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在线式UPS电源的控制和保护技术 
发布时间:2010-9-22  浏览次数:2077 次  来源:上海愈翼电气科技有限公司

    在线式UPS电源的控制和保护功能基本上是由CPU的内部程序控制完成的,由于程序的不可见性,UPS电源的许多控制和保护原理大家很难理解。下面,我根据多年的UPS电源研发经验,跟大家谈一下在线式UPS电源的控制和保护技术。

  一、基本概念

  1、市电正常:市电正常是指市电电压和市电频率都正常。

  2、市电电压正常:市电电压在160~280V之间,视为市电电压输入正常。

  3、市电频率正常:市电频率在47~53HZ之间,且频率变化率小于1HZ/秒,视为市电频率正常。

  4、市电逆变状态:市电输入正常,UPS电源工作在AC→DC→AC时的状态。

  5、电池逆变状态:市电输入异常,UPS电源工作在BATTERY→AC时的状态。

  6、CPU交流电压取样信号:交流电压经分压、隔直、全波整流、限幅后,供给CPU进行A/D转换的信号。UPS电源上有市电电压取样信号和逆变电压取样信号两部分电路。

  7、零点发生器:交流正弦波经过由运算放大器组成的交流差动放大器,变成方波信号,再经滤除高频谐波和限幅后,送给CPU。CPU通过对方波下降沿(对应正弦波的过零点)的侦测,计算出正弦波的频率和相位。UPS电源有市电零点发生器和逆变零点发生器两部分电路。

  8、BUS电压:BUS电压是指供给逆变器的直流电压,UPS电源有正、负两路BUS电压,其正常值为400V。

  二、控制技术

  1、缓开机当UPS电源开机或系统重置(包括过载解除、自动重启等)时,CPU控制UPS电源缓慢提升逆变电压,每32ms提升逆变电压3V,直至220V停止。

  2、电压追逐在缓开机结束后,逆变电压尚未切到对外输出前,为防止市电灌入UPS电源,市电正常时,CPU控制逆变电压追逐市电输入电压,逆变电压依市电电压高低每隔128ms加减3V。如果市电电压高于280V,则只追到280V;如果市电电压低于160V,则只追到160V。

  3、市电电压的侦测与控制CPU每16ms读取一次市电电压值,当市电的电压读值连续低于160V或高于280V五次时,视为市电电压输入异常;只有当市电的电压读值连续五次回复到170~270V之间时,才认为市电输入转为正常。市电输入正常时, UPS电源工作在市电逆变状态;当市电电压低于160V或高于280V时, UPS电源立即转入电池逆变状态;为防止市电来回切换,只有当市电回复到170~270V时, UPS电源才转入市电逆变状态。

  4、市电频率的侦测与控制侦测市电频率的目的是作为逆变锁相的依据,通过调整逆变的过零点调整逆变相位,使在市电状态下的逆变输出与市电输入基本同频率、同相位。市电开机时,UPS电源侦测输入市电的频率作为逆变输出的频率;电池状态下开机时,逆变输出的频率以上次输出的频率来设定。当市电正常时,执行锁相,逆变频率先追市电频率,频率相同后再追相位,通过变动逆变频率完成逆变和市电同相位。锁相后,逆变和市电的相位差小于3度,频率误差小于0.01HZ。当市电频率超出47~53HZ范围时,UPS电源不执行锁相,立即转入电池逆变状态,只有当市电频率回复到48~52HZ时,UPS电源再执行锁相,并转入市电逆变状态。

  5、三角波发生器CPU送出的38.4KHZ方波,经由运算放大器组成的二分频电路后,变成19.2KHZ的方波,再经积分器积分成三角波。

  6、标准正弦波发生器CPU送出以128点平均分割的模仿正弦波,经过二阶低通滤波器滤波后,生成标准正弦波。

  7、PWM信号标准正弦波与逆变输出电压的正弦波反馈信号做比较,结果被三角波切割,生成PWM信号。

  8、逆变电压调整CPU每16ms读取一次逆变电压值,并与设定的电压值做比较,当差值高于10V时,CPU立即调整标准正弦波,从而调整PWM信号,使输出电压相应加减5V,以缩小差值;当差值低于10V时,CPU累积差值,当累积值达到30V时,CPU调整标准正弦波,使输出电压相应加减2V。

  9、CPU的A/D读取CPU每半周期读一次电池电压、正负BUS电压和机内温度,每隔八个标准正弦波点读一次市电电压、逆变电压和逆变电流(在每个周期开始,CPU变更读点的初始位置,使每隔八个标准正弦波点读一次的共128点的A/D读取达到扫描效果,读取值存入RAM内)。

  10、CPU的计算CPU每隔2个周期计算一次市电电压的均方根值(RMS),每隔1个周期计算一次逆变电压的均方根值,每隔32个周期计算一次逆变电流的均方根值,每隔32个周期计算一次输出功率的均方根值。

  11、瞬间断电侦测CPU每4ms计算一次最近一周期所读取的市电A/D值,如果小于140V,则视为断电,UPS电源立即转入电池逆变状态。

  三、保护技术

  1、逆变输出短路和过电压保护当逆变输出电压的正弦波反馈信号连续64ms无过零信号时,视为逆变输出短路,UPS电源关闭输出并报警;当逆变输出电压值连续80ms低于160V或高于280V时,视为逆变输出过电压,UPS电源立即转到旁路并报警。

  2、输出限流保护保护电路侦测逆变输出的电流值,当其超过额定值的3.6倍时,限流保护电路立即关闭PWM,只有在输出电流值小于额定值的3.6倍后,PWM才重新工作。

  3、BUS过电压保护当BUS电压的绝对值连续64ms超过440V时,UPS电源实施BUS过电压保护,转入旁路并报警。

  4、UPS蓄电池过压和欠压保护

  当每个电池电压高于15V时,视为电池过压,UPS电源自动转入电池逆变状态,在电池电压下降到每个13.5V后,UPS重新回到原工作状态。市电异常,UPS电源转入电池逆变状态,电池开始放电,CPU控制蜂鸣器4秒鸣叫一次;当每个电池电压下降到11V时,CPU控制蜂鸣器每秒鸣叫一次;当每个电池电压下降到10V时,UPS电源自动关机。市电恢复正常时,UPS电源会自动重启。

  5、负载保护

  如果UPS电源在从旁路转入逆变输出前,侦测到负载超过110%,UPS电源不能转入逆变输出,CPU控制蜂鸣器每0.5秒鸣叫一次;如果开机后负载加至110%~130%,CPU控制蜂鸣器每0.5秒鸣叫一次,UPS电源在10秒后转入旁路;如果开机后负载加至130%以上,UPS电源会立即转入旁路。

  最后小结:

  虽然UPS电源种类繁多,但是其控制和保护技术的基本原理是大致相同的。

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