專利名稱：大容量不間斷電源的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及不間斷電源(UPS)，尤其是涉及大容量UPS的電路結構。
UPS是隨著信息技術的高速發(fā)展和計算機的廣泛應用而出現的一種計算機外設。在線UPS是一種恒頻、穩(wěn)定、純凈正弦波輸出的高品質電源，它越來越多地成為重要場合供電方案的必選設備?，F有技術中，小容量UPS已得到非常廣泛的使用，它采用單相輸入單相輸出或三相輸入單相輸出，一般功率為1-10KVA，其技術難度不大，國內已有大規(guī)模生產。但對于金融、郵電、國家機關等計算機網絡系統，小容量UPS還遠遠不能滿足其功率需要，而需要使用大容量UPS。
所謂大容量UPS是指容量在30KVA以上，三相輸入三相輸出的UPS，其主要技術構成為雙變換式，即把三相交流電變?yōu)橹绷?，再把直流變?yōu)闉槿嘟涣麟娸敵觥Ｈ?br>
圖1所示為現有技術中，大容量UPS的電路構成，包括輸入部分、整流器、電池組、逆變器、轉換開關和輸出部分。三相交流電由輸入部分輸入整流器，經整流器全橋整流轉變成直流電；整流器接逆變器，電池組串聯后掛接在整流器與逆變器之間，整流器同時充當電池組充電器；直流電經逆變器逆變?yōu)槿嘟涣麟?，經轉換開關輸出。在市電工作狀態(tài)整流器提供電力供給逆變器，同時對電池充電，逆變器利用整流器供應的直流電源變換出交流電后，通過轉換開關供應給負載。在市電異常工作狀態(tài)當市電中斷或低于額定值的25％時，逆變器由電池組提供能量，這期間的輸出電壓不受任何影響，當電池組放電到它的最低電壓時，逆變器關閉，關閉前有聲光報警。在市電恢復工作狀態(tài)市電恢復正常時，整流器將自動提供電力供給逆變器，并對電池組進行限流恒壓充電，軟啟動后，逆變器將自動恢復工作。在旁路工作狀態(tài)如果關閉逆變器或輸出過載，負載無間斷地轉換為通過轉換開關的市電供電；重新啟動逆變器或過載消失后，負載自動轉為逆變供電。
由于大容量UPS存在較大的技術難度，國內目前無生產廠家，國外的主要生產廠商有EXIDE、梅蘭日蘭、APC，三菱等。對于大容量UPS，其核心部分是逆變器。逆變器的工作原理是產生正弦調制信號(SPWM)，使經整流器的直流電按SPWM信號通斷，從而轉換成交流電。在現有技術中，逆變器一般是采用模擬元器件，使用回饋迭加比較調制的技術來產生SPWM信號，因而所使用的元器件較多，電路結構復雜，控制精度難以提高。
本發(fā)明的目的在于克服現有技術的不足之處，而提供一種電路結構簡單，控制精度高的大容量UPS。
本發(fā)明的大容量UPS包括整流及濾波部分、逆變控制部分、逆變部分、監(jiān)控顯示部分、旁路/逆變轉換部分、電池組及輸入輸出配電部分，其特征在于，所述逆變控制部分采用微處理器(CPU)和可編程控制芯片，使各路回饋及采樣信號進入CPU進行計算后直接給出數字信號，通過可編程控制芯片接收并存儲來自CPU的數字量產生純數字的SPWM信號，來實現對逆變部分的控制。
由于本發(fā)明的大容量UPS的逆變器控制部分是采用CPU和可編程控制芯片，使SPWM信號為純數字化，電路結構簡單，增強了軟件的控制能力，提高了控制精度和可靠度。
下面結合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
圖1是現有技術中，大容量UPS的電路構成示意圖；圖2是本發(fā)明的一個實施例中，大容量UPS的整機邏輯框圖；圖3是圖2所示的大容量UPS的主電路框圖；圖4是圖2所示的大容量UPS中逆變部分和逆變控制部分的電路框圖5是圖2所示的大容量UPS的逆變控制原理框圖；圖6是圖3所示的大容量UPS中，CPU的工作流程圖。
如圖2和圖3所示，在本發(fā)明的一個實施例中，大容量UPS主要由以下幾大部分構成整流及濾波部分1、逆變控制部分2、逆變部分3、監(jiān)控顯示部分4、旁路/逆變轉換部分5、電池組6和輸入輸出配電部分。
整流及濾波部分1是由整流采樣板、整流控制板、整流驅動板、可控硅(SCR模塊)和濾波主電容等構成。這部分采用三相六脈沖晶閘管全橋整流，其功能是完成三相輸入交流電變換為直流電。該直流電一部分提供給逆變部分3，另一部分在電池組6需要充電時提供一個恒壓限流的直流電。
逆變控制部分和逆變部分共同構成UPS的核心——逆變器。其中，逆變控制部分的作用主要完成SPWM信號的產生及隔離驅動，通過各路回饋及采樣信號進入微處理器進行計算后直接給出數字的SPWM信號。逆變部分的功能是完成直流電/交流電(DC/AC)轉換，輸出三相四線制的交流電。
監(jiān)控顯示部分4主要由監(jiān)控板，LCD鍵盤及采樣傳感器組成，本部分功能是完成UPS系統的人機對話窗口和智能通訊接口，可提供UPS的各種參量狀態(tài)信息及設置。
旁路/逆變轉換部分采用靜態(tài)開關，其作用是在監(jiān)控部分的控制下，完成逆變和旁路的自動切換。
電池組6是由12V×32節(jié)電池組成，其作用是完成停電后的直流供電給逆變器的功能。
輸入輸出配電部分完成電網及負載與UPS的連接功能。
由于逆變控制部分和逆變部分是本發(fā)明的主要發(fā)明點所在，故對其作出詳細的說明。
如圖4和圖5所示，逆變控制部分包括一個由16位CPU和直接數字控制器(DDC)組成的控制板；三個逆變驅動板；六路電流采集，其中三路為絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)過流檢測信號(IAO、IBO、ICO)，三路為IGBT短路幀測信號(OPT1、OPT2、OPT3)；三路逆變電壓采集(VAO、VBO、VCO)；一路電池電壓采集(VDO)；一路連接件良好采樣(LINK OK)。在本實施例中，CPU是采用intel的十六位微處理器80C196，DDC是采用SA828芯片。各路回饋及采樣信號由CPU的A/D口及I/O口進入CPU進行計算后直接給出數字信號，通過DDC接收并存儲來自CPU的數字量產生純數字的SPWM信號，然后通過逆變驅動板實現對逆變部分的控制。逆變部分包括逆變橋、濾波回路和變壓器回路。其中，逆變橋采用三相全橋逆變器，選用IGBT模塊。逆變橋向濾波回路的輸出波是SPWM高頻率波，經過LC濾波后成為標準正弦波，再經變壓器轉換成所需的三相純正弦波信號。從效果分析，LC常數越大，正弦波就越好，但是帶來了動態(tài)性能變差的問題，因此，在本實施例中，在變壓器原邊加LC濾波以便降低變壓器直流分量和溫升。對于三相逆變變壓器，當帶有不平衡負載時，會產生三相輸出不平衡的問題。因此，在本實施例中，變壓器的繞組采用了特殊的方式，以解決逆變器不能控制零序分量的問題，即，變壓器的原邊為三角形接法；副邊設置有三個繞組(A、B、C)，三個輸出端(A0、B0、C0)和一個中線N；每個繞組再分成兩個小組，其中，每個小組分別和另一繞組中的一個小組串聯后接中線，從而形成一個接負載的輸出回路。如A繞組包括小組A21和A22，B繞組包括小組B21和B22，C繞組包括小組C21和C22；小組A21和B22串聯，形成輸出回路A0N，小組A22和C21串聯，形成輸出回路C0N，小組B21和C22串聯，形成輸出回路B0N。這樣，變壓器每個繞組的功率比例是由相鄰兩個繞組決定的，從而減小了三相輸出電壓三角形中點偏移和零序電流的問題，使三相輸出相對達到平衡。為了進一步濾掉高次諧波，降低波形失真度，在變壓器輸出端接入交流電容。由于逆變橋回路是SPWM信號，所以有直流分量，而工頻變壓器是按照基波50HZ正弦波設計，SPWM調制波工作時，就會發(fā)生變壓器磁飽和，從而引起橋路過流或損壞，所以在制作時在變壓器設計中加大其漏感量，使鐵芯之間有一個很小的氣隙。然而降低了變壓器效率，變壓器銅損增大，因此，需提高銅線的質量，提高散熱效果。
逆變器的工作主要是在CPU的外接存儲器中的軟件的控制下完成的。如圖6所示，CPU的工作流程如下(1)CPU進行初始化；(2)延時10秒，然后向DDC發(fā)初始化指令；(3)判斷是否有來自監(jiān)控顯示部分4的開逆變器請求，如果沒有，則進入步驟(6)，如果有，則進入以下步驟；(4)判斷電源電壓是否正常，如果不正常，則進入步驟(6)，如果正常，則進入以下步驟，(5)判斷逆變器溫度是否正常，如果不正常，則進入步驟(6)，如果正常，則進入步驟(7)；(6)逆變器關機，并返回步驟(3)
(7)CPU采用3秒斜坡起動方式啟動逆變器；(8)判斷電壓是否在設定范圍，如果否，則進入步驟(12)，如果是，則進入以下步驟；(9)判斷IGBT是否有過流，如果有，則進入步驟(13)，如果沒有，則進入以下步驟；(10)判斷IGBT是否有短路，如果有，則進入步驟(12)，如果沒有，則進入以下步驟；(11)判斷連接件是否良好，如果是，則進入步驟(14)，如果不是，則進入以下步驟；(12)逆變器關機；(13)CPU關SPWM，并進入以下步驟；(14)判斷電壓是否需要調整，如果不需要，則進入步驟(15)，如果需要調整，則進行電壓調整后再進入步驟(15)；(15)判斷逆變頻率是否需要調整，如果不需要，則進入步驟(16)，如果需要調整，則進行頻率調整后再進入步驟(16)；(16)判斷逆變相位是否需要調整，如果不需要，則進入步驟(17)，如果需要調整，則進行移相處理后再進入步驟(17)；(17)判斷電池電壓是否正常，如果不正常，則進入步驟(12)，如果正常，則進入以下步驟；(18)判斷開逆變器信號是否有效，且逆變器溫度是否正常，如果不是，則進入步驟(12)，如果是，則進入步驟(8)。
可見，電壓是采用快調和慢調兩種方法?？煺{是控制芯片根據CPU傳來的數據，依照本身的初始化命令產生SPWM信號，經驅動幀測電路產生三相正弦波。慢調是CPU采樣到電壓的變化率及頻率的變化運算比較后，向控制芯片傳送新的數據，來改寫調整電壓，以達到輸出電壓的穩(wěn)定性。為了保證逆變器在任意時刻都能與旁路電源進行無間斷切換，逆變器的頻率、相位必須跟蹤旁路電源的頻率和相位的變化，其稱之為鎖相。鎖相環(huán)是通過逆變器與旁路電源的頻率和相位進一步運算比較而調整逆變器的頻率和相位。我們的最小調整步距為0.02HZ，所以實際輸出頻率為50HZ±0.02HZ，這一調整過程不會影響基準頻率。
DDC產生純數字SPWM的過程如下接收并存儲CPU初始化命令和控制命令部分。其主要通過控制總線和地址/數據總線、暫存器、寄存器及24位初始化寄存器，以控制字的形式來實現。在工作之前，首先進行初始化，即從CPU向寄存器輸入控制字，進行系統參數設置。
然后，從內部波形只讀存儲器(ROM)中讀取SPWM調制波形數據。其工作過程是通過地址發(fā)生器、波形ROM及相位控制邏輯來形成的由于調制波形關于90°、180°、270°對稱，所以ROM中硬存0-90°的波形瞬時值，根據地址發(fā)生器的信號直接從波形ROM中讀取波形數據，然后通過相位控制邏輯，把它組成0-360°的完整波形和三相波形，而不需要CPU的幫助。
然后，SPWM信號經逆變輸出控制電路進行優(yōu)化。逆變輸出控制電路由脈沖取消和脈沖延時電路構成，脈沖取消電路用來將脈沖寬度小于設定值的脈沖去掉。延時電路保證死區(qū)間隔。
權利要求
1.一種大容量UPS，包括整流及濾波部分、逆變控制部分、逆變部分、監(jiān)控顯示部分、旁路/逆變轉換部分、電池組及輸入輸出配電部分，其特征在于所述逆變控制部分采用微處理器(CPU)和可編程控制芯片，使各路回饋及采樣信號進入CPU進行計算后直接給出數字信號，通過可編程控制芯片接收并存儲來自CPU的數字量產生純數字的SPWM信號，來實現對逆變部分的控制。
2.根據權利要求1所述的大容量UPS，其特征在于所述CPU是采用十六位CPU。
3.根據權利要求2所述的大容量UPS，其特征在于所述CPU是采用型號為80C196的CPU。
4.根據權利要求1或2所述的大容量UPS，其特征在于所述可編程控制芯片是采用直接數字控制器。
5.根據權利要求4所述的大容量UPS，其特征在于所述直接數字控制器是采用型號為SA828的芯片。
6.根據權利要求4所述的大容量UPS，其特征在于所述逆變控制部分包括一個由16位CPU和DDC組成的控制板；三個逆變驅動板；六路電流采集，其中三路為絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)過流檢測信號(IAO、IBO、ICO)，三路為IGBT短路幀測信號(OPT1、OPT2、OPT3)；三路逆變電壓采集(VAO、VBO、VCO)；一路電池電壓采集(VDO)；一路連接件良好采樣(LINK OK)；各路回饋及采樣信號由CPU的A/D口及I/O口進入CPU進行計算后直接給出數字信號，通過DDC接收并存儲來自CPU的數字量產生純數字的SPWM信號，然后通過逆變驅動板實現對逆變部分的控制。
7.根據權利要求1或2所述的大容量UPS，其特征在于所述逆變部分包括逆變橋、濾波回路和變壓器回路；其中，逆變橋采用三相全橋逆變器；逆變橋向濾波回路的輸出波是SPWM高頻率波，經過LC濾波后成為標準正弦波，再經變壓器轉換成所需的三相純正弦波信號。
8.根據權利要求7所述的大容量UPS，其特征在于所述變壓器的原邊加有LC濾波電路。
9.根據權利要求7所述的大容量UPS，其特征在于所述變壓器的原邊為三角形接法；副邊設置有三個繞組(A、B、C)，三個輸出端(A0、B0、C0)和一個中線(N)；每個繞組再分成兩個小組，其中，每個小組分別和另一繞組中的一個小組串聯后接中線，從而分別形成接負載的輸出回路。
10.根據權利要求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進行初始化；(2)延時，向DDC發(fā)初始化指令；(3)判斷是否有來自監(jiān)控顯示部分的開逆變器請求，如果沒有，則進入步驟(6)，如果有，則進入以下步驟；(4)判斷電源電壓是否正常，如果不正常，則進入步驟(6)，如果正常，則進入以下步驟，(5)判斷逆變器溫度是否正常，如果不正常，則進入步驟(6)，如果正常，則進入步驟(7)；(6)逆變器關機，并返回步驟(3)；(7)啟動逆變器；(8)判斷電壓是否在設定范圍，如果否，則進入步驟(12)，如果是，則進入以下步驟；(9)判斷逆變橋(IGBT)是否有過流，如果有，則進入步驟(13)，如果沒有，則進入以下步驟；(10)判斷IGBT是否有短路，如果有，則進入步驟(12)，如果沒有，則進入以下步驟；(11)判斷連接件是否良好，如果是，則進入步驟(14)，如果不是，則進入以下步驟；(12)逆變器關機；(13)CPU關SPWM，并進入以下步驟；(14)判斷電壓是否需要調整，如果不需要，則進入步驟(15)，如果需要調整，則進行電壓調整后再進入步驟(15)；(15)判斷逆變頻率是否需要調整，如果不需要，則進入步驟(16)，如果需要調整，則進行頻率調整后再進入步驟(16)；(16)判斷逆變相位是否需要調整，如果不需要，則進入步驟(17)，如果需要調整，則進行移相處理后再進入步驟(17)；(17)判斷電池電壓是否正常，如果不正常，則進入步驟(12)，如果正常，則進入以下步驟；(18)判斷開逆變器信號是否有效，且逆變器溫度是否正常，如果不是，則進入步驟(12)，如果是，則進入步驟(8)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種大容量UPS,包括整流及濾波部分、逆變控制部分、逆變部分、監(jiān)控顯示部分、旁路/逆變轉換部分、電池組及輸入輸出配電部分,其特征在于,所述逆變控制部分采用微處理器(CPU)和可編程控制芯片,使各路回饋及采樣信號進入CPU進行計算后直接給出數字信號,通過可編程控制芯片接收并存儲來自CPU的數字量產生純數字的SPWM信號,來實現對逆變部分的控制。本發(fā)明大容量UPS的電路結構簡單,增強了軟件的控制能力,提高了控制精度和可靠度。
文檔編號H02J7/00GK1360381SQ0013589
公開日2002年7月24日 申請日期2000年12月22日 優(yōu)先權日2000年12月22日
發(fā)明者李民英, 周志文 申請人:廣東志成冠軍電子實業(yè)有限公司