王俊偉，俞冬冬，吳秋軒

(杭州電子科技大學自動化學院，浙江杭州310018)

0 引言

交流電檢測電能質(zhì)量的檢測與切換技術(shù)是UPS的核心［1］。目前UPS的切換分為基于均值的切換技術(shù)和基于瞬時值的切換技術(shù)兩大類［2，3］?；诰档臋z測切換技術(shù)通常在快速性方面不理想，所以在UPS的掉電檢測中通常使用瞬時值檢測方案［4］。文獻5介紹了一種基于市電瞬時值的全數(shù)字化檢測切換方法，檢測和切換的時間很短，但不能檢測市電的波形失真，尤其當市電有尖峰干擾時，容易造成誤動作。文獻6介紹了一種基于正弦平方和的快速掉電檢測方法，該方法要求市電波形必須是正弦，當市電波形失真時難以檢測出來。文獻7，8介紹了一種基于模擬和數(shù)字結(jié)合的瞬時值檢測切換技術(shù)－硬件掉電捕獲技術(shù)，既可快速檢測市電停電、幅值或頻率超標、又可檢測市電波形失真、抗干擾性好、可靠性高，但是由于硬件組成復雜，產(chǎn)品調(diào)試相對復雜，成本相對較高。本文介紹一種基于DSP的新型交流電掉電快速檢測技術(shù)。該設(shè)計結(jié)合了上述幾種方案的特點，依靠DSP強大的運算邏輯能力，在UPS市電掉電檢測環(huán)節(jié)通過軟件模擬硬件掉電捕獲檢測方案，減少了成本和體積，提高了可維護性、移植性和智能化程度［9］，契合了數(shù)字化的發(fā)展趨勢［10］。

1 系統(tǒng)設(shè)計

查閱了相關(guān)資料之后，在線式UPS中對于市電的檢測，一般使用硬件掉電捕獲技術(shù)，如圖1所示，其中市電經(jīng)變壓器T1降壓后再經(jīng)電阻R3和R4分壓，在R4上產(chǎn)生一個市電檢測信號，相位正好與市電相反。同時，DSP對市電進行鎖相跟蹤，其PWM6腳輸出一個與市電的頻率和相位都相同的SPWM波，該SPWM波經(jīng)電平移動和低通濾波器濾波后得到一個正弦信號，然后再經(jīng)電阻R7和R4分壓后在R4上得到一個基準正弦電壓信號，該信號幅值恒定，相位與市電保持一致。當市電不正常時，基準正弦信號沒有變化，但輸入檢測變壓器的電壓發(fā)生變化，兩者在R4上疊加后幅值不為0，導致Q1、Q2必有一個導通，使得射極輸出低電平，在CAP3端產(chǎn)生瞬時脈沖，此時通過DSP的CAP端口捕獲該脈沖信號，就可以判別出市電波形是否有畸變，以確定UPS中電源的切換。

上述原理的硬件方案的有著廣泛的運用，但是隨著IC技術(shù)的發(fā)展，減小獨立元器件數(shù)量、降低成本、減小體積、增加數(shù)字化的程度是未來發(fā)展的方向，基于這些因素，設(shè)計了一種軟件占主導的檢測方案－軟件模擬標準正弦波比較方案，即用DSP模擬原本在純硬件中實現(xiàn)波形對比的過程:在DSP中制作標準市電波形的數(shù)據(jù)表格，通過在DSP中用軟件模擬標準正弦波與實際檢測到的交流電壓值進行同相位的對比，若出現(xiàn)偏差過大，則判斷為交流電波形出現(xiàn)畸變，需要切換電源。與硬件掉電捕獲檢測方案相比，具有元器件數(shù)量、成本、體積等方面的優(yōu)勢。

圖1 硬件掉電捕獲檢測電路

1.1 硬件設(shè)計

本方案對交流電信號的硬件檢測電路如圖2所示。市電經(jīng)變壓器T1降壓后，經(jīng)過整流橋D1整流變成全半波，后經(jīng)運放縮小至0－3.3V的DSP模數(shù)轉(zhuǎn)化范圍后接至DSP的AD檢測口。于DSP內(nèi)部進行AD轉(zhuǎn)換及后續(xù)的對比工作，當?shù)綦娗闆r發(fā)生時，DSP中出現(xiàn)中斷，做出對應的響應操作。相比較硬件掉電檢測方案，本方案的硬件實現(xiàn)要容易很多。

圖2 交流電信號硬件檢測電路

1.2 軟件設(shè)計

由于在硬件電路中，交流電經(jīng)過整流后，正弦波變成了全半波，所以在軟件模擬中需要在DSP中建立與標準全半波幅值對應的數(shù)值表作為比較的基準線。在市電正常工作情況下，檢測到的波形應該與標準全半波一一對應，當連續(xù)幾組數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大的出入時，認定市電出現(xiàn)問題，由DSP輸出信號控制相關(guān)引腳，借由繼電器動作切換電源。

軟件流程如圖3所示，定義參數(shù)Count為離散采樣計數(shù)值，范圍0－99，參數(shù)Error1為信號偏差的累加計數(shù)值，初值為0，假設(shè)經(jīng)數(shù)字濾波后，有效檢測頻率為5kHz，由于我國市電標準是50Hz，可得每個市電正弦周期內(nèi)的采樣次數(shù)將一個市電周期內(nèi)對應的正弦波形等分為100份，對應Count的100個采樣點。在DSP中建立一個周期內(nèi)標準全半波對應的數(shù)列{an}a1，…，a100。同時實際檢測到的市電檢測值也建立數(shù)列{bn}b1，…，b100。

當檢測到的實際市電bn與標準全半波an的大小對應相等時，累加值Error1減1，并進入下一次循環(huán);當檢測到的實際市電bn與標準全半波an的偏差大于某個閾值時，Error1加1。為避免電網(wǎng)上干擾信號，設(shè)定當連續(xù)出現(xiàn)5次超出閾值，即可認為市電供給出現(xiàn)斷電等錯誤，觸發(fā)軟件中斷。軟件部分的識別時間計算如下:

一般UPS切換繼電器的動作時間t2≤7ms，可得由市電出現(xiàn)異常至完成切換總時間t=t1+t2≤8ms，通常情況下，對UPS的切換時間的要求是10ms以內(nèi)，對于一般的用電設(shè)備，本交流電掉電檢測方案在理論上符合設(shè)計要求。

2 測試結(jié)果

測試中將采樣頻率設(shè)置在5kHz，即市電的每個正弦周期(經(jīng)整流后全半波)有100個檢測點。將系統(tǒng)采集到的市電波形數(shù)據(jù)傳送給上位機，經(jīng)MATLAB數(shù)據(jù)分析并建立模型得General model Sin4:

f(x)=a1*sin(b1*x+c1)+a2*sin(b2*x+c2)+a3*sin(b3*x+c3)+a4*sin(b4*x+c4)Coefficients(with 95%confidence bounds):

圖3 軟件模擬正弦波比較方案流程圖

示波器檢測到的實際全半波波形如圖4所示，MATLAB數(shù)據(jù)擬合的波形如圖5所示，通過兩者波形的相似度，可以得出:通過本檢測系統(tǒng)幾乎可以完全復現(xiàn)待測市電的波形，一旦出現(xiàn)偏差，相應可觸發(fā)中斷，完成后續(xù)工作。通過與理想繼電器配合，完全達到實驗預期切換時間指標。

圖4 示波器檢測到的市電波形

圖5 MATLAB數(shù)據(jù)擬合分析

3 結(jié)束語

本掉電快速檢測系統(tǒng)充分利用了DSP的快速邏輯運算功能，與硬件捕獲掉電檢測方案相比，精簡了元器件數(shù)量，降低了器件成本和體積，增加了系統(tǒng)功能，提高了可維護性、移植性和智能化程度，契合了UPS技術(shù)發(fā)展的發(fā)展趨勢，對其它相關(guān)設(shè)計具有參考意義。

［1］王清，雷升印.UPS技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)［J］.山西電子技術(shù)，2007，(1):92－94.

［2］顏曉河，施三保，夏澤中.不間斷電源技術(shù)綜述［J］.煤礦機械，2006，27(9):6－8.

［3］裴雪軍，段善旭，康勇，等.全數(shù)字化控制UPS切換策略的研究［J］.電氣傳動，2003，(3):62－64.

［4］鄒杰，付光杰.基于DSP的在線式UPS電源研究［D］.大慶大慶石油學院，2009:24－27.

［5］Oshima M，Nakamura F，Tamai S，et al.Development of a Novel Power Apparatus to Make up for Voltage Dips and Interruptions Based on Quick Reversible Operation of a PWM Converter［A］.PCC-OSAKA 2002［C］.2002:440－445.

［6］Kwon Bong-Hwan，Choi Jin-Ha，Kim Tae-Won.Improved Single-phase Line-Interactive UPS［J］.IEEE Industrial Electronics，2001，48(4):804－811.

［7］吳紅霞，皮大能.基于DSP在線互動式UPS掉電檢測電路的設(shè)計［J］.黃石理工學院學報，2007，23(4):9－12.

［8］王歸新，段善旭.一種新型軟硬件結(jié)合的UPS切換技術(shù)［J］.電力電子技術(shù)，2003，37(6):39－41.

［9］林新春，段善旭，康勇，等.基于DSP的UPS全數(shù)字化控制系統(tǒng)［J］.電力電子技術(shù)，2001，(2):51－53.

［10］李成章.UPS的發(fā)展及其全方位解決方案［J］.電信技術(shù)，2003，(1):29－31.