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16、整流/充电器的微机控制系统 -UPS电源设计专题

整流/充电器的微机控制系统 

1.整流/充电器的控制原理 

UPS不间断电源中的整流器,除了供给逆变器直流输入外,还须完 成对蓄电池的常规充电、快速充电、浮充电的功能。因此整流器的输出是 随着UPS不间断电源工作状态的变化而变化。下面具体说明如何调节整流 电路的输出。 


在图3-1中,在接上负载后的整流输为:

 


Ud=1.35Ulcosa=2.34U2cosa(3-1

其中,Ud为整流器输出的直流电源平均值; 

Ul为整流变压器初级线电压; U2为整流变压器次级相电压; 

a为晶闸管控制角,即晶闸管触发脉冲相位,是对应于触发脉冲出现 的时刻距自然换相点的电角度,又称为延迟角。 

从公式3-1可看出,调节晶闸管的控制角即可调节整流输出。 整流器提供给逆变器的直流输入必须是稳定的,这样才能有利于逆变 器的正常工作,为此在设计中引入了电压负反馈并采用了PID控制算法。 即通过电压传感器对整流输出电压进行取样,与期望值进行比较,根据差 值进行PID控制,从而实现整流输出的稳定。 

2.主控电路设计 

基于80C196单片机丰富的内部资源,整流/充电器主控电路以80C196 芯片为核心,只扩展了一片程序存贮器27C64,辅以地址锁存器74HC373 复位电路、参考电压电路及振荡电路。 

程序存贮器的片选信号直接取自80C196的地址线AD15,地址范围 :2000H-3FFFH 

复位电路见图3-4。工作原理是:复位电路接收到硬件或软件复位信息 (上电复位、监视定时器溢出、执行复位指RST)后,都会使单片机RESET 引脚的电位变低。图3-4所示的复位电路具有上电复位功能。上电时通过

R. C通路向电容C充电使单片机RESET引脚保持在低电平状态,随着复位电容充电电压的升高,RESET引脚电位变成高电平,完成上电复位。 图中的二极管D为复位电容C在掉电的情况下提供了一条迅速放电的 通路,这样可保证芯片的反复上电的情况下可靠地复位。 

 

 

参考电压电路是为采样A/D转换电路提供参考基准电压。通过电阻降 压、稳压管稳压获得。基准电压源采用LM336-5.OV,它是一种新型带隙基 准电压源,具有温度系数小、动态阻抗低、工作电流范围宽等优点。应用 电路见图3-5。其中振荡电路晶振频率采用8MHZ,振荡电容选33pF 

 

3.脉冲输出与同步电路设计 

如图3-1中,为了保证整流桥在合闸上电后共阴极组和共阳极组各有 一个晶闸管导通,或者由于电流断续后能再次导通,必须对两组中应导通 的一对晶闸管同时施加触发脉冲。为此可有两种触发方式:宽脉冲触发方

式和双窄脉冲触发方式。宽脉冲触发是指使每个触发脉冲的宽度> (

般取 -- );双窄脉冲触发是指在触发某一号晶闸管的同时给前一

号晶闸管补发一个脉冲,相当于用两个窄脉冲等效替代大于

的宽脉



冲。双窄脉冲触发方式中,在一个周期内对每个晶闸管需要连续触发两次,

两次脉冲前沿的间隔 ,这种触发方式虽然比较复杂,但它可减少触发

电路的输出功率,减小脉冲变压器的铁心体积。宽脉冲触发方式中虽然脉 冲次数减少一半,但是为了不让脉冲变压器饱和,其铁心体积必然做得大 些,绕组匝数多些,因而漏感增大,导致脉冲前沿不够陡,增加去磁绕组 可改变这个情况,但又使装置复杂化。因此,在本整流器触发控制设计中, 采用了双窄脉冲强触发方式。脉冲来自单片机8OC196的高速输出口 (通过编程产生六路触发脉冲波) 

80C196单片机的高速输出口HSO为晶闸管触发脉冲的产生提供了极大 的方便。HSO应用于按程序设定的时间去触发某一事件,要求CPU的开销极 少,因此速度块。 

利用HSO可产生宽度和周期符合晶闸管触发要求的脉冲。方法即是通

过设定HSO.x的正跳和负跳时间。利用80C196单片机的 产生六路晶

闸管触发脉冲的原理就是按照整流电路中晶闸管触发导通的规律,在一周 期内编程产生六路具有一定宽度和周期的双脉冲,再经功率放大电路、隔 离电路以及脉冲变压器得到符合晶闸管触发要求的触发脉冲。

 晶闸管触发脉冲必须是具有一定宽度、幅值和陡沿的脉冲信号。一般 来说,触发脉冲宽度为400uS,幅值10V左右,而且前沿要陡峭。晶闸管触 发电流一般为mA级,而单片机输出口驱动电流只有几百uA,因此必须进行 功率放大,本设计中采用驱动能力较强的MC1413芯片。经驱动后的驱动电 流可达几百mA 

采用光电隔离是避免单片机弱电工作电路不受主回路强电电路的干 扰。采用脉冲变压器是基于匹配晶闸管门极触发电压的考虑。脉冲输出电 路如图3-6所示。 

本节一开始,在控制电路要求中就提出晶闸管的触发脉冲必须与主回 路电路相同步,因此要设计同步电路以保证触发脉冲与主回路的同步。 

    同步电路取自主回路三相输入的A相,它经滤波、比较产生同步脉冲 信号,

4.测量与信号采集电路设计 

信号采集与测量包括开关量和模拟量的采集和测量。

 信号采集是针对80C196 单片机而言的,为实现测量结果的显示及保 护等功能,必须有采集计算电路。利用80C196单片机的810A/D / 数转换器以及CPU的计算处理功能,可方便地处理测量结果和保护整定。 但是,进入单片机的信号必须是经过调理的信号,它要求符合以下条件: 

(1)信号必须是非负的,而且幅值不能超过5V 

(2)进入单片机输入口的信号是电压信号; (3)输入信号不能干扰单片机的正常工作。 

因此,进入单片机的信号必须经过适当的处理。 对于电信号有电压和电流信号,在进入单片机之前电流信号要转换为 电压信号,利用电阻即可实现;对于高压、交变信号要转换成低压非负信 号才能进入单片机。  

模拟电压信号有交流电压信号和直流电压信号,对应单片机的采集方

 

 


法有交流采集和直流采集。不管哪种采集方法,进入单片机的信号都必须 符合上面提出的三个要求。 

因此,对于交流信号,还要考虑将交变的信号转换为非负信号的问题。 在本整流/充电器的设计中,采用直流采样。交流输入电压的过、欠 压保护均通过整流后的整流输出值进行整定保护。因此本设计中模拟采集 量包括整流输出电压和电流。它们是通过霍尔电压、电流传感器传送来的, 它们有降压、隔离的功能。从传感器传送来的信号因含有谐波等干扰信号, 不能直接进入单片机,须经过滤波、缓冲等环节。滤波采用R C滤波, 缓冲采用电压跟随器,

 

 

 

5.信号输出电路设计 

信号输出包括状态信号输出如开关量的输出、指示灯的状态。

 开关量输出有保护继电器、光字牌、调压开关等。与开关量的输入类 似,开关量的输出要有光电隔离、驱动等环节。开关量输出的典型电路见 3-9 

 

 

 

 

装置的过、欠压保护、过流保护、同步保护是通过指示灯和继电器同 时进行的,一方面指示故障类型,另一方面保护继电器动作,保护装置。

 6.工作电源设计 

装置的工作电源对整个装置工作的重要性是不言而喻的,因为一旦工 作电源出现故障,整个装置就陷入瘫痪状态,正常工作就无从谈起。因此 工作电源必须可靠、精确。 

本整流/充电器的工作电源设计采用以小型开关电源模块为中心的设 计方案。此小型开关电源模块可输出+5V(Vss), +15V-15V +24V(GND) 等几种装置必须的工作电压。它的输入为交流220V或直流220V。基于整个 装置控制电路工作功率的考虑,此开关电源模块输出电流为5V/1A, 24V/0.5A, 15V/0.3A-15V/0.3A等几种。 

对于放大器的工作电源,TL084选用 15V, LM324V++6.2V, V- -0.7V,它们分别由如图3-10所示的电路获得。 

 


 

 

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