QQ:40542776
3kVA在線式UPS的工作原理與故障維修



UPS的品牌較多,這里以山特(Santak)牌C系列3kVA在線式UPS為例敘述其工作原理及維修方法,供電源技術工程人員參考.
1 性能參數與系統框圖
(1) 性能參數
如表1所示,這里同時把該系列1kVA及2kVA產品的性能參數一并列出,供比較用.
型號 項目 C1k C2k C3k
額定容量 (輸出) 1kVA 2kVA 3kVA
輸入 電壓 160~276V
頻率 50Hz±5%
輸出 電壓 220V
頻率 50Hz
電壓穩定度 ±2%
頻率穩定度 ±0.5%(電池供電)
超載能力 110%(10s)130%(200ms)
電池 直流電壓 36V 96V
密封免維護電池 12V/7.2Ah×3 2V/6.5Ah×8 2V/7.2Ah×8
備用時間(滿載/半載) 7分鐘/17分鐘 8分鐘/25分鐘 5分鐘/20分鐘
充電時間 回充至90% 8h
轉換時間 停電或復電 零中斷
噪音 1m距離 <45dB <50dB
批示燈 負載、電池供電及UPS運轉狀態批示燈等
警報聲音 電池放電 當輸入斷電時每4s發出警告聲,當電池將用盡時每秒發警告聲
UPS異常 連續聲
輸出插座 4個
通訊接口(DB-9P) NOVELL及RS232接口 斷電、電池低電壓,遙控UPS開、關
環境 溫度 0℃~40℃
濕度 10%~90%(不結露)
重量(凈重) 14.5kg 35kg 36kg
外形尺寸(mm) W×D×H 145×405×220 195×455×330
表1  山特C1kVA/ C2kVA/ C3kVA性能參數
(2) 系統框圖
系統框圖如圖1所示,當市電正常時,主路由功率因數校正電路產生逆變器工作所需的±370V的直流電壓,再經逆變器將直流轉換為交流輸出;另一路市電經充電器電路產生110V的直流電壓對蓄電池充電;當市電中斷時,蓄電池所儲存的能量經DC/DC變換器轉換為±400V的直流電壓作為逆變器輸入,使輸出實現不間斷供電.

2 電路工作原理(以C3k為例)
(1) 功率級電路工作原理
① 充電器電路
如圖2所示,市電經P(L)、P(N)進入功率板做為充電器的輸入電源, 經由BR01、 VM208、 U206、 TX1、U202、U203等構成隔離反激式變換器,轉換為直流電壓對電池充電.為確保電池壽命,充電器輸出電壓必須保持穩定,調整VR301可得到110V的充電電壓Uch,同時TX1的副邊還為功率因數校正電路提供驅動電源PFVCC+、PFVCC0、PFVCC-;該反激式變換器由開關型PWM集成電路UC3845 (即U206)控制,CPU通過(加在TLP521上的)信號控制UC3845的工作.當有市電時,TLP521截止,UC3845起振,正常工作,給蓄電池充電;當無市電時,TLP521導通,將定時電容(C221A)對地短路,UC3845停振,從而停止充電,同時功率因數校正電路也停止工作.
      ② 開機電路
如圖3所示,直流、交流開機均是在接到由CNTL板送來的開機信號后,用一個高電平(電池電壓或充電電壓)去觸發Q8的基極,使Q8導通,給工作電源的集成控制片U302送去工作電壓,使U302開始工作,轉換成多個直流電源,并用其中的+24V電源繼續維持Q8的導通狀態,開機動作完畢.
③ 輔助電源電路
如圖4所示,電池電壓、充電電壓由TX305第6腳輸入,經由U302、VM3、TX305等所構成的開關電源電路,產生多組相互隔離的逆變器所需的工作電源IGBT+12V、IGBT-5V及控制工作電源24V、12V,其中12V電源再經由U311(7805)產生5V電源供控制板或其他控制集成電路作工作電源.
④ 斬波器電路
如圖5所示,由TX501、TX502、VM501、VM502、VM503、VM504、VM505、VM506及控制元件U501組成的升壓斬波電路,將單一的直流電壓(電池電壓)轉換為高壓正負直流電壓.當市電中斷時,此直流電壓通過VD501、VD502、VD503、VD504、VD505、VD506、VD507、VD508和電感L501、L502送至±DC BUS(±400V)繼續提供電源給逆變器, 使供電不致中斷, 并用U501 來控制 DC BUS 的輸出電壓, 由CPU進行設定并控制,不需人工調整.CPU通過U501(SG3525)的OFF端控制該直流直流變換器的工作狀態.當市電正常時,關閉集成控制片SG3525,使斬波器不工作,只有在蓄電池供電時,該斬波器才工作.
⑤ 功率因數校正電路
如圖6所示,輸入交流電經CT2,電感L1、L2,整流橋BR02、VM1A、U305、U10組成升壓斬波電路,在電容C320、C332、C334、C338及C313、C321、C333、C335上產生±370V的BUS電壓作為逆變器輸入,經逆變器的轉換,產生正弦交流輸出.與此同時,UC3854將檢測市電電流和市電電壓,對功率元件進行控制,使輸入電流的波形與電壓波形相近,相位相同,以提高輸入功率因數,避免對電網產生諧波干擾.穩定的DC BUS有助于穩定交流輸出電壓,因此要特別注意DC BUS電壓的穩定和準確.本機由CNTL直接根據輸入交流電壓的高低和當前±BUS電壓高低進行控制,不需人工調整DC BUS電壓.
⑥ 逆變器電路
如圖7所示,C320、C332、C334、C338及C313、C321、C333、C335和VM12、VM13及VM5、VM7組成半橋式逆變器,L5、L6、L7及C11、C12組成低通濾波器,在CNTL所產生的PWM信號控制下,經由U2、U3隔離驅動,推動半橋逆變器兩功率管工作,產生正弦波輸出.
⑦ 輸出電路
如圖8所示,當CPU檢測到逆變器工作正常后,發出INRLY信號,使RL04切換到逆變器輸出,反之,則仍由旁路輸出,逆變器和旁路輸出電壓通過CN17L、CN17N向負載供電,并由CT1和VD61、VD62、VD63、VD64、R71進行負載偵測,將L.C+、L.C-送到CNTL板,供面板顯示及其他保護用.
(2) 控制板電路工作原理
① 輸入CPU的各監測信號電路
(a) 過零產生器電路
市電過零產生器和逆變器過零產生器均采用此電路,如圖9所示.
220V交流市電輸入經R61送至運算放大器U5的反相端,R59、R60設置U5的靜態工作點,組成交流差動放大器,輸入為正弦波,輸出為方波.另由C55和R61組成濾波器,濾掉輸入正弦波的高頻諧波,VD13將電位減少至約340mV,并通過C22濾波使其輸出方波波形更加完美.CPU通過對該方波零點的偵測(即通過對兩次上升沿下降沿的偵測)可以確定其相位與頻率,CPU根據所測得的相位來設定逆變器的相位,以達到同相的目的.
(b) 電流峰值保護電路
此電路為典型的比較器電路,如圖10所示.通過(PSDR)送出CT1偵測的負載電流,將其轉換為直流電壓信號,經R82送至U7的同相端,并在反相端設一閾值電平+5V,R84為上拉電阻,將U7的1腳置為高電平;R85為限流電阻,將信號送至U4的4腳.在正常帶載工作時,CT1偵測的負載電流信號為小于5V的直流電壓量,故U7的輸出為一低電平,使U4不致被復位;當UPS超載或在瞬間投入大容量整流性負載或大容量電感性負載時,CT1偵測的直流電壓會高于+5V,從而使U7的輸出為高電平,將U4復位,進而關閉PWM信號,UPS停止工作,此時面板上55%負載燈和FAULT燈會一起亮,蜂鳴器長鳴.
保護點設置為峰值電流∶額定電流=3∶1.
C1k額定輸出電流為4.5A;
C2k額定輸出電流為9.5A;
C3k額定輸出電流為13.6A.
(c) 輸出電壓監測電路
逆變輸出及市電電壓監測均采用此電路,如圖11所示.
此電路采用運放進行全波整流,220V交流從INV.L端輸入.在市
電正半周時,經R43、R42、R34分壓,由INV.V輸出至CPU,因U3反相端電壓比同相端電壓高,其輸出為低電平,VD10反向偏置,故U3在正弦波正半周時不起作用;負半周時,同相端電壓高于反相端,U3輸出為高電平.VD10正向偏置,將此高電位輸出給CPU,從而使INV.V為一全波整流脈動波形(市電電壓偵測電路在 PSDR 板上結構與INV.L一樣).CPU會根據INV.V偵測值來判
斷逆變器是否已達到穩定.
(d) 溫度監測電路
如圖12所示.當溫度正常時,+5V通過溫控開關(在PSDR散熱片上)加至R14,R14與GND之間接有C34和熱敏電阻NTC1,因而輸入到CPU的是高電平;當本機溫度過高時,溫控開關斷開,+5V中斷,溫度信號變為低電平.CPU識別此信號后,發出過熱保護報警信號,UPS關機;如果溫控開關失靈,當溫度過高時,NTC1將會隨溫度上升而減小阻值,漸漸將溫度信號拉為低電平,直到CPU識別溫度信號,做出相應保護動作(其中溫控開關的動作溫度為80℃,高電平>3.5V,低電平<1.5V).
(e) 自動開機及開機消音、自檢電路
此電路包括手動開機、自動開機、開機消音、開機自檢四種功能,如圖13所示.
 開機過程
用手觸摸面板上SWON開關約1秒,電池電壓從CN1的16腳送到15腳,SWPOWER與SW1接通(SW1與SW-ON為同一信號),此信號分為兩路傳遞:
經VD2到PSDR板的Q8基極,且PSDR的ZD01(12V穩壓管)工作,將SW-ON電壓箝位于12.45V左右,使Q8導通,啟動工作電源產生電路,產生CPU及逆變器工作所需的各種電壓.
經 R15、 R16 分壓約為5.5V電平送入CPU作為SWSTUTS信號(開機命令),命令CPU進行開機,并將此命令狀態存貯于CPU的EPROM中,做自動開機之用.
 自動開機
當CPU接到SWSTUTS信號后,將此信號狀態存貯于CPU的EPROM中.當機器因電池電壓低等原因關機,若故障消除后,CPU根據存貯的信號狀態自動啟動UPS.
 開機消音
在電池供電時,蜂鳴器會根據電池電壓監測值鳴叫,以表示電池容量情況,若再按SW-ON約1秒,SWSTUTS信號第二次送入CPU,CPU接受此信號后,操作蜂鳴器,使之停止鳴叫,若再按SW-ON約1秒,則蜂鳴器又開始鳴叫.
開機自檢
每次工作模式轉換都會對系統進行自檢,表現形式為面板負載指示燈開始時全亮,再逐個熄滅.
(f) 輔助電源監測電路
如圖14所示,此電路給CPU提供工作電源5V,當控制電源12V/5V發生故障時,CPU將被復位或停止工作.此電路采用LM393運放作為比較器,由12V直流電源經R77、R80分壓后得到約6V的電壓,送至U7的第5腳即運放的同相端,與反相端的5V進行比較.正常情況下,運放的輸出經R78上拉電阻箝位為5V,若12V電源因某種原因低于10V或5V電源因某種原因高于5V,則運放的輸出會變為低電平,CPU將停止工作.當CPU第一次收到此電路產生的+5V信號時,處于復位狀態,對系統自檢.
(g) 基準電源產生電路
如圖15所示.該電路的作用是給CPU內的A/D轉換器提供高穩定度的5V直流電源,PSDR的+5V由7805產生,其誤差范圍為2%~4%,而A/D轉換器的5V要求誤差小于1%時才能保證其轉換精度.此電路采用TL431穩壓,12V經R53、R54、R13分壓,設置TL431的R端電位為2.5V,則從VRH端就能得到高穩定度的5V電壓.
(h) 振蕩器電路
由晶振XL1及輔助元件C40、C41、R12組成的振蕩器電路,產生高穩定度的振蕩頻率,其振蕩頻率為6.37MHz,如圖16所示.
② CPU輸出控制及保護電路
(a) I/P繼電器驅動電路
此電路為典型的開關線路,如圖17所示.當CPU監測到有市電輸入, 且控制電源正常時, 會發出一個高電平信號給VM3的門極,使VM3導通,I/P繼電器通電動作.當出現短路錯誤或充電故障時,CPU將VM3的門極置低電平,I/P繼電器信號中斷,I/P繼電器復位,將旁路和逆變器切斷.
(b) O/P繼電器驅動電路
此電路為典型的開關線路,如圖18所示.當CPU檢測到高壓直流電壓及逆變器電壓正常時,會給VM2的門極送入一個高電平,VM2導通.O/P繼電器線圈一端接INV.RLY-,另一端接24V直流.當VM2導通時,INV.RLY-變為低電平,線圈加電,O/P繼電器動作.
(c) 蜂鳴產生電路
如圖19所示,CPU根據監測到的工作狀態,發出相應觸發信號,使Q1導通,從而控制蜂鳴器的工作模式:
四秒一響——直流放電
一秒一響——電池電壓低
半秒一響——過載
長鳴——短路故障
(d) 逆變器參考波產生電路
CPU通過監測市電電壓的零點(頻率與相位)與逆變電壓的零點,輸出幅度正比于市電電壓和逆變電壓相位差的控制信號PW2(來自CPU),經C5、R23低通濾波后,再送到U3組成的波形轉換電路,將PW2方波變為正弦波,使其成為調整逆變電壓相位和市電電壓相位同相的參考波,如圖20所示.
(e) 逆變器誤差放大器電路
INVERTER.1端經R24、R25分壓后,與參考波相減作為誤差放大器的輸入.VR1用來調整U3放大器的工作點,如圖21所示.
(f) 三角波產生電路
如圖22所示,從CPU內發出38.4kHz的時鐘信號送入Q6的基極,經幅值變換后送入4013,分頻為19.2kHz,經C19、R45送至由U3、C13、R44、R49組成的積分器進行積分,將方波積分為三角波,送入PWM產生電路.
(g) PWM產生電路
如圖23所示.此PWM產生電路采用三角波調制法來實現:比較器U5的同相端為三角波,其反相端為基準正弦波.當三角波大于正弦波時,U5輸出一個寬度為三角波大于正弦波部分所對應時間間隔的正脈沖,此正脈沖分兩路傳遞,一路經R12到U2與門緩沖整流,R20、C2、VD7使PWM信號上升沿平緩、下降沿陡峭,再送入U2(4081)的另一個與門,其輸出做控制極.為增大信號驅動能力,4018后接2003作為PWM-輸出級.另一路先送到反相器LM339的反相端進行反相,然后與PWM-一樣產生PWM+信號.由CPU送來的PWM OFF信號與U4輸出信號經2003非門輸出,作為與門4081的一個輸入端,控制PWM信號產生:正常時該輸入端為高電平,有PWM信號產生;當UPS出現故障時,該輸入端為低電平,關閉PWM信號.
(h) RS232電源產生電路
如圖24所示.從功率板引出H.F.POWER-、H.FPOWER+(圖中49、50)兩個信號作為TX1的輸入電壓,產生供RS232用的±10V,同時產生-8V作為U5、U3的負基準電源.由于有了這個電路,RS232接口的1腳就不必再接DTR,只要UPS工作,此接口就處于隨時發送、接收的熱狀態.
3 山特C3kVA UPS維修參數
(1) 控制部分維修參數
① 軟啟動
當系統重新開機或系統重置(復位)時(包括過載恢復、自動復位),系統有軟啟動功能.
軟啟動維修參數:每32ms逆變器輸出電壓上升約3Vac,至約220Vac時停止.
② 電壓跟隨
當軟啟動完成后,尚未切入逆變器前,逆變器會跟隨輸入電壓,再切到逆變器繼電器.
電壓跟隨維修參數:輸入交流電壓在160V~276V之間時,才執行電壓跟隨功能.當電壓高于276V時,只跟隨到276V;若電壓低于160V時,只跟隨至160V.執行時每隔128ms依輸入電壓高低加減3V.
③ 逆變器STS切換
      當逆變器繼電器在接通瞬間,逆變器STS同時接通,延遲32ms后,逆變器STS斷開.
④ 鎖相
監測市電頻率作為逆變器鎖相依據,以過零監測信號做相位調整,若市電頻率穩定且同步時,相位差小于3度,頻率誤差小于0.01Hz.
鎖相維修參數:市電頻率變化率小于1Hz/s,最大為2Hz/s.當市電頻率超出±3Hz時,不進行鎖相而是以系統頻率運行,并轉至蓄電池供電的逆變模式.當市電頻率恢復到±2.5Hz內時,再進行鎖相,恢復到市電供電的逆變模式.
⑤ 市電電壓監測
當交流市電電壓低于160V或高于276V時,系統進入蓄電池供電的逆變模式;當市電恢復到170V~266V時,系統返回到市電供電的逆變模式.
市電電壓監測維修參數:每隔16ms監測市電電壓一次.當市電電壓連續5次低于160V或高于276V時,系統進入蓄電池供電的逆變模式;
當市電電壓恢復后,連續5次測量值在170V~266V范圍內,且頻率也符合要求時,則系統返回到市電供電的逆變模式.
⑥ 輸出頻率選擇與設定
當有市電開機時,系統監測輸入電源頻率來設定輸出頻率;若是直流開機,則以上次輸出頻率來設定.
輸出頻率選擇與設定的維修參數:輸入電源頻率為40~55Hz時,輸出設定為50Hz;輸入電源頻率為55~70Hz時,輸出設定為60Hz.
⑦ 三角波維修參數
CPU送出38.4kHz方波,再經4013二分頻得到19.2kHz的方波,再經積分器積分成三角波.
⑧ 輸出電壓維修參數
系統上電時,讀取后蓋板處DIP開關位置來設定輸出電壓,如表2所示.
⑨ 輸出電壓調整
系統每16ms讀取逆變器電壓與設定電壓值做比較,并自動調整輸出.
輸出電壓維修參數:若系統讀取逆變器電壓與設定電壓值相差約10V時,CPU立即改變參考電壓,使輸出電壓加減約3V;若系統讀取逆變器電壓與設定電壓值相差低于10V時,CPU累計差值,若差值超過3V時,CPU改變參考電壓,使輸出電壓加減約1V.
⑩ A/D采樣
 每半周采樣一次:電池電壓;正高壓直流電壓;負高壓直流電壓;溫度.
 每隔8個基準正弦波點時采樣一次: 市電電壓;輸出電壓;輸出電流.
 A/D維修參數:CPU于每周期開始,改變采樣點的初始位置,使每隔8個基準正弦波采樣一次,從而使A/D采樣達到掃描的效果,采樣值存入128個RAM內(128個RAM填滿需8個周期).
⑾ 電壓、電流、功率計算
●  市電電壓計算
CPU每隔2個周期計算一次,計算時將RAM的存儲值先平方和除以周期再開方.
● 輸出電壓計算
CPU每隔1個周期計算一次,計算時將RAM的存儲值先平方和除以周期再開方.
●  輸出電流計算
CPU每隔32個周期計算一次,計算時將RAM的存儲值先平方和除以周期再開方.
●  輸出功率計算
CPU每隔32個周期計算一次,根據上述輸出電壓、電流并乘以功率因數進行計算.
⑿ 瞬間斷電檢測
CPU每隔4ms計算最近一周期采樣的市電電壓的A/D值,若小于150V則當做斷電.
(2) 保護部分維修參數
① 電池電壓檢測與過電壓保護
●  電池過電壓保護
當每個電池電壓高于直流15V時,UPS自動轉入蓄電池供電模式,直到每個電池電壓低于約直流13.5V時,UPS再恢復至原先狀態,在此期間UPS長鳴并于面板顯示告警.
●  電池電壓檢測
放電時,UPS每4秒鳴叫一次;當每個電池電壓低于約直流11V時,UPS每秒鳴叫一次;當每個電池電壓低于約直流10V時,若輸入電壓為零,則UPS關閉,并準備自動復位;若輸入電壓超出限額,則視為開機條件錯誤,UPS每0.5秒鳴叫一次并于面板顯示告警.
② 逆變器輸出短路及輸出電壓保護
●  輸出短路保護
      當逆變器輸出反饋連續64ms無過零點時,視為輸出短路,UPS輸出關斷,UPS長鳴并于面板顯示告警.
●  輸出電壓保護
當逆變器輸出反饋電壓連續80ms低于140V或高于276V時,視為輸出欠壓或過壓而保護,UPS轉至旁路模式,UPS長鳴并于面板顯示告警.
③ BUS過電壓保護
當BUS電壓連續64ms超過440V時,則認為BUS過電壓而進行保護,UPS轉至旁路模式,UPS長鳴并于面板顯示告警.
④ 逆變器限流保護
保護線路監測輸出電流值,若超過額定電流3.6倍時,限流保護線路立即關閉PWM,以19.2kHz的周期重置PWM,直到輸出電流值小于額定電流3.6倍時為止.
⑤ 過溫度保護
當系統溫度過高時,溫度開關跳脫,使UPS轉至旁路模式,UPS長鳴并于面板顯示告警(偵測時間0.5s).
⑥ 負載保護
●  110%~130%
若UPS從旁路跳轉至逆變前,檢測到負載超過110%,則無法進入逆變狀態,此時UPS每0.5s鳴叫一次,并于面板顯示狀態.若開機后,檢測到負載在110%~130%之間,則UPS每0.5s鳴叫一次,并于面板顯示狀態,10s后UPS跳至旁路模式;此后若負載減輕至100%以下,則UPS重新軟開機.若UPS在蓄電池供電模式下檢測到負載在110%~130%之間,則UPS每0.5s鳴叫一次,并于面板顯示狀態;若負載未減輕至100%以下,則10s后UPS轉至旁路模式,此狀態只有按OFF鍵才能解除.
●  大于130%
若開機后檢測到負載大于130%,則UPS每0.5s鳴叫一次,并于面板顯示狀態,同時UPS轉至旁路狀態.此后若負載減輕至100%以下,則UPS重新開機.若UPS在蓄電池供電模式下檢測到負載大于130%, 則UPS每0.5s鳴叫一次, 并于面板顯示狀態;同時UPS轉至旁路模式;此狀態只有按OFF鍵才能解除.
4 常見故障排除
(1) 功率板電路維修判據及常見故障處理
① 充電器電路維修判據及常見故障處理(見表3)
●  維修判據
充電電壓在正常規定的范圍內,出現充電電壓高于或低于正常值,調節VR301,使之符合標準,即認為充電電路正常.