18)判断开逆变器信号是否有效，且逆变器温度是否正常，如果不是，则进入步骤(12)，如果是，则进入步骤(8)。
可见，电压是采用快调和慢调两种方法。快调是控制芯片根据CPU传来的数据，依照本身的初始化命令产生SPWM信号，经驱动帧测电路产生三相正弦波。慢调是CPU采样到电压的变化率及频率的变化运算比较后，向控制芯片传送新的数据，来改写调整电压，以达到输出电压的稳定性。为了保证逆变器在任意时刻都能与旁路电源进行无间断切换，逆变器的频率、相位必须跟踪旁路电源的频率和相位的变化，其称之为锁相。锁相环是通过逆变器与旁路电源的频率和相位进一步运算比较而调整逆变器的频率和相位。我们的最小调整步距为0.02HZ，所以实际输出频率为50HZ±0.02HZ，这一调整过程不会影响基准频率。
DDC产生纯数字SPWM的过程如下：
接收并存储CPU初始化命令和控制命令部分。其主要通过控制总线和地址/数据总线、暂存器、寄存器及24位初始化寄存器，以控制字的形式来实现。在工作之前，首先进行初始化，即从CPU向寄存器输入控制字，进行系统参数设置。
然后，从内部波形只读存储器(ROM)中读取SPWM调制波形数据。其工作过程是通过地址发生器、波形ROM及相位控制逻辑来形成的：由于调制波形关于90°、180°、270°对称，所以ROM中硬存0-90°的波形瞬时值，根据地址发生器的信号直接从波形ROM中读取波形数据，然后通过相位控制逻辑，把它组成0-360°的完整波形和三相波形，而不需要CPU的帮助。
然后，SPWM信号经逆变输出控制电路进行优化。逆变输出控制电路由脉冲取消和脉冲延时电路构成，脉冲取消电路用来将脉冲宽度小于设定值的脉冲去掉。延时电路保证死区间隔。

Claims (10)

1.一种大容量UPS，包括整流及滤波部分、逆变控制部分、逆变部分、监控显示部分、旁路/逆变转换部分、电池组及输入输出配电部分，其特征在于：所述逆变控制部分采用微处理器(CPU)和可编程控制芯片，使各路回馈及采样信号进入CPU进行计算后直接给出数字信号，通过可编程控制芯片接收并存储来自CPU的数字量产生纯数字的SPWM信号，来实现对逆变部分的控制。
2.根据权利要求1所述的大容量UPS，其特征在于：所述CPU是采用十六位CPU。
3.根据权利要求2所述的大容量UPS，其特征在于：所述CPU是采用型号为80C196的CPU。
4.根据权利要求1或2所述的大容量UPS，其特征在于：所述可编程控制芯片是采用直接数字控制器。
5.根据权利要求4所述的大容量UPS，其特征在于：所述直接数字控制器是采用型号为SA828的芯片。
6.根据权利要求4所述的大容量UPS，其特征在于：所述逆变控制部分包括一个由16位CPU和DDC组成的控制板；三个逆变驱动板；六路电流采集，其中三路为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)过流检测信号(IAO、IBO、ICO)，三路为IGBT短路帧测信号(OPT1、OPT2、OPT3)；三路逆变电压采集(VAO、VBO、VCO)；一路电池电压采集(VDO)；一路连接件良好采样(LINK OK)；各路回馈及采样信号由CPU的A/D口及I/O口进入CPU进行计算后直接给出数字信号，通过DDC接收并存储来自CPU的数字量产生纯数字的SPWM信号，然后通过逆变驱动板实现对逆变部分的控制。
7.根据权利要求1或2所述的大容量UPS，其特征在于：所述逆变部分包括逆变桥、滤波回路和变压器回路；其中，逆变桥采用三相全桥逆变器；逆变桥向滤波回路的输出波是SPWM高频率波，经过LC滤波后成为标准正弦波，再经变压器转换成所需的三相纯正弦波信号。
8.根据权利要求7所述的大容量UPS，其特征在于：所述变压器的原边加有LC滤波电路。
9.根据权利要求7所述的大容量UPS，其特征在于：所述变压器的原边为三角形接法；副边设置有三个绕组(A、B、C)，三个输出端(A0、B0、C0)和一个中线(N)；每个绕组再分成两个小组，其中，每个小组分别和另一绕组中的一个小组串联后接中线，从而分别形成接负载的输出回路。
10.根据权利要求4所述的大容量UPS，其特征在于：所述CPU的工作流程如下：
(1)CPU进行初始化；
(2)延时，向DDC发初始化指令；
(3)判断是否有来自监控显示部分的开逆变器请求，如果没有，则进入步骤(6)，如果有，则进入以下步骤；
(4)判断电源电压是否正常，如果不正常，则进入步骤(6)，如果正常，则进入以下步骤，
(5)判断逆变器温度是否正常，如果不正常，则进入步骤(6)，如果正常，则进入步骤(7)；
(6)逆变器关机，并返回步骤(3)；
(7)启动逆变器；
(8)判断电压是否在设定范围，如果否，则进入步骤(12)，如果是，则进入以下步骤；
(9)判断逆变桥(IGBT)是否有过流，如果有，则进入步骤(13)，如果没有，则进入以下步骤；
(10)判断IGBT是否有短路，如果有，则进入步骤(12)，如果没有，则进入以下步骤；
(11)判断连接件是否良好，如果是，则进入步骤(14)，如果不是，则进入以下步骤；
(12)逆变器关机；
(13)CPU关SPWM，并进入以下步骤；
(14)判断电压是否需要调整，如果不需要，则进入步骤(15)，如果需要调整，则进行电压调整后再进入步骤(15)；
(15)判断逆变频率是否需要调整，如果不需要，则进入步骤(16)，如果需要调整，则进行频率调整后再进入步骤(16)；
(16)判断逆变相位是否需要调整，如果不需要，则进入步骤(17)，如果需要调整，则进行移相处理后再进入步骤(17)；
(17)判断电池电压是否正常，如果不正常，则进入步骤(12)，如果正常，则进入以下步骤；
(18)判断开逆变器信号是否有效，且逆变器温度是否正常，如果不是，则进入步骤(12)，如果是，则进入步骤(8)。
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