UPS的工作原理与故障维修

UPS的工作原理与故障维修热度1已有46次阅读2012-3-817:26|系统分类:学习日志|工作原理UPS的品牌较多，这里以山特(Santa)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C1kC2kC3k额定容量（输出）1kVA2kVA3kVA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36V96V密封免维护电池12V/7.2Ah×32V/6.5Ah×82V/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45dB50dB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）14.5kg35kg36kg外形尺寸（mm）W×D×H145×405×220195×455×330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±DCBUS(±400V)继续提供电源给逆变器，使供电不致中断，并用U501来控制DCBUS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DCBUS有助于稳定交流输出电压，因此要特别注意DCBUS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DCBUS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SWON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。②CPU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