基于WiFi 的在線式不間斷電源設(shè)計(jì)

王宇，張勇，孟麗囡

（遼寧工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，遼寧錦州，121001）

0 引言

隨著工業(yè)化深入，用電設(shè)備變得多元化，大量精密儀器出現(xiàn)在計(jì)算機(jī)、工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)等相關(guān)領(lǐng)域中，然而這些設(shè)備能否正常、高效運(yùn)行與設(shè)備技術(shù)水平相關(guān)，同時(shí)也由電能是否安全可靠決定。

在線式不間斷電源采用兩級(jí)式變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，當(dāng)市電正常時(shí)，前級(jí)將市電整流為直流電，并供給逆變器，然后轉(zhuǎn)化為正弦交流電輸出，同時(shí)通過(guò)充放電回路給蓄電池充電；當(dāng)市電異常時(shí)，通過(guò)開(kāi)關(guān)將電池轉(zhuǎn)化為供電狀態(tài)，蓄電池通過(guò)逆變器給負(fù)載供電，從而實(shí)現(xiàn)真正意義上的零切換。

1 整體設(shè)計(jì)方案

如圖1 所示，當(dāng)市電正常時(shí)，首先將市電通入隔離及自耦變壓器，將市電降壓隨后分為兩路，一路通過(guò)繼電器、整流模塊、充放電回路給蓄電池充電，另一路通過(guò)繼電器、整流及濾波后再通入由L6562 搭建的升壓電路，將變壓器輸出的交流電先變?yōu)橹绷麟婋S后進(jìn)行升壓。同時(shí)升壓電路輸出直流電通過(guò)逆變器轉(zhuǎn)化為交流電。輸出交流電首先經(jīng)過(guò)電流及電壓互感器，再通過(guò)STM32 單片機(jī)對(duì)輸出進(jìn)行檢測(cè)，將當(dāng)前數(shù)據(jù)通過(guò)WiFi 發(fā)送到手機(jī)移動(dòng)端實(shí)現(xiàn)無(wú)線檢測(cè)；當(dāng)市電異常時(shí)，繼電器動(dòng)作，電路中所需電能全部由蓄電池提供，蓄電池經(jīng)放電回路后，將電能通入升壓電路，最后由逆變器輸出。

圖1 總體設(shè)計(jì)框圖

2 電路設(shè)計(jì)

■2.1 升壓模塊

如圖2 所示，繼電器主要用途是改變電源供應(yīng)方式。在線圈兩端加上工作電壓，線圈中就會(huì)流過(guò)電流，進(jìn)而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會(huì)在電磁力吸引下克服返回彈簧的拉力并吸向鐵芯，從而帶動(dòng)銜鐵動(dòng)、靜觸點(diǎn)吸合；當(dāng)線圈斷電后，吸力隨之消失，銜鐵會(huì)在彈簧反作用力下返回原來(lái)位置，使動(dòng)觸點(diǎn)與原來(lái)的靜觸點(diǎn)接通，立即切換至蓄電池供電。

圖2 基于L6562 的升壓電路

輸入電壓處于正半周時(shí)，Da、Dc 導(dǎo)通、Db、Dd 截止，電源給負(fù)載供電；當(dāng)輸入電壓處于負(fù)半周，Db、Dd 導(dǎo)通，Da、Dc 截止，經(jīng)Db、Dd 及輸出端構(gòu)成通路。交流電壓在整個(gè)周期內(nèi)，整流器件在正負(fù)半周內(nèi)各導(dǎo)通一次，輸出端始終有電流通過(guò)且保持同一方向，得到兩個(gè)半波電壓和電流。

升壓電路采用L6562 作為核心芯片，其采用臨界模式。電壓經(jīng)過(guò)電阻分壓連接差分放大器反向輸入端，和內(nèi)部參考電壓比較，運(yùn)放將差值放大一定倍數(shù)并輸出。輸入反相端和運(yùn)放輸出端接了一個(gè)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)電壓控制回路穩(wěn)定性，并提高功率因數(shù)和獲得較低的THD。乘法器的輸出作為電流比較器同相輸入端和電流比較器產(chǎn)生正弦信號(hào)，此信號(hào)用作控制的參考信號(hào)。NMOS 關(guān)斷后，升壓電感完全釋放其存儲(chǔ)的能量，此時(shí)漏極懸空，升壓電感和NMOS 漏極電容產(chǎn)生諧振。漏極電壓迅速下降到低于當(dāng)時(shí)的輸入電壓，ZCD檢測(cè)到信號(hào)并驅(qū)動(dòng)NMOS 導(dǎo)通。

■2.2 逆變模塊

如圖3 所示，全橋逆變電路的Q1 和Q4 開(kāi)關(guān)管由一組IR2110 驅(qū)動(dòng)，Q2 和Q3 開(kāi)關(guān)管由另一組IR2110 驅(qū)動(dòng)，其開(kāi)關(guān)過(guò)程為，開(kāi)關(guān)管Q1、Q4 導(dǎo)通，電源向負(fù)載供電；電感L 放電經(jīng)過(guò)VD2、Q1 放電；L 上儲(chǔ)存的能量未在2 過(guò)程釋放完畢，經(jīng)過(guò)VD2、VD3 放電；最后，開(kāi)關(guān)管Q2、Q3導(dǎo)通，電源向負(fù)載供電。

圖3 逆變模塊

EG8010 控制逆變器工作，其工作電壓為5V，具有單極性或雙極性調(diào)制方式且自帶死區(qū)時(shí)間，外接12MHz 晶體振蕩器，能實(shí)現(xiàn)高精度、失真、諧波都很小的SPWM 正弦波。

■2.3 充放電模塊

本文采用16V鉛酸蓄電池，所有電池中鉛酸電池應(yīng)用廣，為提高使用效率和使用壽命，需要良好的充放電回路。

如圖4 所示，當(dāng)主電路有電時(shí)，繼電器JK1 動(dòng)作，管腳1 和管腳2 連通，36V 交流電經(jīng)過(guò)整流和濾波變?yōu)檩^穩(wěn)定的34.36V 直流電，一路經(jīng)過(guò)二極管送給輸出，另一路進(jìn)入可調(diào)三端穩(wěn)壓器將輸出電壓設(shè)定在30.2V 左右，其輸出電壓計(jì)算公式為：U0=1.25(1+R7/R2)。繼電器JK1閉合后，NE555 芯片引腳經(jīng)過(guò)非門變成高電平，使繼電器JK2 動(dòng)作，蓄電池接入充電回路。

圖4 充放電模塊

當(dāng)主電路沒(méi)有電時(shí)，繼電器JK1 動(dòng)作，管腳1和管腳2 斷開(kāi)，管腳2 和管腳3 連接，使蓄電池接入放電回路，放電過(guò)程中電池電壓持續(xù)下降，分壓后電壓小于1/3VCC 時(shí)，V0 變?yōu)楦唠娖绞估^電器JK2 常開(kāi)，即管腳1 和管腳2 斷開(kāi)，管腳2 和管腳3 連接，LM7812 輸入電壓被斷開(kāi)，NE555 和非門停止工作，蓄電池完全從電路中斷開(kāi)，不再對(duì)外放電。

■2.4 WiFi 檢測(cè)模塊

如圖5 所示，WiFi 檢測(cè)模塊由電壓互感器和電流互感器兩部分構(gòu)成，檢測(cè)模塊采集逆變模塊的輸出電壓和電流信號(hào)，并送至手機(jī)移動(dòng)端實(shí)時(shí)采樣顯示有效值。

圖5 WiFi 檢測(cè)模塊

3 WiFi 通信協(xié)議

WiFi 通信協(xié)議的查詢事件法，修改時(shí)鐘中斷向量指針，周期性地對(duì)UPS 進(jìn)行查詢，然后把WiFi 模塊的控制權(quán)還給中斷服務(wù)程序。UPS 出現(xiàn)不正常信息時(shí)，中斷服務(wù)程序能從單片機(jī)的RS232 串口中獲取異常的信息，并立即將其顯示在手機(jī)移動(dòng)端的界面提醒用戶。故障提示程序能進(jìn)行手機(jī)振動(dòng)提醒，保護(hù)單片機(jī)系統(tǒng)同時(shí)，延長(zhǎng)UPS 壽命。如果電力恢復(fù)了，則轉(zhuǎn)到原時(shí)鐘中斷服務(wù)程序進(jìn)行中斷的返回。WiFi 通信協(xié)議的框圖如圖6 所示。

圖6 WiFi 通信協(xié)議框圖

4 測(cè)試結(jié)果

基于WiFi 的在線式不間斷電源設(shè)計(jì)制作完成后，對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)物主要由隔離及自耦變壓器、升壓模塊、逆變模塊、WiFi 檢測(cè)模塊和充放電模塊等部分構(gòu)成。測(cè)試設(shè)備為萬(wàn)用表和示波器。

■4.1 市電正常時(shí)測(cè)試

市電正常時(shí)，蓄電池進(jìn)行充電電壓測(cè)試，萬(wàn)用表紅黑表筆接至蓄電池正負(fù)極，如圖7 所示，電池充電電壓為13.66V。

圖7 蓄電池充電電壓

IR2110 驅(qū)動(dòng)、EG8010 控制的逆變模塊進(jìn)行輸出電壓波形、電流值測(cè)試，示波器通道1 測(cè)試線并聯(lián)至逆變輸出、萬(wàn)用表串聯(lián)至逆變模塊輸出，得到如圖8 所示，其輸出電壓為30.2V，輸出電流為1.024A，頻率為49.86Hz。

圖8 市電正常逆變模塊輸出波形

如圖9 所示，UPS 工作時(shí)，手機(jī)移動(dòng)端通過(guò)WiFi 連接，手機(jī)移動(dòng)端顯示輸出電壓為30.1V，輸出電流為1.0A，輸出功率為30.3W，電量為903.0KW*H 和時(shí)間為30.0s。當(dāng)輸出功率超過(guò)50W時(shí)，繼電器動(dòng)作，電源正常工作，僅負(fù)載斷開(kāi)，手機(jī)振動(dòng)提醒。

圖9 市電正常手機(jī)移動(dòng)端顯示

■4.2 市電異常時(shí)測(cè)試

市電異常時(shí)，放電回路進(jìn)行輸出電壓和電流測(cè)試，萬(wàn)用表紅黑表筆分別并聯(lián)、串聯(lián)至放電回路輸出，如圖10 所示，蓄電池輸出電壓為15.98V，輸出電流為1.803A。

圖10 蓄電池放電電壓電流

IR2110 驅(qū)動(dòng)、EG8010 控制的逆變模塊進(jìn)行輸出電壓波形和電流值測(cè)試，兩個(gè)萬(wàn)用表分別并聯(lián)、串聯(lián)接至逆變輸出，得到如圖11 所示，其輸出電壓為30.0V，輸出電流為1.015A，頻率為50.08Hz。

圖11 市電異常逆變模塊輸出波形

如圖12 所示，手機(jī)移動(dòng)端顯示輸出電壓為30.3V，輸出電流為1.0A，輸出功率為30.3W，電量為909.0KW*H 和時(shí)間為30.0s。UPS 處于蓄電池供電狀態(tài)，輸出功率過(guò)大時(shí)，設(shè)備斷開(kāi)，手機(jī)振動(dòng)提醒。如果電池電量低于10%，則自動(dòng)保存數(shù)據(jù)，用電設(shè)備停止運(yùn)行。

圖12 市電異常手機(jī)移動(dòng)端顯示

5 測(cè)試分析

市電正?；虍惓r(shí)，評(píng)價(jià)UPS 優(yōu)劣指標(biāo)有七個(gè)：輸出電壓、輸出電流、頻率、負(fù)載調(diào)整率、電壓調(diào)整率、失真度和效率。

■5.1 市電正常時(shí)評(píng)價(jià)指標(biāo)

市電正常情況時(shí)，UPS 性能：

（1)經(jīng)隔離和自耦變壓器后U1=36V，輸出電壓、輸出電流、頻率為U0=30.2V、I0=1.024A、f=49.86Hz。

（2)經(jīng)隔離和自耦變壓器后U1=36V，I0在0.1A～1.0A范圍變化，通過(guò)改變滑動(dòng)變阻器阻值，將輸出電流調(diào)為0.1A，此時(shí)U0(0.1A)=30.13V，U0(1A)=30.2V，經(jīng)公式(1)得負(fù)載調(diào)整率SI為0.233%。

（3)交流供電，U1在18.2～35.0V 內(nèi)變化，通過(guò)調(diào)節(jié)變壓器匝數(shù)比使變壓器二次側(cè)電壓為35.0V 和18.2V，此時(shí)輸出電壓U0(35V)=30.62V、U0(18.2V)=30.78V，由公式(2)得，電壓調(diào)整率SU為0.533%。

（4)交流供電，根據(jù)U0、I0、Ud、Id的值和公式(3)，效率W 為91.661%。

（5)在（1)條件要求下，UPS 輸出電壓為正弦波，由功率分析儀得，失真度為1.634%。

■5.2 市電異常時(shí)評(píng)價(jià)指標(biāo)

市電異常情況時(shí)，UPS 性能：

（1)蓄電池供電下，Ud=15.98V，此時(shí)輸出電流I0=1.015A、輸出電壓U0=30.0V、頻率f=50.08Hz。

（2)蓄電池供電下，Ud=15.98V，根據(jù)公式(3)得，效率為95.181%。

6 結(jié)論

經(jīng)測(cè)試，市電正常情況下，U1=36V，輸出電壓U0、頻率f 均符合了設(shè)計(jì)要求，I0在0.1～1.0A 范圍內(nèi)變化，負(fù)載調(diào)整率SI=0.233%，I0=1A，U1在18.2～35.0V 范圍內(nèi)變化，電壓調(diào)整率SU=0.533%，失真度THD=1.634%，效率為91.661%。市電異常情況下，即切換至蓄電池供電，輸出電流I0，輸出電壓U0、頻率f 均符合了設(shè)計(jì)要求，Ud=36V、I0=1A 條件下，效率為95.181%，符合了UPS 應(yīng)用指標(biāo)。手機(jī)移動(dòng)端實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)電壓、電流、功率、電量和時(shí)間，具有一定的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)參考價(jià)值。