1 引言
在對交流供電質(zhì)量有特殊要求的用電設(shè)備系統(tǒng)中,可采用電網(wǎng)供電(或主供電)與逆變電供電(或備用電)的雙供電方式供電,在主供電系統(tǒng)發(fā)生故障時,及時準確可靠地把逆變電(備用電)投上,保證用電設(shè)備安全可靠運行。如計算機或計算機網(wǎng)絡(luò)的供電系統(tǒng)、通信或信號設(shè)備的供電系統(tǒng)、電力監(jiān)控設(shè)備的供電系統(tǒng)等用電設(shè)備或系統(tǒng), 要求雙供電電源之間能“無縫”切換(即“0”切換)。現(xiàn)有的交流旁路或靜態(tài)開關(guān),僅具有一般的切換功能,切換時間在數(shù)ms甚至10ms以上;不具備逆變電頻率、相位的自動跟蹤調(diào)節(jié)功能,不能實現(xiàn)雙供電電源系統(tǒng)間的“無縫”切換。同時, 現(xiàn)有的切換裝置或靜態(tài)開關(guān)不具有對雙供電電源信息處理和與計算機通訊及管理功能,不能對多個逆變模塊進行遠程監(jiān)控和信息處理,也不具獨立單元結(jié)構(gòu),通用和兼容性差。

2 系統(tǒng)原理
本系統(tǒng)采用了dsp和can(控制局域網(wǎng))總線技術(shù),由一片dsp(數(shù)字信號處理器)和一片89c52單片機及can總線控制芯片和外圍電路構(gòu)成雙cpu系統(tǒng)。其中dsp作為切換裝置靜態(tài)開關(guān)的主控芯片, 完成市電與逆變電間的同步及切換控制。通過can總線與各功率逆變模塊進行雙向通訊，dsp內(nèi)部的比較單元通過can總線向各功率逆變模塊輸出頻率和相位與市電相同的矩形波，dsp內(nèi)部的捕捉單元接收來自市電和逆變電過零檢測信號，dsp內(nèi)置的a/d(模／數(shù))轉(zhuǎn)換市電和逆變電模擬信號，dsp還輸出一個市電或逆變電接通或斷開信號與驅(qū)動市電或逆變電切換的開關(guān)箱驅(qū)動電路相連接;

上述dsp外圍通過總線隔離電路與以89c52為主控芯片的單片機構(gòu)成的下位機監(jiān)控部分相連接，下位機監(jiān)控部分設(shè)置有can控制器和can接口芯片，其與dsp之間通過can總線進行雙向通訊;與上位機則通過rs-232口或modem及電話線實現(xiàn)本地或遠程計算機通信。本系統(tǒng)下位機可對底層功率逆變模塊進行監(jiān)控。本系統(tǒng)核心部分是靜態(tài)開關(guān)的同步及切換控制。

上述基于dsp和can總線的結(jié)構(gòu),為雙供電系統(tǒng)實現(xiàn)高精度、高性能同步和切換控制奠定硬件了基礎(chǔ)。

2.1 硬件原理
(1) 雙供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 雙供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

(2)切換系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

圖2 切換系統(tǒng)硬件框圖

(3) 硬件特點
針對雙供電源系統(tǒng)間的“無縫”雙向自動切換要求,本系統(tǒng)選用了性價比高、功能強大的美國ti公司生產(chǎn)的tms320lf2407a為靜態(tài)開關(guān)的主控芯片,以支持雙供電電源逆變電與電網(wǎng)電實現(xiàn)高精度頻率、相位同步控制和參數(shù)檢測計算及切換等控制軟件。
(4) 軟件特點
完成逆變電與市電相位和頻率的同步跟蹤、檢測以及根據(jù)檢測的結(jié)果通過系統(tǒng)內(nèi)嵌的智能切換決策控制器驅(qū)動開關(guān)箱決定負載由哪路電源供電等智能控制。采用了以下控制策略:
·內(nèi)嵌了一個小型智能切換決策系統(tǒng),完成系統(tǒng)復(fù)雜邏輯控制及快速數(shù)據(jù)處理, 對各功能程序模塊運行進行協(xié)調(diào)、管理,實現(xiàn)雙供電電源的高精度同步和雙向“無縫”切換;
·采用了基于控制優(yōu)先級搶奪調(diào)度機制,各功能模塊被編成不同優(yōu)先級函數(shù),在內(nèi)嵌的小型智能切換決策平臺上運行和管理;
· 采用了“步進式修正同步跟蹤”和對供電“電源波形預(yù)處理”的控制策略,實現(xiàn)切換控制的高精度、高平穩(wěn)和高準確性;

測試結(jié)果證明，把上述控制策略用于復(fù)雜底層控制系統(tǒng), 取得了理想的控制效果,實測市電與逆變電之間切換時間≤2.4ms,達到國外同類產(chǎn)品先進水平。

2.2 控制功能實現(xiàn)
考慮到靜態(tài)開關(guān)對逆變模塊的兼容性，設(shè)置了同步脈沖捕獲電路。由靜態(tài)開關(guān)發(fā)出的同步脈沖經(jīng)反向驅(qū)動送至光隔，光隔的輸出再送入逆變控制主芯片的捕獲口。其 can總線收發(fā)信號經(jīng)光電隔離器隔離后送至can總線收發(fā)器82c250，82c250是驅(qū)動can控制器和物理總線的接口，提供對總線的差動發(fā)送和接收。該電路具有極高的可靠性,最高通信速率可達1mbps。

在本系統(tǒng)中，靜態(tài)開關(guān)的主控芯片dsp可對電網(wǎng)電和逆變電的大小、相位和頻率按預(yù)置參數(shù)進行監(jiān)測; 市電供電時,逆變電處于熱等待,且其輸出與靜態(tài)開關(guān)發(fā)出的同步信號,保持嚴格的相位同步關(guān)系;靜態(tài)開關(guān)通過控制同步信號來控制逆變模塊的輸出相位。為了保證系統(tǒng)的高精確和高平穩(wěn)性,采用了“步進式修正同步跟蹤”控制策略,即靜態(tài)開關(guān)根據(jù)當前逆變電與市電(主供電)之間的相位差大小，朝著減小相位差的方向以合適的步長(相位差不同,修正步長也不同)逐步修正處于熱等待狀態(tài)的逆變電同步信號的頻率和相位，逆變電則不斷跟蹤dsp片內(nèi)的比較單元產(chǎn)生的同步信號，最終使得二者高精度同步,達到切換時間≤2.4ms的高控制切換精度。

雙供電系統(tǒng)的參數(shù)測量及計算由靜態(tài)開關(guān)的主控芯片dsp完成。利用dsp的高速采集能力，對由a/d轉(zhuǎn)換器采樣和量化后的電壓,電流等數(shù)據(jù)直接進行高采樣密度的積分運算，再經(jīng)過校正計算后，得出系統(tǒng)需要的各種參數(shù)。

另外,為了能夠及時并準確的判斷供電電源質(zhì)量是否合格，靜態(tài)開關(guān)的dsp對電源進行合理的濾波，以及對電壓及頻率進行高精度的檢測，實現(xiàn)及時切換到合適的一路電源對負載供電。

2.3 系統(tǒng)切換控制軟件流程圖
系統(tǒng)切換控制軟件流程如圖3所示。

3 試驗結(jié)果
下面采用帶軟驅(qū)的5-2-395型示波器隨機測試到的雙供電系統(tǒng)間多種情況下的同步和切換波形，如圖4～圖9。

圖3 軟件流程框圖


圖4 市電供電,市電低于最低設(shè)置時切換到逆變電時的波形


圖5 逆變電供電,市電從低于最低設(shè)置恢復(fù)到正常范圍時的切換波形


圖6 市電供電，市電高于最高設(shè)置時從市電切換到逆變電的波形


圖7 逆變電供電,市電從高于最高設(shè)置恢復(fù)到正常范圍時的切換波形


圖8 市電供電，市電突然掉電,系統(tǒng)切換到逆變電時的波形;
切換時間=1.9ms


圖9 逆變電供電逆變突然電掉電,系統(tǒng)切換到市電時的切換波形,
切換時間=1.7ms

4 結(jié)束語
本系統(tǒng)已成功用于5kva～50kva逆變電為備用電的雙供電電源系統(tǒng)。硬件為積木式結(jié)，十分靈活,可以根據(jù)用戶的不同要求搭成不同的配置;可廣泛用于不同的功率范圍、不同的應(yīng)用場合、以及不同的主供電模式。

參考文獻
[1] 秦娟英. 《數(shù)字式智能逆變電源系統(tǒng)》研制報告[z]. 武漢理工大學(xué)自動化學(xué)院.
[2] 吳 勇,秦娟英. 基于dsp的can總線系統(tǒng)[j]. 工業(yè)控制計算機,2002(6).
[3] 劉和平,嚴利平. tms320lf240x dsp結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用[m]. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社.

作者簡介
秦娟英 女 武漢理工大學(xué)自動化學(xué)院教授/碩士研究生導(dǎo)師。主要研究方向:電力電子技術(shù)與現(xiàn)代傳動控制，計算機控制。

作 者：武漢理工大學(xué)自動化學(xué)院    秦娟英    陸家珍    吳國平