山特3kVA在线式UPS的工作原理与故障维修

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3kVA在线式UPS的工作原理与故障维修



UPS的品牌较多,这里以山特(Santak)牌C系列3kVA在线式UPS为例叙述其工作原理及维修方法,供电源技术工程人员参考.
1 性能参数与系统框图
(1) 性能参数
如表1所示,这里同时把该系列1kVA及2kVA产品的性能参数一并列出,供比较用.
型号 项目 C1k C2k C3k
额定容量 (输出) 1kVA 2kVA 3kVA
输入 电压 160~276V
频率 50Hz±5%
输出 电压 220V
频率 50Hz
电压稳定度 ±2%
频率稳定度 ±0.5%(电池供电)
超载能力 110%(10s)130%(200ms)
电池 直流电压 36V 96V
密封免维护电池 12V/7.2Ah×3 2V/6.5Ah×8 2V/7.2Ah×8
备用时间(满载/半载) 7分钟/17分钟 8分钟/25分钟 5分钟/20分钟
充电时间 回充至90% 8h
转换时间 停电或复电 零中断
噪音 1m距离 <45dB <50dB
批示灯 负载、电池供电及UPS运转状态批示灯等
警报声音 电池放电 当输入断电时每4s发出警告声,当电池将用尽时每秒发警告声
UPS异常 连续声
输出插座 4个
通讯接口(DB-9P) NOVELL及RS232接口 断电、电池低电压,遥控UPS开、关
环境 温度 0℃~40℃
湿度 10%~90%(不结露)
重量(净重) 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性能参数
(2) 系统框图
系统框图如图1所示,当市电正常时,主路由功率因数校正电路产生逆变器工作所需的±370V的直流电压,再经逆变器将直流转换为交流输出;另一路市电经充电器电路产生110V的直流电压对蓄电池充电;当市电中断时,蓄电池所储存的能量经DC/DC变换器转换为±400V的直流电压作为逆变器输入,使输出实现不间断供电.

2 电路工作原理(以C3k为例)
(1) 功率级电路工作原理
① 充电器电路
如图2所示,市电经P(L)、P(N)进入功率板做为充电器的输入电源, 经由BR01、 VM208、 U206、 TX1、U202、U203等构成隔离反激式变换器,转换为直流电压对电池充电.为确保电池寿命,充电器输出电压必须保持稳定,调整VR301可得到110V的充电电压Uch,同时TX1的副边还为功率因数校正电路提供驱动电源PFVCC+、PFVCC0、PFVCC-;该反激式变换器由开关型PWM集成电路UC3845 (即U206)控制,CPU通过(加在TLP521上的)信号控制UC3845的工作.当有市电时,TLP521截止,UC3845起振,正常工作,给蓄电池充电;当无市电时,TLP521导通,将定时电容(C221A)对地短路,UC3845停振,从而停止充电,同时功率因数校正电路也停止工作.
      ② 开机电路
如图3所示,直流、交流开机均是在接到由CNTL板送来的开机信号后,用一个高电平(电池电压或充电电压)去触发Q8的基极,使Q8导通,给工作电源的集成控制片U302送去工作电压,使U302开始工作,转换成多个直流电源,并用其中的+24V电源继续维持Q8的导通状态,开机动作完毕.
③ 辅助电源电路
如图4所示,电池电压、充电电压由TX305第6脚输入,经由U302、VM3、TX305等所构成的开关电源电路,产生多组相互隔离的逆变器所需的工作电源IGBT+12V、IGBT-5V及控制工作电源24V、12V,其中12V电源再经由U311(7805)产生5V电源供控制板或其他控制集成电路作工作电源.
④ 斩波器电路
如图5所示,由TX501、TX502、VM501、VM502、VM503、VM504、VM505、VM506及控制元件U501组成的升压斩波电路,将单一的直流电压(电池电压)转换为高压正负直流电压.当市电中断时,此直流电压通过VD501、VD502、VD503、VD504、VD505、VD506、VD507、VD508和电感L501、L502送至±DC BUS(±400V)继续提供电源给逆变器, 使供电不致中断, 并用U501 来控制 DC BUS 的输出电压, 由CPU进行设定并控制,不需人工调整.CPU通过U501(SG3525)的OFF端控制该直流直流变换器的工作状态.当市电正常时,关闭集成控制片SG3525,使斩波器不工作,只有在蓄电池供电时,该斩波器才工作.
⑤ 功率因数校正电路
如图6所示,输入交流电经CT2,电感L1、L2,整流桥BR02、VM1A、U305、U10组成升压斩波电路,在电容C320、C332、C334、C338及C313、C321、C333、C335上产生±370V的BUS电压作为逆变器输入,经逆变器的转换,产生正弦交流输出.与此同时,UC3854将检测市电电流和市电电压,对功率元件进行控制,使输入电流的波形与电压波形相近,相位相同,以提高输入功率因数,避免对电网产生谐波干扰.稳定的DC BUS有助于稳定交流输出电压,因此要特别注意DC BUS电压的稳定和准确.本机由CNTL直接根据输入交流电压的高低和当前±BUS电压高低进行控制,不需人工调整DC BUS电压.
⑥ 逆变器电路
如图7所示,C320、C332、C334、C338及C313、C321、C333、C335和VM12、VM13及VM5、VM7组成半桥式逆变器,L5、L6、L7及C11、C12组成低通滤波器,在CNTL所产生的PWM信号控制下,经由U2、U3隔离驱动,推动半桥逆变器两功率管工作,产生正弦波输出.
⑦ 输出电路
如图8所示,当CPU检测到逆变器工作正常后,发出INRLY信号,使RL04切换到逆变器输出,反之,则仍由旁路输出,逆变器和旁路输出电压通过CN17L、CN17N向负载供电,并由CT1和VD61、VD62、VD63、VD64、R71进行负载侦测,将L.C+、L.C-送到CNTL板,供面板显示及其他保护用.
(2) 控制板电路工作原理
① 输入CPU的各监测信号电路
(a) 过零产生器电路
市电过零产生器和逆变器过零产生器均采用此电路,如图9所示.
220V交流市电输入经R61送至运算放大器U5的反相端,R59、R60设置U5的静态工作点,组成交流差动放大器,输入为正弦波,输出为方波.另由C55和R61组成滤波器,滤掉输入正弦波的高频谐波,VD13将电位减少至约340mV,并通过C22滤波使其输出方波波形更加完美.CPU通过对该方波零点的侦测(即通过对两次上升沿下降沿的侦测)可以确定其相位与频率,CPU根据所测得的相位来设定逆变器的相位,以达到同相的目的.
(b) 电流峰值保护电路
此电路为典型的比较器电路,如图10所示.通过(PSDR)送出CT1侦测的负载电流,将其转换为直流电压信号,经R82送至U7的同相端,并在反相端设一阈值电平+5V,R84为上拉电阻,将U7的1脚置为高电平;R85为限流电阻,将信号送至U4的4脚.在正常带载工作时,CT1侦测的负载电流信号为小于5V的直流电压量,故U7的输出为一低电平,使U4不致被复位;当UPS超载或在瞬间投入大容量整流性负载或大容量电感性负载时,CT1侦测的直流电压会高于+5V,从而使U7的输出为高电平,将U4复位,进而关闭PWM信号,UPS停止工作,此时面板上55%负载灯和FAULT灯会一起亮,蜂鸣器长鸣.
保护点设置为峰值电流∶额定电流=3∶1.
C1k额定输出电流为4.5A;
C2k额定输出电流为9.5A;
C3k额定输出电流为13.6A.
(c) 输出电压监测电路
逆变输出及市电电压监测均采用此电路,如图11所示.
此电路采用运放进行全波整流,220V交流从INV.L端输入.在市
电正半周时,经R43、R42、R34分压,由INV.V输出至CPU,因U3反相端电压比同相端电压高,其输出为低电平,VD10反向偏置,故U3在正弦波正半周时不起作用;负半周时,同相端电压高于反相端,U3输出为高电平.VD10正向偏置,将此高电位输出给CPU,从而使INV.V为一全波整流脉动波形(市电电压侦测电路在 PSDR 板上结构与INV.L一样).CPU会根据INV.V侦测值来判
断逆变器是否已达到稳定.
(d) 温度监测电路
如图12所示.当温度正常时,+5V通过温控开关(在PSDR散热片上)加至R14,R14与GND之间接有C34和热敏电阻NTC1,因而输入到CPU的是高电平;当本机温度过高时,温控开关断开,+5V中断,温度信号变为低电平.CPU识别此信号后,发出过热保护报警信号,UPS关机;如果温控开关失灵,当温度过高时,NTC1将会随温度上升而减小阻值,渐渐将温度信号拉为低电平,直到CPU识别温度信号,做出相应保护动作(其中温控开关的动作温度为80℃,高电平>3.5V,低电平<1.5V).
(e) 自动开机及开机消音、自检电路
此电路包括手动开机、自动开机、开机消音、开机自检四种功能,如图13所示.
 开机过程
用手触摸面板上SWON开关约1秒,电池电压从CN1的16脚送到15脚,SWPOWER与SW1接通(SW1与SW-ON为同一信号),此信号分为两路传递:
经VD2到PSDR板的Q8基极,且PSDR的ZD01(12V稳压管)工作,将SW-ON电压箝位于12.45V左右,使Q8导通,启动工作电源产生电路,产生CPU及逆变器工作所需的各种电压.
经 R15、 R16 分压约为5.5V电平送入CPU作为SWSTUTS信号(开机命令),命令CPU进行开机,并将此命令状态存贮于CPU的EPROM中,做自动开机之用.
 自动开机
当CPU接到SWSTUTS信号后,将此信号状态存贮于CPU的EPROM中.当机器因电池电压低等原因关机,若故障消除后,CPU根据存贮的信号状态自动启动UPS.
 开机消音
在电池供电时,蜂鸣器会根据电池电压监测值鸣叫,以表示电池容量情况,若再按SW-ON约1秒,SWSTUTS信号第二次送入CPU,CPU接受此信号后,操作蜂鸣器,使之停止鸣叫,若再按SW-ON约1秒,则蜂鸣器又开始鸣叫.
开机自检
每次工作模式转换都会对系统进行自检,表现形式为面板负载指示灯开始时全亮,再逐个熄灭.
(f) 辅助电源监测电路
如图14所示,此电路给CPU提供工作电源5V,当控制电源12V/5V发生故障时,CPU将被复位或停止工作.此电路采用LM393运放作为比较器,由12V直流电源经R77、R80分压后得到约6V的电压,送至U7的第5脚即运放的同相端,与反相端的5V进行比较.正常情况下,运放的输出经R78上拉电阻箝位为5V,若12V电源因某种原因低于10V或5V电源因某种原因高于5V,则运放的输出会变为低电平,CPU将停止工作.当CPU第一次收到此电路产生的+5V信号时,处于复位状态,对系统自检.
(g) 基准电源产生电路
如图15所示.该电路的作用是给CPU内的A/D转换器提供高稳定度的5V直流电源,PSDR的+5V由7805产生,其误差范围为2%~4%,而A/D转换器的5V要求误差小于1%时才能保证其转换精度.此电路采用TL431稳压,12V经R53、R54、R13分压,设置TL431的R端电位为2.5V,则从VRH端就能得到高稳定度的5V电压.
(h) 振荡器电路
由晶振XL1及辅助元件C40、C41、R12组成的振荡器电路,产生高稳定度的振荡频率,其振荡频率为6.37MHz,如图16所示.
② CPU输出控制及保护电路
(a) I/P继电器驱动电路
此电路为典型的开关线路,如图17所示.当CPU监测到有市电输入, 且控制电源正常时, 会发出一个高电平信号给VM3的门极,使VM3导通,I/P继电器通电动作.当出现短路错误或充电故障时,CPU将VM3的门极置低电平,I/P继电器信号中断,I/P继电器复位,将旁路和逆变器切断.
(b) O/P继电器驱动电路
此电路为典型的开关线路,如图18所示.当CPU检测到高压直流电压及逆变器电压正常时,会给VM2的门极送入一个高电平,VM2导通.O/P继电器线圈一端接INV.RLY-,另一端接24V直流.当VM2导通时,INV.RLY-变为低电平,线圈加电,O/P继电器动作.
(c) 蜂鸣产生电路
如图19所示,CPU根据监测到的工作状态,发出相应触发信号,使Q1导通,从而控制蜂鸣器的工作模式:
四秒一响——直流放电
一秒一响——电池电压低
半秒一响——过载
长鸣——短路故障
(d) 逆变器参考波产生电路
CPU通过监测市电电压的零点(频率与相位)与逆变电压的零点,输出幅度正比于市电电压和逆变电压相位差的控制信号PW2(来自CPU),经C5、R23低通滤波后,再送到U3组成的波形转换电路,将PW2方波变为正弦波,使其成为调整逆变电压相位和市电电压相位同相的参考波,如图20所示.
(e) 逆变器误差放大器电路
INVERTER.1端经R24、R25分压后,与参考波相减作为误差放大器的输入.VR1用来调整U3放大器的工作点,如图21所示.
(f) 三角波产生电路
如图22所示,从CPU内发出38.4kHz的时钟信号送入Q6的基极,经幅值变换后送入4013,分频为19.2kHz,经C19、R45送至由U3、C13、R44、R49组成的积分器进行积分,将方波积分为三角波,送入PWM产生电路.
(g) PWM产生电路
如图23所示.此PWM产生电路采用三角波调制法来实现:比较器U5的同相端为三角波,其反相端为基准正弦波.当三角波大于正弦波时,U5输出一个宽度为三角波大于正弦波部分所对应时间间隔的正脉冲,此正脉冲分两路传递,一路经R12到U2与门缓冲整流,R20、C2、VD7使PWM信号上升沿平缓、下降沿陡峭,再送入U2(4081)的另一个与门,其输出做控制极.为增大信号驱动能力,4018后接2003作为PWM-输出级.另一路先送到反相器LM339的反相端进行反相,然后与PWM-一样产生PWM+信号.由CPU送来的PWM OFF信号与U4输出信号经2003非门输出,作为与门4081的一个输入端,控制PWM信号产生:正常时该输入端为高电平,有PWM信号产生;当UPS出现故障时,该输入端为低电平,关闭PWM信号.
(h) RS232电源产生电路
如图24所示.从功率板引出H.F.POWER-、H.FPOWER+(图中49、50)两个信号作为TX1的输入电压,产生供RS232用的±10V,同时产生-8V作为U5、U3的负基准电源.由于有了这个电路,RS232接口的1脚就不必再接DTR,只要UPS工作,此接口就处于随时发送、接收的热状态.
3 山特C3kVA UPS维修参数
(1) 控制部分维修参数
① 软启动
当系统重新开机或系统重置(复位)时(包括过载恢复、自动复位),系统有软启动功能.
软启动维修参数:每32ms逆变器输出电压上升约3Vac,至约220Vac时停止.
② 电压跟随
当软启动完成后,尚未切入逆变器前,逆变器会跟随输入电压,再切到逆变器继电器.
电压跟随维修参数:输入交流电压在160V~276V之间时,才执行电压跟随功能.当电压高于276V时,只跟随到276V;若电压低于160V时,只跟随至160V.执行时每隔128ms依输入电压高低加减3V.
③ 逆变器STS切换
      当逆变器继电器在接通瞬间,逆变器STS同时接通,延迟32ms后,逆变器STS断开.
④ 锁相
监测市电频率作为逆变器锁相依据,以过零监测信号做相位调整,若市电频率稳定且同步时,相位差小于3度,频率误差小于0.01Hz.
锁相维修参数:市电频率变化率小于1Hz/s,最大为2Hz/s.当市电频率超出±3Hz时,不进行锁相而是以系统频率运行,并转至蓄电池供电的逆变模式.当市电频率恢复到±2.5Hz内时,再进行锁相,恢复到市电供电的逆变模式.
⑤ 市电电压监测
当交流市电电压低于160V或高于276V时,系统进入蓄电池供电的逆变模式;当市电恢复到170V~266V时,系统返回到市电供电的逆变模式.
市电电压监测维修参数:每隔16ms监测市电电压一次.当市电电压连续5次低于160V或高于276V时,系统进入蓄电池供电的逆变模式;
当市电电压恢复后,连续5次测量值在170V~266V范围内,且频率也符合要求时,则系统返回到市电供电的逆变模式.
⑥ 输出频率选择与设定
当有市电开机时,系统监测输入电源频率来设定输出频率;若是直流开机,则以上次输出频率来设定.
输出频率选择与设定的维修参数:输入电源频率为40~55Hz时,输出设定为50Hz;输入电源频率为55~70Hz时,输出设定为60Hz.
⑦ 三角波维修参数
CPU送出38.4kHz方波,再经4013二分频得到19.2kHz的方波,再经积分器积分成三角波.
⑧ 输出电压维修参数
系统上电时,读取后盖板处DIP开关位置来设定输出电压,如表2所示.
⑨ 输出电压调整
系统每16ms读取逆变器电压与设定电压值做比较,并自动调整输出.
输出电压维修参数:若系统读取逆变器电压与设定电压值相差约10V时,CPU立即改变参考电压,使输出电压加减约3V;若系统读取逆变器电压与设定电压值相差低于10V时,CPU累计差值,若差值超过3V时,CPU改变参考电压,使输出电压加减约1V.
⑩ A/D采样
 每半周采样一次:电池电压;正高压直流电压;负高压直流电压;温度.
 每隔8个基准正弦波点时采样一次: 市电电压;输出电压;输出电流.
 A/D维修参数:CPU于每周期开始,改变采样点的初始位置,使每隔8个基准正弦波采样一次,从而使A/D采样达到扫描的效果,采样值存入128个RAM内(128个RAM填满需8个周期).
⑾ 电压、电流、功率计算
●  市电电压计算
CPU每隔2个周期计算一次,计算时将RAM的存储值先平方和除以周期再开方.
● 输出电压计算
CPU每隔1个周期计算一次,计算时将RAM的存储值先平方和除以周期再开方.
●  输出电流计算
CPU每隔32个周期计算一次,计算时将RAM的存储值先平方和除以周期再开方.
●  输出功率计算
CPU每隔32个周期计算一次,根据上述输出电压、电流并乘以功率因数进行计算.
⑿ 瞬间断电检测
CPU每隔4ms计算最近一周期采样的市电电压的A/D值,若小于150V则当做断电.
(2) 保护部分维修参数
① 电池电压检测与过电压保护
●  电池过电压保护
当每个电池电压高于直流15V时,UPS自动转入蓄电池供电模式,直到每个电池电压低于约直流13.5V时,UPS再恢复至原先状态,在此期间UPS长鸣并于面板显示告警.
●  电池电压检测
放电时,UPS每4秒鸣叫一次;当每个电池电压低于约直流11V时,UPS每秒鸣叫一次;当每个电池电压低于约直流10V时,若输入电压为零,则UPS关闭,并准备自动复位;若输入电压超出限额,则视为开机条件错误,UPS每0.5秒鸣叫一次并于面板显示告警.
② 逆变器输出短路及输出电压保护
●  输出短路保护
      当逆变器输出反馈连续64ms无过零点时,视为输出短路,UPS输出关断,UPS长鸣并于面板显示告警.
●  输出电压保护
当逆变器输出反馈电压连续80ms低于140V或高于276V时,视为输出欠压或过压而保护,UPS转至旁路模式,UPS长鸣并于面板显示告警.
③ BUS过电压保护
当BUS电压连续64ms超过440V时,则认为BUS过电压而进行保护,UPS转至旁路模式,UPS长鸣并于面板显示告警.
④ 逆变器限流保护
保护线路监测输出电流值,若超过额定电流3.6倍时,限流保护线路立即关闭PWM,以19.2kHz的周期重置PWM,直到输出电流值小于额定电流3.6倍时为止.
⑤ 过温度保护
当系统温度过高时,温度开关跳脱,使UPS转至旁路模式,UPS长鸣并于面板显示告警(侦测时间0.5s).
⑥ 负载保护
●  110%~130%
若UPS从旁路跳转至逆变前,检测到负载超过110%,则无法进入逆变状态,此时UPS每0.5s鸣叫一次,并于面板显示状态.若开机后,检测到负载在110%~130%之间,则UPS每0.5s鸣叫一次,并于面板显示状态,10s后UPS跳至旁路模式;此后若负载减轻至100%以下,则UPS重新软开机.若UPS在蓄电池供电模式下检测到负载在110%~130%之间,则UPS每0.5s鸣叫一次,并于面板显示状态;若负载未减轻至100%以下,则10s后UPS转至旁路模式,此状态只有按OFF键才能解除.
●  大于130%
若开机后检测到负载大于130%,则UPS每0.5s鸣叫一次,并于面板显示状态,同时UPS转至旁路状态.此后若负载减轻至100%以下,则UPS重新开机.若UPS在蓄电池供电模式下检测到负载大于130%, 则UPS每0.5s鸣叫一次, 并于面板显示状态;同时UPS转至旁路模式;此状态只有按OFF键才能解除.
4 常见故障排除
(1) 功率板电路维修判据及常见故障处理
① 充电器电路维修判据及常见故障处理(见表3)
●  维修判据
充电电压在正常规定的范围内,出现充电电压高于或低于正常值,调节VR301,使之符合标准,即认为充电电路正常.