在線式UPS的控制與保護技術

在線式UPS的控制與保護功能基本上是由中央處理器(CPU)或數字信號處理器(DSP)內部程序控制完成的,由于程序的不可見性,UPS的許多控制和保護原理用戶很難理解。以下根據多年的UPS研發經驗,討論一下在線式UPS的控制和保護技術。

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:市電輸入正常,UPS工作在AC→DC→AC時的狀態。

(5)電池逆變狀態:市電輸入異常,UPS工作在電池→逆變時的狀態。

(6)CPU交流電壓取樣信號:交流電壓經分壓、隔直、全波整流、限幅后,供給CPU進行A/D轉換的信號。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)零點發生器:交流正弦波經過由運算放大器組成的交流差動放大器,變成方波信號,再濾除高頻諧波和限幅后,送給CPU。CPU通過對方波下降沿(對應正弦波的過零點)的偵測,計算出正弦波的頻率和相位。UPS有市電零點發生器和逆變零點發生器兩部分電路。

2 控制技術

(1)緩開機

當UPS開機或系統重置(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

在緩開機結束后,逆變電壓尚未切換到對外輸出前,為防止市電灌入UPS,在市電正常時,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,當市電電壓的讀值連續低于160V或高于280V五次時,視為市電電壓輸入異常;只有當市電電壓的讀值連續五次恢復到170～270V之間時,才認為市電輸入轉為正常。市電輸入正常時，UPS工作在市電逆變狀態;當市電電壓低于160V或高于280V時，UPS立即轉入電池逆變狀態;為防止市電來回切換，只有當市電恢復到170～270V時, UPS才轉入市電逆變狀態。

(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,通過調整逆變的過零點調整逆變相位,使在市電狀態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;電池狀態下開機時,逆變輸出的頻率以上次輸出的頻率來設定。當市電正常時,執行鎖相,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。當市電頻率超出47～53Hz范圍時,UPS不執行鎖相,立即轉入電池逆變狀態,只有當市電頻率回復到48～52Hz時,UPS再執行鎖相,并轉入市電逆變狀態。