一種單相在線式不間斷電源設(shè)計

楊澤仁，楊延寧,2，梁文靜

(1.延安大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，陜西 延安 716000；2.南昌理工學(xué)院 電子與信息學(xué)院，南昌 330044)

在現(xiàn)階段經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的環(huán)境下，城市用電器應(yīng)用逐漸頻繁，電能需求與日俱增[1]，電源在生活被非常廣泛的運(yùn)用，而UPS作為斷電情況的應(yīng)急措施也有著較廣的應(yīng)用.全球步入信息時代以來，UPS應(yīng)用更加廣泛，包括信息產(chǎn)業(yè)、金融行業(yè)、通信系統(tǒng)、國防安全、航空航天、交通系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域[2].中國如今進(jìn)入了工業(yè)信息化建設(shè)的時代，它使得在某些關(guān)鍵性領(lǐng)域?qū)PS產(chǎn)生了行業(yè)化的巨大需求，這也促使UPS的生產(chǎn)商對UPS向著效率高、節(jié)能性好、利于環(huán)境保護(hù)等方向進(jìn)行技術(shù)革新，不斷推出新產(chǎn)品，以滿足不同行業(yè)的需要.這樣既促進(jìn)了我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，也促進(jìn)了電氣、電子行業(yè)和UPS的發(fā)展.

UPS是一種含有儲能并以逆變器為主要組成部分的恒壓恒頻的不間斷電源.UPS由輸入整流濾波電路，逆變電路，靜態(tài)開關(guān)電路，蓄電池組，充電電路等構(gòu)成[3-5].

本設(shè)計采用硬件來完成整流、濾波、穩(wěn)壓電路以及對單片機(jī)供電，通過單片機(jī)及硬件設(shè)計共同控制輸出作為逆變電路，以此實(shí)現(xiàn)單相在線式不間斷電源的基本功能.

1 設(shè)計方案

1.1 整體設(shè)計方案選擇

整體設(shè)計方案方框圖如圖1所示：該電路共為三部分.第一部分為變壓器；第二部分為整流、濾波、穩(wěn)壓電路，36 V交流電壓通過該電路會變?yōu)?4 V直流電壓；第三部分為逆變電路，24 V直流電壓通過該電路會變?yōu)?5 V交流電壓.

圖1 整體設(shè)計方案方框圖

其中市電為220 V、50 Hz的交流電；變壓器：由隔離—自耦變壓器連接而成，將市電轉(zhuǎn)換為36 V—50 Hz交流電；整流，濾波，穩(wěn)壓電路：整流電路將交流電轉(zhuǎn)換為直流電；濾波電路是減少電路中的交流成分，保留直流成分；穩(wěn)壓電路在工作范圍內(nèi)穩(wěn)定電壓；逆變電路將輸出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，經(jīng)匝數(shù)比為1∶2的變壓器最終輸出30 V交流電.

整流，濾波，穩(wěn)壓電路設(shè)計方案如下：

設(shè)計方案采用穩(wěn)壓塊LM317AH，其電路原理圖如圖2所示.

圖2 LM317AH原理圖

逆變電路設(shè)計方案如下：

采用IGBT橋GIPN3H60A，其電路原理圖如圖3所示.

圖3 GIPN3H60A原理圖

1.2 器件選型

(1)電阻：502滑動變阻器(范圍0～5 000 Ω)

選擇原因：該電路中，需一個3 300 Ω電阻，5 000 Ω滑動變阻器量程符合且精度較高，同時考慮電路所存在的誤差.故選擇502滑動變阻器.

(2)二極管：IN5401(最大直流阻斷電壓400 V，最大平均正向阻斷電流為3 A)

選擇原因：整流電路為橋式整流電路，由4個二極管構(gòu)成，電路中通過電流為2 A左右.故選擇IN5401.

(3)穩(wěn)壓管：7805、1117(3.3 V)

選擇原因：因單片機(jī)供電，24 V電壓轉(zhuǎn)為3.3 V不能直接實(shí)現(xiàn)，故選用7805作為承接轉(zhuǎn)為5 V再通過1117(3.3 V)轉(zhuǎn)為3.3 V供電.故選擇7805、1117(3.3 V).

(4)單片機(jī)：MSP430f5529

選擇原因：集成EZ-FET，可用于Spy-Bi-Wire(2線JTAG)編程和調(diào)試；JTAG接頭，可用于完整的4線JTAG編程和調(diào)試；多個電源選項，包括USB、JTAG、電池或外部電源；可輕松訪問F5529的I/O引腳，用于原型設(shè)計提供端口映射，具有更多靈活性.故選擇該單片機(jī).

2 理論分析與計算

2.1 理論分析

(1)220 V、50 Hz的市電通過變壓器變?yōu)?6 V—50 Hz的交流電，再通過由二極管組成的整流電路轉(zhuǎn)換為25.4 V左右.由于電路中有一個三極管和二極管各需要0.7 V激活，且通過濾波，穩(wěn)壓電路，故輸出24 V直流電壓.

(2)直流24 V電壓通過DC/DC模塊后，變?yōu)?2 V直流電壓，再通過7805，穩(wěn)點(diǎn)輸出直流5 V，最后再通過1117穩(wěn)壓管輸出直流3.3 V.

(3)直流24 V電壓經(jīng)過DC/AC模塊，將24 V直流電壓轉(zhuǎn)為15 V交流電壓.

(4)15 V交流電壓通過匝數(shù)比為1∶2的變壓器后輸出30 V交流電.

(5)SPWM波分析：1個周期20 ms，半個周期10 ms，180個點(diǎn)，每個點(diǎn)55.65 μs，需要定時器每55.65 μs產(chǎn)生一次中斷.

2.2 數(shù)值計算

(1)220 V市電變?yōu)?6 V交流電：220 V*36/220=36 V.

電路中采用一個三極管和二極管，各需0.7 V，故總減去1.4 V：25.4 V-1.4 V=24 V，

(2)24 V通過7805，1117(3.3 V)輸出3.3 V給單片機(jī)供電.

(3)24 V直流電壓通過DC/AC輸出15 V交流電壓.

(4)15 V通過匝數(shù)比1∶2的變壓器：15 V*2=30 V.

3 電路與程序設(shè)計

3.1 硬件電路設(shè)計

硬件電路設(shè)計包括如下三部分：整流，穩(wěn)壓，濾波電路；逆變電路；單片機(jī)供電電路.

(1)整流，穩(wěn)壓，濾波電路：四個二極管構(gòu)成整流電路；LM317為穩(wěn)壓元器件；二極管等構(gòu)成濾波電路電路設(shè)計，原理圖如圖4所示.

圖4 整流、穩(wěn)壓、濾波電路原理圖

(2)逆變電路：4片場效應(yīng)管構(gòu)成電路設(shè)計，原理圖如圖5所示.

圖5 逆變電路原理圖

(3)單片機(jī)供電電路：DC/DC模塊、7805和1117穩(wěn)壓管.原理圖如圖6所示.

圖6 單片機(jī)供電電路原理圖

3.2 軟件設(shè)計流程圖

本設(shè)計使用MSP430F5529單片機(jī)輸出SPWM波與24 V直流電入逆變電路輸出30 V交流電壓.程序設(shè)計流程圖7所示.

圖7 MSP430F5529程序設(shè)計流程圖

4 系統(tǒng)測試

4.1 測試儀器及測試方法

測試儀器：PW9800智能電參數(shù)測試儀、萬用表、直流電流源、DS1022C示波器.

測試方法：

(1)整流、濾波、穩(wěn)壓電路測試

連接變壓器與PW9800智能電參數(shù)測試儀，調(diào)節(jié)變壓器旋鈕至測試儀顯示36 V.

斷開變壓器與測試儀，將變壓器連接上整流、濾波、穩(wěn)壓電路板，調(diào)節(jié)測試儀于電壓檔位，觀察測試儀輸出是否為24 V.

(2)單片機(jī)供電電路測試

連接直流電壓源與單片機(jī)供電電路板，調(diào)節(jié)直流電壓源至顯示24 V.

將PW9800智能電參數(shù)測試儀連結(jié)至3.3 V輸出點(diǎn)，用萬用表測試5 V輸出點(diǎn)及16 V輸出點(diǎn)，觀察輸出是否依次為3.3 V、5 V、16 V.

(3)逆變電路測試

連接直流電壓源、單片機(jī)、逆變電路電路板，調(diào)節(jié)直流電壓源為24 V.連接PW9800智能電參數(shù)測試儀至輸出點(diǎn)，測試儀調(diào)到交流電壓檔位，觀察輸出是否為15 V.

4.2 測試過程及結(jié)果分析

(1)整流、濾波、穩(wěn)壓電路測試過程：連接測試線路，觀察智能電參數(shù)測試儀輸出為16.7 V，調(diào)節(jié)電位器，觀察輸出變小，故反向調(diào)節(jié)輸出變大并逐漸靠近24 V，直到23.95 V不再調(diào)節(jié)電位器.

結(jié)果分析：通過對電路的分析，電位器的阻值大小應(yīng)為3.3 KΩ.故調(diào)節(jié)電位器至3.3 KΩ左右，輸出變?yōu)?4 V左右，仿真結(jié)果如圖8所示.

圖8 整流、穩(wěn)壓、濾波電路仿真圖

(2)單片機(jī)供電電路測試過程：連接測試線路，觀察智能電參數(shù)測試儀及萬用表，觀察16 V輸出點(diǎn)輸出為15.95 V；觀察5 V輸出點(diǎn)輸出為5.04 V；觀察3.3 V輸出點(diǎn)為3.36 V.

結(jié)果分析：該電路采用7805穩(wěn)壓管、1117穩(wěn)壓管.故在穩(wěn)壓管完好的前提下，輸出必為5 V及3.3 V.

(3)逆變電路測試過程：連接測試線路，并觀察智能電參數(shù)測試儀，輸出15.10 V，后調(diào)節(jié)單片機(jī)，輸出變?yōu)?5.03 V.

結(jié)果分析：24 V為逆變電路提供輸入，單片機(jī)可通過調(diào)節(jié)SPWM波的參數(shù)來控制輸出.故調(diào)節(jié)單片機(jī)后，輸出更加精確.

5 結(jié)語

單相在線式不間斷電源是為對電源穩(wěn)定性需求較高的負(fù)載提供不間斷電能的設(shè)備.本設(shè)計在實(shí)現(xiàn)在線式不間斷電源的基本情況下；由于可調(diào)元器件電位器的存在，該設(shè)計也有著較高穩(wěn)定性.

當(dāng)市電因故障中斷時，UPS能夠立即將電池的直流電能，通過逆變器轉(zhuǎn)換的方法向負(fù)載繼續(xù)供應(yīng)220 V交流電，保證負(fù)載繼續(xù)正常工作.確保了供電的可靠，保證了重要設(shè)施的安全.