在線式UPS的控制與保護(hù)技術(shù)
煙臺(tái)市農(nóng)業(yè)信息中心 宋雷鳴 牟曉卉
在線式UPS的控制與保護(hù)功能基本上是由中央處理器(CPU)或數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)內(nèi)部程序控制完成的,由于程序的不可見(jiàn)性,UPS的許多控制和保護(hù)原理用戶很難理解。以下根據(jù)多年的UPS研發(fā)經(jīng)驗(yàn),討論一下在線式UPS的控制和保護(hù)技術(shù)。
1 基本概念
(1)市電正常:市電正常是指市電電壓和市電頻率都正常。
(2)市電電壓正常:市電電壓在160～280V之間,視為市電電壓正常。
(3)市電頻率正常:市電頻率在47～53Hz之間,且頻率變化率小于1Hz/s,視為市電頻率正常。
(4)市電逆變狀態(tài):市電輸入正常,UPS工作在AC→DC→AC時(shí)的狀態(tài)。
(5)電池逆變狀態(tài):市電輸入異常,UPS工作在電池→逆變時(shí)的狀態(tài)。
(6)CPU交流電壓取樣信號(hào):交流電壓經(jīng)分壓、隔直、全波整流、限幅后,供給CPU進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的信號(hào)。UPS上有市電電壓取樣信號(hào)和逆變電壓取樣信號(hào)兩部分電路。
(7)零點(diǎn)發(fā)生器:交流正弦波經(jīng)過(guò)由運(yùn)算放大器組成的交流差動(dòng)放大器,變成方波信號(hào),再濾除高頻諧波和限幅后,送給CPU。CPU通過(guò)對(duì)方波下降沿(對(duì)應(yīng)正弦波的過(guò)零點(diǎn))的偵測(cè),計(jì)算出正弦波的頻率和相位。UPS有市電零點(diǎn)發(fā)生器和逆變零點(diǎn)發(fā)生器兩部分電路。
2 控制技術(shù)
(1)緩開機(jī)
當(dāng)UPS開機(jī)或系統(tǒng)重置(包括過(guò)載解除、自動(dòng)重啟等)時(shí),CPU控制UPS緩慢提升逆變電壓,每32ms提升逆變電壓3V,直至220V停止。
(2)電壓追逐
在緩開機(jī)結(jié)束后,逆變電壓尚未切換到對(duì)外輸出前,為防止市電灌入U(xiǎn)PS,在市電正常時(shí),CPU控制逆變電壓追逐市電輸入電壓,逆變電壓依市電電壓高低每隔128ms加減3V。如果市電電壓高于280V,則只追到280V;如果市電電壓低于160V,則只追到160V。
(3)市電電壓的偵測(cè)與控制
CPU每16ms讀取一次市電電壓值,當(dāng)市電電壓的讀值連續(xù)低于160V或高于280V五次時(shí),視為市電電壓輸入異常;只有當(dāng)市電電壓的讀值連續(xù)五次恢復(fù)到170～270V之間時(shí),才認(rèn)為市電輸入轉(zhuǎn)為正常。市電輸入正常時(shí)，UPS工作在市電逆變狀態(tài);當(dāng)市電電壓低于160V或高于280V時(shí)，UPS立即轉(zhuǎn)入電池逆變狀態(tài);為防止市電來(lái)回切換，只有當(dāng)市電恢復(fù)到170～270V時(shí), UPS才轉(zhuǎn)入市電逆變狀態(tài)。
(4)市電頻率的偵測(cè)與控制
偵測(cè)市電頻率的目的是作為逆變鎖相的依據(jù),通過(guò)調(diào)整逆變的過(guò)零點(diǎn)調(diào)整逆變相位,使在市電狀態(tài)下的逆變輸出與市電輸入基本同頻率、同相位。市電開機(jī)時(shí),UPS偵測(cè)輸入市電的頻率作為逆變輸出的頻率;電池狀態(tài)下開機(jī)時(shí),逆變輸出的頻率以上次輸出的頻率來(lái)設(shè)定。當(dāng)市電正常時(shí),執(zhí)行鎖相,逆變頻率先追市電頻率,頻率相同后再追蹤相位,通過(guò)變動(dòng)逆變頻率完成逆變和市電同相位。鎖相后,逆變和市電的相位差小于3度,頻率誤差小于0.01Hz。當(dāng)市電頻率超出47～53Hz范圍時(shí),UPS不執(zhí)行鎖相,立即轉(zhuǎn)入電池逆變狀態(tài),只有當(dāng)市電頻率回復(fù)到48～52Hz時(shí),UPS再執(zhí)行鎖相,并轉(zhuǎn)入市電逆變狀態(tài)。
(5)三角波發(fā)生器
CPU送出的38.4kHz方波,經(jīng)由運(yùn)算放大器組成的二分頻電路后,變成19.2kHz的方波,再經(jīng)積分器積分成三角波。
(6)標(biāo)準(zhǔn)正弦波發(fā)生器
CPU送出以128點(diǎn)平均分割的模仿正弦波,經(jīng)過(guò)二階低通濾波器濾波后,生成標(biāo)準(zhǔn)正弦波。
(7)PWM信號(hào)
標(biāo)準(zhǔn)正弦波與逆變輸出電壓的正弦波反饋信號(hào)進(jìn)行比較，其結(jié)果被三角波切割，生成PWM信號(hào)。
(8)逆變電壓調(diào)整
CPU每16ms讀取一次逆變電壓值,并與設(shè)定的電壓值進(jìn)行比較,當(dāng)差值高于10V時(shí),CPU立即調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)正弦波,從而調(diào)整PWM信號(hào),使輸出電壓相應(yīng)加減5V,以縮小差值;當(dāng)差值低于10V時(shí),CPU累積差值,當(dāng)累積值達(dá)到30V時(shí),CPU調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)正弦波,使輸出電壓相應(yīng)加減2V。
(9)CPU的A/D讀取
CPU每半周期讀一次電池電壓、正負(fù)BUS電壓和機(jī)內(nèi)溫度,每隔8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)正弦波點(diǎn)讀一次市電電壓、逆變電壓和逆變電流(在每個(gè)周期開始,CPU變更讀點(diǎn)的初始位置,使每隔8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)正弦波點(diǎn)讀一次,通過(guò)128個(gè)點(diǎn)的A/D讀取達(dá)到掃描效果,讀取值存入RAM內(nèi))。
(10)CPU的計(jì)算
CPU每隔2個(gè)周期計(jì)算一次市電電壓的均方根值(RMS),每隔1個(gè)周期計(jì)算一次逆變電壓的均方根值,每隔32個(gè)周期計(jì)算一次逆變電流的均方根值,每隔32個(gè)周期計(jì)算一次輸出功率的均方根值。
3 保護(hù)技術(shù)
(1)逆變輸出短路和過(guò)電壓保護(hù)
當(dāng)逆變輸出電壓的正弦波反饋信號(hào)連續(xù)64ms無(wú)過(guò)零信號(hào)時(shí),視為逆變輸出短路,UPS關(guān)閉輸出并報(bào)警;當(dāng)逆變輸出電壓值連續(xù)80ms低于160V或高于280V時(shí),視為逆變輸出過(guò)電壓,UPS立即轉(zhuǎn)到旁路并報(bào)警。
(2)輸出限流保護(hù)
保護(hù)電路偵測(cè)逆變輸出的電流值,當(dāng)其超過(guò)額定值的3.6倍時(shí),限流保護(hù)電路立即關(guān)閉PWM,只有在輸出電流值小于額定值的3.6倍后,PWM才重新工作。
(3)BUS過(guò)電壓保護(hù)
當(dāng)BUS電壓的絕對(duì)值連續(xù)64ms超過(guò)440V時(shí),UPS實(shí)施BUS過(guò)電壓保護(hù),轉(zhuǎn)入旁路并報(bào)警。
(4)電池過(guò)壓和欠壓保護(hù)
當(dāng)每個(gè)電池電壓高于15V時(shí)，視為電池過(guò)壓,UPS自動(dòng)轉(zhuǎn)入電池逆變狀態(tài)，在每個(gè)單體電池電壓下降到13.5V后，UPS重新回到原工作狀態(tài)。市電異常，UPS轉(zhuǎn)入電池逆變狀態(tài)，電池開始放電,CPU控制蜂鳴器4s鳴叫一次。當(dāng)每個(gè)單體電池電壓下降到10V時(shí),UPS自動(dòng)關(guān)機(jī)。市電恢復(fù)正常時(shí),UPS會(huì)自動(dòng)重啟。
(5)負(fù)載保護(hù)
如果UPS在從旁路轉(zhuǎn)入逆變輸出前,偵測(cè)到負(fù)載超過(guò)110%,UPS不能轉(zhuǎn)入逆變輸出,CPU控制蜂鳴器每0.5s鳴叫一次;如果開機(jī)后負(fù)載加至110%～130%,CPU控制蜂鳴器每0.5s鳴叫一次,UPS在10s后轉(zhuǎn)入旁路;如果開機(jī)后負(fù)載加至130%以上,UPS會(huì)立即轉(zhuǎn)入旁路。
雖然UPS種類繁多,但是其控制和保護(hù)技術(shù)的基本原理大致相同。■
