在线式UPS的控制与保护技术

烟台市农业信息中心    宋雷鸣 牟晓卉

在线式UPS的控制与保护功能基本上是由中央处理器(CPU)或数字信号处理器(DSP)内部程序控制完成的,由于程序的不可见性,UPS的许多控制和保护原理用户很难理解。以下根据多年的UPS研发经验,讨论一下在线式UPS的控制和保护技术。

1   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/s,视为市电频率正常。

(4)市电逆变状态:市电输入正常,UPS工作在AC→DC→AC时的状态。

(5)电池逆变状态:市电输入异常,UPS工作在电池→逆变时的状态。

(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有市电零点发生器和逆变零点发生器两部分电路。

2   控制技术

(1)缓开机

当UPS开机或系统重置(包括过载解除、自动重启等)时,CPU控制UPS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,逆变电压尚未切换到对外输出前,为防止市电灌入UPS,在市电正常时,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,当市电电压的读值连续低于160V或高于280V五次时,视为市电电压输入异常;只有当市电电压的读值连续五次恢复到170～270V之间时,才认为市电输入转为正常。市电输入正常时，UPS工作在市电逆变状态;当市电电压低于160V或高于280V时，UPS立即转入电池逆变状态;为防止市电来回切换，只有当市电恢复到170～270V时, UPS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,频率相同后再追踪相位,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进行比较，其结果被三角波切割，生成PWM信号。

(8)逆变电压调整

CPU每16ms读取一次逆变电压值,并与设定的电压值进行比较,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8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8个标准正弦波点读一次,通过128个点的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。

3   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实施BUS过电压保护,转入旁路并报警。

(4)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自动转入电池逆变状态，在每个单体电池电压下降到13.5V后，UPS重新回到原工作状态。市电异常，UPS转入电池逆变状态，电池开始放电,CPU控制蜂鸣器4s鸣叫一次。当每个单体电池电压下降到10V时,UPS自动关机。市电恢复正常时,UPS会自动重启。

(5)负载保护

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

虽然UPS种类繁多,但是其控制和保护技术的基本原理大致相同。■