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隨著計算機應用的日益普及和全球信息網(wǎng)絡化的發(fā)展，對高質(zhì)量供電設(shè)備的需求越來越大，不間斷電源(UPS)正是為了滿足這種情況而發(fā)展起來的電力電子設(shè)備。UPS在保證不問斷供電的同時，還能提供穩(wěn)壓、穩(wěn)頻和波形失真度小的高質(zhì)量正弦波電源，目前在計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)、郵電通信、銀行證券、電力系統(tǒng)、工業(yè)控制、醫(yī)療等領(lǐng)域得到了廣泛的應用。微機控制的不間斷電源具有兩大優(yōu)點：簡化硬件電路，降低成本；軟件設(shè)計靈活，功能容易擴展，可方便的對軟件進行修改完成不同的控制思想。 微機控制技術(shù)應用于不間斷電源，主要體現(xiàn)在單片機系統(tǒng)上，單片機產(chǎn)生PWM脈沖信號放大后驅(qū)動逆變器的開關(guān)。而單片機抗干擾的能力不夠強，如果抗干擾的措施不當，不但無法體現(xiàn)上述優(yōu)點，還有可能降低系統(tǒng)的可靠性，甚至無法工作。 本文結(jié)合UPS的工作原理，從干擾的類型及采取相應的措施來說明抗干擾技術(shù)在UPS中的應用。 1 結(jié)構(gòu)框圖及工作原理 1．1 結(jié)構(gòu)框圖 根據(jù)工作方式，UPS分為后備式和在線式兩大類。 UPS的基本結(jié)構(gòu)圖見圖l、圖2所示，它由充電電路、蓄電池、升壓電路、逆變電路，切換開關(guān)、自動電壓調(diào)節(jié)等部分組成。 1．2 基本工作原理 后備式UPS：當市電在規(guī)定電壓范圍內(nèi)正常供電時，輸入電壓經(jīng)自動電壓調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)稍許濾波，排除一些干擾后，直接輸出供給負載。而當市電異常，超出規(guī)定范圍時，UPS啟動逆變器，將后備的電池電壓變換成等價于正常市電時的電壓值再輸出給負載，其基本拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。此種UPS的優(yōu)點是可靠性較高，結(jié)構(gòu)相對較簡單，效率較高，價格也便宜。但由于經(jīng)逆變后大都是方波或類方波波形，故供電質(zhì)量稍差，加之市電異常時需啟動逆變器由電池供電，有一定的切換時間。 在線式UPS：又稱為雙變換式UPS，即從市電輸入到UPS輸出經(jīng)過了AC／DC和DC／AC兩次變換，其基本拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。在市電正常情況下，UPS輸入電壓經(jīng)整流、濾波等電路變成直流電壓，然后經(jīng)逆變器將直流電壓變成負載需要的交流電壓。當市電異常時，輸入自動切換到蓄電池上，由蓄電池供電，經(jīng)逆變器后輸出交流電壓給負載。此種UPS顯然在電路上比后備式UPS要復雜得多，由于采用二次變換，大大改善了負載的供電質(zhì)量。但其逆變器一直處于工作狀態(tài)，對逆變器的可靠性和使用壽命提出了較高的要求，由此而產(chǎn)生在線式UPS比后備式UPS價格高很多。 2 干擾的類型與來源 單片機控制的UPS系統(tǒng)中的干擾，一般指各種外部和內(nèi)部的干擾源產(chǎn)生的各種瞬變電信號，通過一定的途徑傳入到系統(tǒng)中，或者內(nèi)部的互相干擾，對系統(tǒng)的正常運行造成一定程度的影響。它的干擾主要有以下幾個方面： 2．1 來自電網(wǎng)的干擾 UPS作為一種經(jīng)過凈化處理，向負載提供高質(zhì)量的電源系統(tǒng)，它的輸入是諧波復雜的工頻電源。電網(wǎng)中存在大量的諧波源如各種整流設(shè)備，電子電壓調(diào)整設(shè)備，非線性負載及照明負載。 2．2 交變磁場的干擾 在大功率變壓器及大電流通過的電線的周圍都有較強的交變磁場。 在UPS內(nèi)部，交變磁場主要有： (1)逆變器產(chǎn)生的電磁干擾 工作時，逆變器的功率管始終處于開關(guān)狀態(tài)，為了降低其上的功率損耗，開關(guān)過渡時間不能太長，即di／dt不能太小，否則開關(guān)過熱容易燒毀。但過大容易引起電路產(chǎn)生寄生振蕩，產(chǎn)生的噪音干擾比如諧波電流、高頻毛刺對設(shè)備不利。 (2)高頻變壓器產(chǎn)生的干擾 高頻變壓器存在漏感，在開關(guān)管由導通剛剛變?yōu)榻刂習r，變壓器原邊漏感和引線電感上貯存的能量無處釋放，將會給開關(guān)管等效的輸出電容充電，由于這個等效電容很小，所以會沖得比較高的電壓尖峰。 此類干擾對控制系統(tǒng)的破壞性最強。 2．3 不等電位干擾 在工業(yè)生產(chǎn)中的用電設(shè)備，如果絕緣性能不良，會對地產(chǎn)生不穩(wěn)定的漏電流；利用大地作為輸電線的電氣接地線，也會產(chǎn)生較大的地電流。如果在控制系統(tǒng)設(shè)備接地安裝中，地點選擇不當，漏電流或地電流會使系統(tǒng)中的各點存在電位差，使系統(tǒng)常常產(chǎn)生不確定的故障。 2．4 自然干擾 自然干擾是指大氣層發(fā)生的自然現(xiàn)象所引起的干擾，以及來自宇宙的電磁波輻射干擾，如雷電、大氣低層電場的變化、電離層變化及太陽黑子的電磁波輻射等，其中雷電干擾最為嚴重。雷電不僅會造成回路的強干擾，還會燒毀輸入模塊。 2．5 溫度、濕度及腐蝕性介質(zhì)對可靠性的影響 不同檔次的元器件都有其特定的工作溫度范圍，使用時應以各廠家的資料為準，根據(jù)情況選用高一檔次的產(chǎn)品。 環(huán)境潮濕或含有腐蝕性氣體，會對元器件及線路板造成較大影響。如果系統(tǒng)長期工作在這種環(huán)境中，會使印制電路板腐蝕，造成斷路，使接插件和IC插座氧化、銹蝕，造成接觸不良，影響系統(tǒng)的可靠性；因此，應盡量保持環(huán)境干燥，并盡量少用接插件及IC插座，采用直接焊接的方法互連；各種連接器應采用鍍金或其他防腐處理的接插件。 3 系統(tǒng)的抗干擾措施 為了提高UPS的抗干擾能力，主要從兩個方面入手，即從硬件和軟件分別考慮：既要去除或者降低干擾源的干擾能力，又要提高系統(tǒng)本身的抗干擾能力。 3．1 硬件抗干擾 (1)交流進線濾波器 為了滿足有關(guān)的電磁干擾(EMI)標準，防止UPS產(chǎn)生的噪音進入電網(wǎng)，或者防止電網(wǎng)的噪聲進入UPS電源內(nèi)部，干擾系統(tǒng)的正常工作，必須在不間斷電源的輸入端施加EMI濾波器。該濾波器能同時抑制共模和差模干擾信號。 (2)啟動浪涌電流抑制電路 開啟電源時，由于UPS的整流電路會給濾波電容充電，會產(chǎn)生很大的浪涌電流，其大小取決于啟動時的交流電壓的相位和輸入濾波器的阻抗。抑制啟動浪涌電流的最簡單的方法是在整流橋的直流側(cè)和濾波電容之間串聯(lián)具有負溫度系數(shù)的熱敏電阻。啟動時電阻處于冷態(tài)，呈現(xiàn)較大的的電阻，從而抑制啟動電流。啟動后，電阻溫度升高，阻值降低，以保證電源有較高的效率。對于大功率的電路，將上述熱敏電阻換成普通電阻，同時在電阻兩端并聯(lián)晶閘管開關(guān)，電源啟動時晶閘管開關(guān)關(guān)斷，由電阻限制啟動浪涌電流，當濾波電容的充電完成后，觸發(fā)晶閘管，使之導通，達到短路限流電阻的目的。 (3)有源功率因數(shù)校正技術(shù) 抑制諧波的傳統(tǒng)方法是采用無源校正技術(shù)，但無源校正目前一般用于抑制高次諧波，如需進一步抑制裝置的低次諧波，提高裝置的功率因數(shù)，目前大多采用有源功率因數(shù)校正技術(shù)。有源功率因數(shù)校正技術(shù)就是在傳統(tǒng)的整流電路中加入有源開關(guān)，通過控制有源開關(guān)的通斷來強迫輸入電流跟隨輸入電壓的變化，從而獲得接近正弦波的輸入電流和接近1的功率因數(shù)。 (4)采用軟開關(guān)技術(shù) 電力電子開關(guān)在其端電壓不為零時開通和在其電流不為零時關(guān)斷統(tǒng)稱為硬開關(guān)。硬開關(guān)時，開關(guān)器件會承受大功率，發(fā)熱嚴重，降低器件壽命，并且產(chǎn)生嚴重的電磁干擾。如果采取一些措施，改變電路結(jié)構(gòu)和控制策略，使開關(guān)零電壓開通和零電流關(guān)斷，即采用軟開關(guān)技術(shù)可以大幅度提高UPS性能。 (5)正確、良好的接地 電源線及接地線的粗細對系統(tǒng)的可靠性有很大的影響。如果地線太細，將不能為系統(tǒng)提供足夠的電流，電源線、地線的電阻也會增大，電流流過電源線，在電源線上形成較大的壓降，影響正常工作。 電源線、地線應盡可能短。如果線過長，電流流過時產(chǎn)生壓降，外部的干擾信號可能耦合到電源線上，避免與大電流的控制信號近距離、平行的走線，以免產(chǎn)生很大的干擾。 (6)模塊化設(shè)計 模塊化設(shè)計的好處在于： 減少各部分之間的相互關(guān)聯(lián)與耦合，避免或減輕彼此間的相互干擾； 便于故障定位，便于快速修復，提高系統(tǒng)的可靠性。 (7)隔離與緩沖 輸入輸出通道是外部干擾信號傳入系統(tǒng)的一種途徑。對交流信號可采取變壓器隔離；對直流信號采用光電耦合器件進行隔離。使外部的輸入輸出通道與控制部件在電氣連接上相互隔離，阻斷外部干擾信號進入控制系統(tǒng)。 (8)器件的優(yōu)化 由于UPS一般為連續(xù)工作狀態(tài)，因此要反復篩選對比，杜絕因為器件本身導致系統(tǒng)失敗。 (9)印制電路板的抗干擾 印制板應遵循大面積接地、分級屏蔽、大信號、高阻抗電路走短線等原則。 3．2 軟件抗干擾 按來源不同，軟件干擾類型主要分為兩大類：一類是輸入輸出通道受到干擾，使系統(tǒng)不能準確控制；另一類是程序在執(zhí)行過程中，程序受到干擾而跑飛。在設(shè)計系統(tǒng)時采用： (1)系統(tǒng)上電自診斷 在系統(tǒng)冷啟動時，首先進行CPU、RAM等自檢。如果發(fā)現(xiàn)異常，則報告錯誤并等待修復，避免帶病工作。 自檢一般有以下方法： 上電自檢；定時自檢；鍵控自檢。 (2)使用監(jiān)控定時器即看門狗技術(shù) 監(jiān)控定時器是當系統(tǒng)軟件受到干擾時偏離了預定的路徑運行的監(jiān)控電路使系統(tǒng)復位。大多數(shù)單片機系統(tǒng)都設(shè)置監(jiān)控定時器電路。 (3)設(shè)置軟件陷阱 在程序區(qū)的斷層，以NOP指令填空，以保證因干擾而造成彈飛的程序盡快步入正常運行軌道。用一條強跳轉(zhuǎn)引導指令強行將捕獲的程序引向一個指定地址。在它前面還加2條NOP指令。 (4)在所有未使用的中斷入口，均以RETI指令填充。 4 結(jié)論 不間斷電源是強電信號與弱電信號交叉的系統(tǒng)，存在著各種各樣的干擾。如果系統(tǒng)沒有足夠強的抗干擾能力，即使總體設(shè)計，硬件設(shè)計，軟件設(shè)計都合理也不能完全保證系統(tǒng)很好的工作。實際系統(tǒng)干擾復雜，需要在實踐中不斷積累經(jīng)驗。只有這樣，才能設(shè)計更佳的電路。 |
