基于STC89C52的智能化工频交流UPS系统

赵水英，曹吉花，郭焕银，张翠侠，朱 光

(宿州学院 机械与电子工程学院,安徽 宿州 234000)



·信息科学·

基于STC89C52的智能化工频交流UPS系统

赵水英，曹吉花，郭焕银，张翠侠，朱 光

(宿州学院 机械与电子工程学院,安徽 宿州 234000)

设计了一套低成本、智能化的以STC89C52单片机作为主控制器的UPS系统。通过该单片机对市电异常电压进行监测,控制转换开关执行电网电力与蓄电池供电的切换，对蓄电池电压电流大小进行判断，完成对蓄电池恒流、恒压和浮充充电智能化充电管理。通过实验测试,对UPS输出电压进行了谐波分析，设计的系统不仅可以提高蓄电池的充电效率,还能有效地延长蓄电池的使用寿命，系统运行稳定可靠、成本低,电网与UPS系统供电切换快速可靠。

STC89C52;UPS;蓄电池;充电管理;谐波分析

UPS(Uninterrupted power supply)即不间断供电电源,它是一种由开关、变流器和储能装置组合构成的电源设备,它通常被置于市电和负载之间,主要用于给单台计算机、计算机网络系统或其他电力电子装置提供不间断的电力供应[1]。随着新一代信息技术的物联网、云计算等产品的不断涌现,并伴随着IT技术应用建设的不断深入和行业数据的大集中趋势,促进了下一代数据中心建设的飞速发展,从而大大增加了UPS电源应用的需求量。由于传统的UPS电源存在一些不足:①以模拟电路为基础,用线路把各个模块的硬件电路连接起来,导致其体积大,安装不方便;②直接利用逆变器给负载供电,致使负载供电电压不稳定;③采用恒压一种方式给蓄电池充电,造成蓄电池长期处于充不满的状态,大大降低了蓄电池的使用寿命。针对这些问题,本系统拟采用转换开关检测电路作为供电系统和负载之间的桥梁,利用单片机控制转换开关电路，完成市电与逆变器之间的切换。在蓄电池充电管理方面,通过单片机对蓄电池电量实时检测,控制充电电路实现恒压、恒流和浮充多阶段结合的充电方式。采用STC89C52单片机为核心控制器的UPS系统,不仅可以实现准确的供电控制,提高了系统的可靠性、降低了成本,还优化了供电系统和充电系统。

1 控制系统总体设计

设计的控制系统总体框图如图1所示。系统采用STC89C52单片机作为主控芯片,以蓄电池作为储能设备，系统主要由整流电路、蓄电池充电电路、逆变电路和转换开关电路等功能模块构成。其中,电抗器采用并联电抗器与电容器并联,目的是限制电网中的高次谐波,起到稳定交流电的作用[2-3]。逆变电路采用SPWM控制技术完成直流到交流电的变换。系统工作时,当市电正常供电时,电网经过电抗器滤波给负载供电;同时,交流市电通过电抗器滤波经整流电路整流后,由蓄电池充电电路给蓄电池充电,进行储能。当电网突然停电使市电供电中断时[4],单片机立即发出控制信号，一方面使蓄电池充电电路停止给蓄电池充电,另一方面控制转换开关切换至逆变电路,采用UPS系统给负载供电。即蓄电池经过逆变电路将直流电变换为交流电,能够继续为负载提供满足要求的交流电源,以确保负载工作不间断。

图1 系统总体框图Fig.1 General block diagram of the system

2 硬件关键技术模块设计

2.1 转换开关检测电路的设计

负载是由市电电网供电还是UPS供电，主要取决于转换开关检测电路的检测情况。比如,当电网电压在160V～220V之间变化为正常变化，市电电网给负载供电,如果电压超过正常变化范围将切换为UPS电源供电。设计的转换开关检测电路如图2所示,采用LM339的电压比较器和单片机对电网电压进行监控,完成市电和逆变器之间的切换。其中,LM339引脚10和引脚12的电压分别作为市电下限保护和上限保护的基准电压。

由图2可知,对于有无市电的检测,是变压器T1的检测信号经D2，D3整流和电容C1，C2滤波后,产生一个4.5V的电压送到LM339的引脚7,作为是否有无市电的监测信号。有市电时,LM339的引脚1输出高电平。另一个检测信号来自变压器T1次级线圈产生的监测电压信号,该信号经二极管D0，D1整流、经C3滤波后在H点产生一个2V电压,分别送给LM339的引脚9和引脚11。当市电供电正常时,LM339的13和14引脚都输出高电平。这些信号比较经单片机处理后,进而控制市电和逆变器之间的切换。

图2 转换开关检测电路设计Fig.2 Designer of detection circuit about switch

图3 蓄电池充电电路设计Fig.3 Designer of battery charging circuit

2.2 蓄电池充电模块的设计

设计的蓄电池充电电路如图3所示。采用LM317提供恒压源和恒流源,通过STC89C52单片机实时检测蓄电池电压情况,对蓄电池充电方式进行管理[5]。当单片机检测到电池电量较低时,单片机P2.1端口选择恒流充电方式,利用LM317进行稳流控制,电流可在10mA～1.25A范围内调节,通过调节滑动变阻器RP1的大小，满足蓄电池充电电流要求;恒流充电结束后,单片机P2.1端口输出信号，使蓄电池进入恒压充电阶段,恒压源采用LM317进行稳压控制,电压可在1.3V～30V调节,调节滑动变阻器RP2，使蓄电池充电电压满足需求;若单片机检测到蓄电池电量充满时,单片机端口P2.0输出低电平,使蓄电池进入浮充状态,同时恒压源和恒流源不工作。采用这种充电方式给蓄电池充电,不仅可以加快充电过程,提升用电效率,还能有效地延长蓄电池的使用寿命。

3 系统软件模块设计

为了解决市电出现故障不能给负载正常供电的问题,结合系统硬件部分的设计,设计的系统软件部分需要完成的控制功能主要包括市电与逆变器[6-8]切换模块和充电控制模块[9-10]。市电与逆变器切换模块用于控制市电异常时转换为蓄电池供电,设计的程序控制流程图如图4所示。设计的控制思路:系统初始化后,首先判断市电是否有异常,如果没有异常,市电一方面给交流负载供电,另一方面给蓄电池充电,使蓄电池储存电能;如果判断市电不能正常给负载供电,蓄电池停止充电,切换为蓄电池供电,逆变电路将蓄电池提供的直流电通过SPWM控制技术[11]变换为交流电,确保交流负载正常工作;然后再次判断市电是否恢复正常,若市电恢复正常,则重新切换为市电给负载供电,进入系统初始化;若市电未恢复,仍然是蓄电池给负载供电。

由于蓄电池是整个UPS系统的储能设备,其储存电能的能力、使用寿命和稳定性直接影响着UPS系统的供电能力。为了延长蓄电池的使用寿命,加快充电过程,需要对蓄电池的充电过程进行管理。蓄电池充电分为恒流充电、恒压充电和浮充充电3个阶段。根据单片机检测的蓄电池电量的大小,选择对应的充电方式。其程序控制流程如图5所示。系统上电即检测蓄电池电量信号,当电池电量达到恒流充电状态时,蓄电池进行恒流充电;当电池电量达到恒压充电状态时,蓄电池进行恒压充电;当电池电量达到浮充充电状态时,蓄电池进行浮充充电。

图4 市电与逆变器切换控制流程图Fig.4 Control flow chart of switching between commercial power and inverter

图5 蓄电池充电过程控制流程图Fig.5 Control flow chart of battery charging process

4 实验结果

根据以上设计过程,研制了一台2kW试验样机。通过试验样机测试和Simulink建模仿真,当市电突然断电时,转换开关自动切换到逆变电路给负载供电,UPS正常工作时逆变电路输出的电压波形为SPWM波形,其等效波形为正弦波。并结合理论分析与计算,对逆变输出电压波形进行了谐波分析,当调制比N和调制度D取不同值时,逆变电路输出相电压基波和谐波分布如图6所示。由图6可知,逆变电路输出电压SPWM波中不含低次谐波,谐波分量主要分布在以三角波频率及其整数倍频率为中心的周围,在中心频率附近谐波幅值较大,随着谐波次数的增大,谐波幅值减小。而且由图6(a)和6(b)比较可知,调制度D越大,输出电压基波幅值越大。因此,为了实际应用中得到较好的正弦波,增大调制深度和载波频率,即可确保逆变器给负载供电的稳定性和可靠性。

图6 逆变电路输出相电压谐波分布Fig.6 Output phase voltage harmonic distribution of inverter circuit

5 结 语

通过STC89C52单片机、智能化充电管理和SPWM控制技术等的结合应用,实现了复杂UPS系统的数字化、智能化控制。系统采用单片机进行信号检测,利用逻辑关系控制蓄电池充电电路和转换开关电路,实现了不同电池电量选择不同的充电模式,并解决了市电供电与逆变器供电切换的问题，使系统得到了负载所需要的SPWM波。通过当地某矿机厂实际应用表明,该系统运行稳定性好、可靠性高、市电与蓄电池供电电源切换快速,具有良好的实用价值和广阔的应用领域。

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(编 辑 李 静)

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

国家自然科学基金资助项目(81202909)；安徽省高等学校自然科学研究基金资助项目(KJ2015A200)；安徽省高等学校自然科学研究基金资助项目(KJ2016A76)

赵水英，女，河南开封人，从事电力电子与测控技术研究。

TP211

A

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