UPS的控制和保護技術(shù)

一、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，視為市電電壓輸入正常。

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/秒，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時的狀態(tài)。

5、電池逆變狀態(tài)：市電輸入異常，UPS工作在BATTERY→AC時的狀態(tài)。

6、CPU交流電壓取樣信號：交流電壓經(jīng)分壓、隔直、全波整流、限幅后，供給CPU進行A/D轉(zhuǎn)換的信號。UPS上有市電電壓取樣信號和逆變電壓取樣信號兩部分電路。

7、零點發(fā)生器：交流正弦波經(jīng)過由運算放大器組成的交流差動放大器，變成方波信號，再經(jīng)濾除高頻諧波和限幅后，送給CPU。CPU通過對方波下降沿（對應(yīng)正弦波的過零點）的偵測，計算出正弦波的頻率和相位。UPS有市 電零點發(fā)生器和逆變零點發(fā)生器兩部分電路。

8、BUS電壓：BUS電壓是指供給逆變器的直流電壓，UPS有正、負兩路BUS電壓，其正常值為400V。

二、控制技術(shù)

1、緩開機

當(dāng)UPS開機或系統(tǒng)重置（包括過載解除、自動重啟等）時，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

在緩開機結(jié)束后，逆變電壓尚未切到對外輸出前，為防止市電灌入UPS，市電正常時，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、市電電壓的偵測與控制

CPU每16ms讀取一次市電電壓值，當(dāng)市電的電壓讀值連續(xù)低于160V或高于280V五次時，視為市電電壓輸入異常；只有當(dāng)市電的電壓讀值連續(xù)五次回復(fù)到170~270V之間時，才認為市電輸入轉(zhuǎn)為正常。市電輸入正常時， 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， UPS立即轉(zhuǎn)入電池逆變狀態(tài)；為防止市電來回切換，只有當(dāng)市電回復(fù)到170~270V時， UPS才轉(zhuǎn)入市電逆變狀態(tài)。

4、市電頻率的偵測與控制
　　
偵測市電頻率的目的是作為逆變鎖相的依據(jù)，通過調(diào)整逆變的過零點調(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。市電開機時，UPS偵測輸入市電的頻率作為逆變輸出的頻率；電池狀態(tài)下開機時，逆變輸出的頻率以上次輸出的頻率來設(shè)定。當(dāng)市電正常時，執(zhí)行鎖相，逆變頻率先追市電頻率，頻率相同后再追相位，通過變動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，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，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)準正弦波發(fā)生器

CPU送出以128點平均分割的模仿正弦波，經(jīng)過二階低通濾波器濾波后，生成標(biāo)準正弦波。

7、PWM信號

標(biāo)準正弦波與逆變輸出電壓的正弦波反饋信號做比較，結(jié)果被三角波切割，生成PWM信號。

8、逆變電壓調(diào)整

CPU每16ms讀取一次逆變電壓值，并與設(shè)定的電壓值做比較，當(dāng)差值高于10V時，CPU立即調(diào)整標(biāo)準正弦波，從而調(diào)整PWM信號，使輸出電壓相應(yīng)加減5V，以縮小差值；當(dāng)差值低于10V時，CPU累積差值，當(dāng)累積值達到30V時，CPU調(diào)整標(biāo)準正弦波，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BUS電壓和機內(nèi)溫度，每隔八個標(biāo)準正弦波點讀一次市電電壓、逆變電壓和逆變電流（在每個周期開始，CPU變更讀點的初始位置，使每隔八個標(biāo)準正弦波點讀一次的共128點的A/D讀取達到掃描效果，讀取值存入RAM內(nèi)）。

10、CPU的計算

CPU每隔2個周期計算一次市電電壓的均方根值（RMS），每隔1個周期計算一次逆變電壓的均方根值，每隔32個周期計算一次逆變電流的均方根值，每隔32個周期計算一次輸出功率的均方根值。

11、瞬間斷電偵測

CPU每4ms計算一次最近一周期所讀取的市電A/D值，如果小于140V，則視為斷電，UPS立即轉(zhuǎn)入電池逆變狀態(tài)。

三、保護技術(shù)

1、逆變輸出短路和過電壓保護

當(dāng)逆變輸出電壓的正弦波反饋信號連續(xù)64ms無過零信號時，視為逆變輸出短路，UPS關(guān)閉輸出并報警；當(dāng)逆變輸出電壓值連續(xù)80ms低于160V或高于280V時，視為逆變輸出過電壓，UPS立即轉(zhuǎn)到旁路并報警。

2、輸出限流保護

保護電路偵測逆變輸出的電流值，當(dāng)其超過額定值的3.6倍時，限流保護電路立即關(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過電壓保護

當(dāng)BUS電壓的絕對值連續(xù)64ms超過440V時，UPS實施BUS過電壓保護，轉(zhuǎn)入旁路并報警。

4、電池過壓和欠壓保護

當(dāng)每個電池電壓高于15V時，視為電池過壓，UPS自動轉(zhuǎn)入電池逆變狀態(tài)，在電池電壓下降到每個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4秒鳴叫一次；當(dāng)每個電池電壓下降到11V時，CPU控制蜂鳴器每秒鳴叫一次；當(dāng)每個電池電壓下降到10V時，UPS自動關(guān)機。市電恢復(fù)正常時，UPS會自動重啟。

5、負載保護

如果UPS在從旁路轉(zhuǎn)入逆變輸出前，偵測到負載超過110%，UPS不能轉(zhuǎn)入逆變輸出，CPU控制蜂鳴器每0.5秒鳴叫一次；如果開機后負載加至110%~130%，CPU控制蜂鳴器每0.5秒鳴叫一次，UPS在10秒后轉(zhuǎn)入旁路；如果開機后負載加至130%以上，UPS會立即轉(zhuǎn)入旁路。

雖然UPS種類繁多，但是其控制和保護技術(shù)的基本原理是大致相同，愿大家能夠研發(fā)出更先進的UPS。