基于STC89C52的智能化工頻交流UPS系統(tǒng)

趙水英，曹吉花，郭煥銀，張翠俠，朱 光

(宿州學(xué)院 機械與電子工程學(xué)院,安徽 宿州 234000)

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·信息科學(xué)·

基于STC89C52的智能化工頻交流UPS系統(tǒng)

趙水英，曹吉花，郭煥銀，張翠俠，朱 光

(宿州學(xué)院 機械與電子工程學(xué)院,安徽 宿州 234000)

設(shè)計了一套低成本、智能化的以STC89C52單片機作為主控制器的UPS系統(tǒng)。通過該單片機對市電異常電壓進行監(jiān)測,控制轉(zhuǎn)換開關(guān)執(zhí)行電網(wǎng)電力與蓄電池供電的切換，對蓄電池電壓電流大小進行判斷，完成對蓄電池恒流、恒壓和浮充充電智能化充電管理。通過實驗測試,對UPS輸出電壓進行了諧波分析，設(shè)計的系統(tǒng)不僅可以提高蓄電池的充電效率,還能有效地延長蓄電池的使用壽命，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠、成本低,電網(wǎng)與UPS系統(tǒng)供電切換快速可靠。

STC89C52;UPS;蓄電池;充電管理;諧波分析

UPS(Uninterrupted power supply)即不間斷供電電源,它是一種由開關(guān)、變流器和儲能裝置組合構(gòu)成的電源設(shè)備,它通常被置于市電和負(fù)載之間,主要用于給單臺計算機、計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)或其他電力電子裝置提供不間斷的電力供應(yīng)[1]。隨著新一代信息技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)、云計算等產(chǎn)品的不斷涌現(xiàn),并伴隨著IT技術(shù)應(yīng)用建設(shè)的不斷深入和行業(yè)數(shù)據(jù)的大集中趨勢,促進了下一代數(shù)據(jù)中心建設(shè)的飛速發(fā)展,從而大大增加了UPS電源應(yīng)用的需求量。由于傳統(tǒng)的UPS電源存在一些不足:①以模擬電路為基礎(chǔ),用線路把各個模塊的硬件電路連接起來,導(dǎo)致其體積大,安裝不方便;②直接利用逆變器給負(fù)載供電,致使負(fù)載供電電壓不穩(wěn)定;③采用恒壓一種方式給蓄電池充電,造成蓄電池長期處于充不滿的狀態(tài),大大降低了蓄電池的使用壽命。針對這些問題,本系統(tǒng)擬采用轉(zhuǎn)換開關(guān)檢測電路作為供電系統(tǒng)和負(fù)載之間的橋梁,利用單片機控制轉(zhuǎn)換開關(guān)電路，完成市電與逆變器之間的切換。在蓄電池充電管理方面,通過單片機對蓄電池電量實時檢測,控制充電電路實現(xiàn)恒壓、恒流和浮充多階段結(jié)合的充電方式。采用STC89C52單片機為核心控制器的UPS系統(tǒng),不僅可以實現(xiàn)準(zhǔn)確的供電控制,提高了系統(tǒng)的可靠性、降低了成本,還優(yōu)化了供電系統(tǒng)和充電系統(tǒng)。

1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計

設(shè)計的控制系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。系統(tǒng)采用STC89C52單片機作為主控芯片,以蓄電池作為儲能設(shè)備，系統(tǒng)主要由整流電路、蓄電池充電電路、逆變電路和轉(zhuǎn)換開關(guān)電路等功能模塊構(gòu)成。其中,電抗器采用并聯(lián)電抗器與電容器并聯(lián),目的是限制電網(wǎng)中的高次諧波,起到穩(wěn)定交流電的作用[2-3]。逆變電路采用SPWM控制技術(shù)完成直流到交流電的變換。系統(tǒng)工作時,當(dāng)市電正常供電時,電網(wǎng)經(jīng)過電抗器濾波給負(fù)載供電;同時,交流市電通過電抗器濾波經(jīng)整流電路整流后,由蓄電池充電電路給蓄電池充電,進行儲能。當(dāng)電網(wǎng)突然停電使市電供電中斷時[4],單片機立即發(fā)出控制信號，一方面使蓄電池充電電路停止給蓄電池充電,另一方面控制轉(zhuǎn)換開關(guān)切換至逆變電路,采用UPS系統(tǒng)給負(fù)載供電。即蓄電池經(jīng)過逆變電路將直流電變換為交流電,能夠繼續(xù)為負(fù)載提供滿足要求的交流電源,以確保負(fù)載工作不間斷。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 General block diagram of the system

2 硬件關(guān)鍵技術(shù)模塊設(shè)計

2.1 轉(zhuǎn)換開關(guān)檢測電路的設(shè)計

負(fù)載是由市電電網(wǎng)供電還是UPS供電，主要取決于轉(zhuǎn)換開關(guān)檢測電路的檢測情況。比如,當(dāng)電網(wǎng)電壓在160V～220V之間變化為正常變化，市電電網(wǎng)給負(fù)載供電,如果電壓超過正常變化范圍將切換為UPS電源供電。設(shè)計的轉(zhuǎn)換開關(guān)檢測電路如圖2所示,采用LM339的電壓比較器和單片機對電網(wǎng)電壓進行監(jiān)控,完成市電和逆變器之間的切換。其中,LM339引腳10和引腳12的電壓分別作為市電下限保護和上限保護的基準(zhǔn)電壓。

由圖2可知,對于有無市電的檢測,是變壓器T1的檢測信號經(jīng)D2，D3整流和電容C1，C2濾波后,產(chǎn)生一個4.5V的電壓送到LM339的引腳7,作為是否有無市電的監(jiān)測信號。有市電時,LM339的引腳1輸出高電平。另一個檢測信號來自變壓器T1次級線圈產(chǎn)生的監(jiān)測電壓信號,該信號經(jīng)二極管D0，D1整流、經(jīng)C3濾波后在H點產(chǎn)生一個2V電壓,分別送給LM339的引腳9和引腳11。當(dāng)市電供電正常時,LM339的13和14引腳都輸出高電平。這些信號比較經(jīng)單片機處理后,進而控制市電和逆變器之間的切換。

圖2 轉(zhuǎn)換開關(guān)檢測電路設(shè)計Fig.2 Designer of detection circuit about switch

圖3 蓄電池充電電路設(shè)計Fig.3 Designer of battery charging circuit

2.2 蓄電池充電模塊的設(shè)計

設(shè)計的蓄電池充電電路如圖3所示。采用LM317提供恒壓源和恒流源,通過STC89C52單片機實時檢測蓄電池電壓情況,對蓄電池充電方式進行管理[5]。當(dāng)單片機檢測到電池電量較低時,單片機P2.1端口選擇恒流充電方式,利用LM317進行穩(wěn)流控制,電流可在10mA～1.25A范圍內(nèi)調(diào)節(jié),通過調(diào)節(jié)滑動變阻器RP1的大小，滿足蓄電池充電電流要求;恒流充電結(jié)束后,單片機P2.1端口輸出信號，使蓄電池進入恒壓充電階段,恒壓源采用LM317進行穩(wěn)壓控制,電壓可在1.3V～30V調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)滑動變阻器RP2，使蓄電池充電電壓滿足需求;若單片機檢測到蓄電池電量充滿時,單片機端口P2.0輸出低電平,使蓄電池進入浮充狀態(tài),同時恒壓源和恒流源不工作。采用這種充電方式給蓄電池充電,不僅可以加快充電過程,提升用電效率,還能有效地延長蓄電池的使用壽命。

3 系統(tǒng)軟件模塊設(shè)計

為了解決市電出現(xiàn)故障不能給負(fù)載正常供電的問題,結(jié)合系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計,設(shè)計的系統(tǒng)軟件部分需要完成的控制功能主要包括市電與逆變器[6-8]切換模塊和充電控制模塊[9-10]。市電與逆變器切換模塊用于控制市電異常時轉(zhuǎn)換為蓄電池供電,設(shè)計的程序控制流程圖如圖4所示。設(shè)計的控制思路:系統(tǒng)初始化后,首先判斷市電是否有異常,如果沒有異常,市電一方面給交流負(fù)載供電,另一方面給蓄電池充電,使蓄電池儲存電能;如果判斷市電不能正常給負(fù)載供電,蓄電池停止充電,切換為蓄電池供電,逆變電路將蓄電池提供的直流電通過SPWM控制技術(shù)[11]變換為交流電,確保交流負(fù)載正常工作;然后再次判斷市電是否恢復(fù)正常,若市電恢復(fù)正常,則重新切換為市電給負(fù)載供電,進入系統(tǒng)初始化;若市電未恢復(fù),仍然是蓄電池給負(fù)載供電。

由于蓄電池是整個UPS系統(tǒng)的儲能設(shè)備,其儲存電能的能力、使用壽命和穩(wěn)定性直接影響著UPS系統(tǒng)的供電能力。為了延長蓄電池的使用壽命,加快充電過程,需要對蓄電池的充電過程進行管理。蓄電池充電分為恒流充電、恒壓充電和浮充充電3個階段。根據(jù)單片機檢測的蓄電池電量的大小,選擇對應(yīng)的充電方式。其程序控制流程如圖5所示。系統(tǒng)上電即檢測蓄電池電量信號,當(dāng)電池電量達到恒流充電狀態(tài)時,蓄電池進行恒流充電;當(dāng)電池電量達到恒壓充電狀態(tài)時,蓄電池進行恒壓充電;當(dāng)電池電量達到浮充充電狀態(tài)時,蓄電池進行浮充充電。

圖4 市電與逆變器切換控制流程圖Fig.4 Control flow chart of switching between commercial power and inverter

圖5 蓄電池充電過程控制流程圖Fig.5 Control flow chart of battery charging process

4 實驗結(jié)果

根據(jù)以上設(shè)計過程,研制了一臺2kW試驗樣機。通過試驗樣機測試和Simulink建模仿真,當(dāng)市電突然斷電時,轉(zhuǎn)換開關(guān)自動切換到逆變電路給負(fù)載供電,UPS正常工作時逆變電路輸出的電壓波形為SPWM波形,其等效波形為正弦波。并結(jié)合理論分析與計算,對逆變輸出電壓波形進行了諧波分析,當(dāng)調(diào)制比N和調(diào)制度D取不同值時,逆變電路輸出相電壓基波和諧波分布如圖6所示。由圖6可知,逆變電路輸出電壓SPWM波中不含低次諧波,諧波分量主要分布在以三角波頻率及其整數(shù)倍頻率為中心的周圍,在中心頻率附近諧波幅值較大,隨著諧波次數(shù)的增大,諧波幅值減小。而且由圖6(a)和6(b)比較可知,調(diào)制度D越大,輸出電壓基波幅值越大。因此,為了實際應(yīng)用中得到較好的正弦波,增大調(diào)制深度和載波頻率,即可確保逆變器給負(fù)載供電的穩(wěn)定性和可靠性。

圖6 逆變電路輸出相電壓諧波分布Fig.6 Output phase voltage harmonic distribution of inverter circuit

5 結(jié) 語

通過STC89C52單片機、智能化充電管理和SPWM控制技術(shù)等的結(jié)合應(yīng)用,實現(xiàn)了復(fù)雜UPS系統(tǒng)的數(shù)字化、智能化控制。系統(tǒng)采用單片機進行信號檢測,利用邏輯關(guān)系控制蓄電池充電電路和轉(zhuǎn)換開關(guān)電路,實現(xiàn)了不同電池電量選擇不同的充電模式,并解決了市電供電與逆變器供電切換的問題，使系統(tǒng)得到了負(fù)載所需要的SPWM波。通過當(dāng)?shù)啬车V機廠實際應(yīng)用表明,該系統(tǒng)運行穩(wěn)定性好、可靠性高、市電與蓄電池供電電源切換快速,具有良好的實用價值和廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。

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(編 輯 李 靜)

Intellectualized industrial frequency AC UPS system based on STC89C52

ZHAO Shuiying, CAO Jihua, GUO Huanyin, ZHANG Cuixia,ZHU Guang

(School of Mechanical and Electronic Engineering, Suzhou University, Suzhou 234000, China)

A cheap and intellectualized UPS system is designed， and STC89C52 is a main controller in the system. The monitoring of abnormal voltage about commercial power by the single chip microcomputer, the switch between power supply and battery supply is completed through the single chip microcomputer to control transfer switch. And judgment for voltage current of battery by the single chip microcomputer, the intellectualized charging management is completed which is about constant current charging, constant voltage charge and floating charge.The output voltage of UPS is analyzed by experiment test.The designed system not only can improve charge efficiency of battery, but also can efficiently prolong service life of battery, and this system is stable and reliable, low cost, the switching between power supply and UPS system supply is rapid and reliable.

STC89C52; UPS; battery; charging management; harmonic analysis

2016-02-24

國家自然科學(xué)基金資助項目(81202909)；安徽省高等學(xué)校自然科學(xué)研究基金資助項目(KJ2015A200)；安徽省高等學(xué)校自然科學(xué)研究基金資助項目(KJ2016A76)

趙水英，女，河南開封人，從事電力電子與測控技術(shù)研究。

TP211

A

10.16152/j.cnki.xdxbzr.2016-05-011