一種單相在線式不間斷電源探究與設計*

李廷陽 張 媛 鄧志民 劉 群 萬 盈 榮傲華 胡安正

(湖北文理學院物理與電子工程學院 湖北 襄陽 441053)

單相在線式不間斷電源最早出現于20世紀60年代末，迄今已有50多年的發展，不間斷電源早期作為工業設備的電力保護裝置，其質量直接關系到所保護設備的電力供電狀況，成為保證安全和質量的重要基礎.隨著現代電子技術的發展，不間斷電源的重要性越來越突出，其在應對突發斷電事故和減少停電造成的不必要損失方面發揮了不可磨滅的作用[1].

1 總體方案設計

系統總體拓撲結構如圖1所示.

圖1 系統方案框圖

系統由全橋Buck-Boost調壓電路、全橋逆變器、電壓采樣電路,以及單片機控制電路構成.其中由單片機進行正弦脈沖寬度調制(Sinusoidal Pulse Width Modulation, SPWM)，產生SPWM波用以驅動自帶死區控制的橋式驅動芯片IR2104，采樣電路選用二極管進行全波整流，再通過LM358運放濾波后進行采樣.全橋Buck-Boost電路將會把輸入電壓穩壓在一個合適的值后，再輸入給全橋逆變器.

2 系統中主要模塊探究與設計

不間斷電源預期指標為：系統能夠穩定輸出30 V左右,50 Hz的交流電，其總諧波失真度(Total Harmonic Distortion,THD)小于1%，負載調整率和電壓調整率小于2%,電源效率在90%以上，具有斷電保護、過壓過流保護等功能.為實現上述指標要求，對以下模塊進行分析論證.

2.1 穩壓方案探究與選擇

本系統可以實現手動調壓和自動穩壓.初始方案是通過單個逆變器控制SPWM波幅值來調節輸出交流電的電壓大小，但在實際過程中，發現當改變SPWM波的幅度來調制時，會引起輸出逆變波形部分失真，THD增大，且效率不高；改進為在逆變器之前增加了一個Buck-Boost調壓電路,如圖2所示.

圖2 全橋Buck-Boost電路

配合雙沿脈沖調制算法，實現升壓、降壓模式間平滑過渡，降低了輸出電壓紋波，對于輸入給逆變器的直流電壓能起到很好的控制效果.

2.2 逆變方案研究與選擇

逆變電路的主要功能就是將直流電變成交流電供給負載.依照逆變電路結構特點又可將逆變器分為半橋逆變電路和全橋逆變電路.半橋逆變電路使用開關器件少，控制性能好，但其只適用于小功率逆變器.全橋逆變電路使用的開關器件多，驅動較為復雜，但其電壓不高，輸出功率大，適用于大功率的逆變器[2].在本系統中，采用全橋逆變電路，如圖3所示.

圖3 全橋逆變電路

由STM32F103RCT6單片機輸出SPWM波，IR2104芯片驅動4個MOSFET組成逆變橋.濾波部分采用LC低通濾波電路和電磁干擾濾波器(Electromagnetic Interference Filter).SPWM波形中所含的諧波主要是載波角頻率ω及其奇次諧波，LC濾波能夠抑制 SPWM 波中的諧波分量，提高逆變電源諧波的純度[3].

2.3 濾波器研究與設計

逆變器輸出會帶有基波的奇數次諧波,因此需要濾除這些諧波或者抑制這些諧波輸出[4].在斷電情況下，逆變器輸出需要向整個系統供電,因此,要求電路輸出電阻小,所以不選用RC無源濾波器而選擇用LC無源濾波器,后者比前者電阻小，濾波電路如圖4所示.

在設計過程中，由于逆變器需要輸出頻率為50 Hz的交流電，因此，選用1.5 mH的屏蔽電感和2.2 μF的無極性電解電容構成LC無源濾波器，通過

公式計算得出LC濾波器截止頻率為2.77 kHz，滿足設計要求.

圖4 濾波電路

3 軟件流程及PID算法

圖5為軟件流程圖.本系統由電壓采樣部分、過壓保護、模式檢測部分以及各個模式的執行部分組成.單片機通過ADC采集反饋的電壓，判斷當前有無交流電壓輸入，輸出電壓采集后送入單片機進行PID處理運算，該系統采用增量式PI調節，PID將采集到的電壓值與系統設定值相比較得到當前偏差，將該偏差送入PI控制系統后得到當前輸出，該輸出與以前的輸出累計后得到系統總輸出，這樣進行多個周期調整后，就能將系統輸出穩定為設定值，形成穩定的閉環系統.同時單片機可通過判斷電壓值來判斷電壓有無超過安全電壓，以方便斷電，從而達到保護電路的作用.

圖5 軟件流程圖

4 總結

實物效果如圖6所示，該電源以全橋Buck-Boost電路和全橋逆變器為核心，能夠穩定輸出30 V左右,50 Hz的交流電，失真度THD<1%,負載調整率和電壓調整率都在1.5%以下，該電源效率能夠保持在90%以上，在交流輸入斷開時，該電源能夠及時切換至直流電源輸入，保證輸出電壓不間斷.在運行過程中，該系統還具有測量電壓、過壓過流保護功能.

圖6 實物效果圖