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今天来讲讲UPS的控制和保护技术

发布时间:2019-11-15 13:54:56

  UPS的控制和保护功能基本上是通过CPU的内部程序控制来完成的,由于程序的不可见性,UPS的许多控制和保护原理很难理解。接下来,基于多年的UPS研究和开发经验,我想谈谈在线UPS控制和保护技术。

  一、基本概念

  1.正常电源:正常电源是指正常的电源电压和频率。

  2.正常市电电压:当市电电压在160至280V之间时,视为正常市电电压输入。

  3.正常市电频率:市电频率在47到53HZ之间,频率变化率小于1HZ/秒,被认为是正常的。

  4.逆变器的公共电源状态:公共电源输入正常且UPS在AC→DC→AC下工作的状态。

  5.电池反转状态:市电输入异常,UPS在电池→交流电的条件下工作。

  6.CPU交流电压采样信号:经过分压,隔离,全波整流,限幅后的交流电压,提供CPU A/D转换信号。UPS有两部分电路:本地电压采样信号和逆变器电压采样信号。

  7.零点发生器:由运算放大器组成的交流差分放大器将交流正弦波转换为方波信号。滤除高频谐波并进行限制后,将其发送到CPU。CPU通过检测相反波的下降沿(对应于正弦波的零交叉)来计算正弦波的频率和相位。UPS具有本地零发生器和逆变器零发生器两部分电路。

  8.总线电压:总线电压是指提供给逆变器的直流电压。UPS具有正负BUS电压,其正常值为400V。
  二、控制技术

  1.启动缓慢

  当UPS启动或系统复位(包括过载释放,自动重启等)时,CPU控制UPS缓慢升高逆变器电压,每32毫秒将逆变器电压升高3V,直到停止220V。

  2.电压追逐

  缓慢启动后,逆变器电压尚未降低到外部输出。为了防止市电注入到UPS中,当市电正常时,CPU控制逆变器电压追赶市电输入电压,并根据市电电压每128ms增减逆变器电压3V。如果电源电压高于280V,则只能追上280V。如果电源电压低于160V,则仅追求160V。

  3.电源电压的检测和控制

  CPU每16ms读取一次电源电压。当五次读取电源电压小于160V或大于280V时,则认为电源电压输入异常。仅当电网电源的电压读数值连续五次返回170〜270V时,电网电源输入才视为正常。当市电输入正常时,UPS在市电反转的情况下工作。当电源电压低于160V或高于280V时,UPS将立即变成电池逆变器。为了防止来回切换市电,只有在市电恢复到170〜270V时,UPS才能转换成市电逆变器。

  4.电源频率的检测与控制

  检测市电频率的目的是作为逆变器锁相的基础,并通过调整逆变器的过零来调整逆变器的相位,从而使逆变器的市电输出基本上处于相同的频率和相位作为主电源的输入。当接通主电源时,UPS会将输入的主电源频率检测为逆变器输出频率。接通电池电源后,变频器输出频率将设置为前一个输出的频率。当主电源正常时,将执行锁相。逆变器频率首先跟踪主电源频率,然后在频率相同之后跟踪相位。通过更改逆变器频率,逆变器和主电源处于同相。锁相后,逆变器与市电之间的相位差小于3度,频率误差小于0.01hz。当市电频率超过47〜53HZ时,UPS不执行锁相,立即变为电池逆变器。仅当市电频率回到48〜52HZ时,UPS才执行锁相并变成市电逆变器。

  5.三角波发生器

  CPU发送的38.4khz方波经过运算放大器组成的二进制频率电路后,转换为19.2khz方波,然后由积分器积分为三角波。

  6.标准正弦波发生器

  CPU发出模拟的正弦波,平均分割为128点,并在经过二阶低通滤波器滤波后生成标准正弦波。

  7.PWM信号

  将标准正弦波与逆变器输出电压的反馈信号进行比较,然后将结果切成三角波以生成PWM信号。
  8.变频器电压调整

  CPU每隔16ms读取一次逆变器电压,并将其与设置电压进行比较。当差值高于10V时,CPU立即调整标准正弦波以调整PWM信号,并相应地使输出电压增加或减少5V,以缩小差值。当差异小于10V时,CPU会累积差异。当累计值达到30V时,CPU调整标准正弦波以使输出电压相应地增加或减少2V。

  9.CPU A/D读取

  每半个周期的电池电压,机器内部的正负BUS电压和温度读取一个CPU,每八个标准正弦波点读取一个市电电压和逆变器,逆变器电压电流(在每个周期中启动,CPU更改以读取一些在初始位置,每八个标准正弦波读取一次,总共读取128个A/D,以获得扫描结果,读取存储在RAM中的值。

  10.CPU计算

  CPU每2个周期计算一次电源电压的RMS,每1个周期计算逆变器电压的RMS,每32个周期计算逆变器电流的RMS,每32个周期计算输出功率的RMS。

  11.瞬时停电检测

  CPU每4毫秒计算最近一次周期读取的电源的A/D值。如果低于140V,则视为电源故障,UPS立即转移到电池逆变器。

  三、保护技术

  1.逆变器输出短路和过压保护

  当逆变器输出电压的正弦反馈信号连续64ms无零交叉信号时,视为逆变器输出短路,UPS关闭输出并发出警报。当逆变器输出电压连续低于160V或高于280V 80ms时,将考虑逆变器输出过电压,并且UPS将立即转移到旁路并发出警报。

  2.输出电流限制保护

  保护电路检测到逆变器输出的电流值,当其超过额定值的3.6倍时,限流保护电路立即关闭PWM,仅当输出电流值小于额定值的3.6倍时,PWM才会再次工作值。

  3.总线过压保护

  当BUS电压的绝对值连续超过440V持续64ms时,UPS将实施BUS过电压保护,变为旁路并发出警报。

  4.过压和欠压保护

  当每节电池的电压高于15V时,视为电池过压,并且UPS自动转换为电池逆变器状态。电池电压分别降至13.5v后,UPS将恢复到原始工作状态。电源异常,UPS进入电池逆变状态,电池开始放电,CPU控制蜂鸣器响4秒钟一次;当每个电池的电压降至11V时,CPU会控制蜂鸣器每秒发出一次哔声。当每个电池电压降至10V时,UPS会自动关闭。电源恢复正常后,UPS将自动重启。

  5.负载保护

  如果在UPS从旁路转移到逆变器输出之前检测到负载超过110%,则无法将UPS转移到逆变器输出,并且CPU控制蜂鸣器每0.5秒响一次。如果在启动后将负载添加到110%〜130%,则CPU将控制蜂鸣器每0.5秒响一次,而UPS在10秒后变为旁路。如果启动后负载增加到130%以上,UPS将立即转为旁路。

  尽管UPS种类繁多,但其控制和保护技术的基本原理基本相同。希望您可以开发更高级的UPS。

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