DS30系列UPS实例分析及其维护(上)

　　解放军61539部队UPS维修中心 徐国家(供稿)

　　1 概 况

　　DS30系列UPS采用PIC17C43微处理器作为其核心控制单元,内部集成交流正弦波发生器,与其它微处理器相比,具有高性能、低功耗的优点。该微处理器中的PWM单元控制UPS逆变器,使其输出正弦波形电压。不论是UPS内部故障还是所连接的负载故障,都将在微处理器中进行记录和判断,然后根据故障类型来判断是否需要完全关闭逆变器。逆变器输出的电压、电流值通过微处理器进行监测,并实时根据直流母线电压偏差及负载变化情况来进行调整。该微处理器控制所有模块的时钟,保持各模块工作步调一致,包括蓄电池直流升压单元、自由调整单元、逆变器控制单元、反馈单元等。微处理器通过“过零”检测,使UPS输出电压和相位始终跟踪输入市电电源的电压和相位,以确保UPS的逆变器与旁路市电之间进行安全、可靠的转换。

　　DS30系列UPS电气参数:

　　(1)输出容量:1400VA;

　　(2)输入电压:AC110/220V±10%;

　　(3)输入频率:50/60Hz±3Hz;

　　(4)输出电压:AC110/220V±10%(可选);

　　(5)输出频率:50/60Hz±3Hz(可选);

　　(6)输入滤波方式:EMI/RFI滤波,压敏电阻(MOV)防尖峰/浪涌。

　　2 系统组成

　　DS30系列UPS的组成如图1所示,其能量供应有两种方式:一是由市电供应;二是由蓄电池供应。当市电正常时,市电首先经过UPS输入滤波器,输入滤波器主要起两个方面的作用:一是消除市电中的共模干扰;二是防止电网中的电压尖峰或浪涌对UPS的影响。输入滤波器将市电进行滤波后送入功率因数校正模块(PFC),功率因数校正模块主要有两方面的作用:一是使输入电流变为正弦波,以此提高电能使用效率;二是将输入的交流整流成电压可调的直流,以供后级模块使用。

　　功率因数校正及整流模块输出的直流电压与电池升压模块输出的直流电压，通过二极管并联在一起,并且前者设定的电压值比后者设定的电压值要高。在正常情况下，功率因数校正模块向负载提供能量。如果功率因数校正模块输出电压值小于电池升压模块电压输出值，负载的能量将会从电池中抽取一部分能量。在这种情况下，电池充电模块就会自动关闭，防止电池放电时产生额外的负载。

　　自由调整电路将双直流母线电压(功率因数校正模块输出直流电压和蓄电池直流升压单元的输出电压)与全桥逆变器的直流母线电压进行隔离,其输出电压经过滤波,消除了开关噪音后送入全桥逆变器。自由调整电路的主要作用是根据所设定的输入、输出电压等级(110/220V)相应地调整逆变器直流母线电压。

　　PIC17C43微处理器通过硬件保护电路和IGBT功率驱动电路控制全桥逆变器,全桥逆变器输出的正弦交流波形经滤波后供负载,并且输出的相位与市电交流输入相位一致。

　　输出电压、电流的采样信号经A/D转换单元后,送入该微处理器进行分析和处理。系统中的所有模块的时序、控制以及故障侦测都经过该微处理器进行处理。

　　3 逆变器的工作方式

　　全桥逆变器通过正弦波发生器产生的正负循环周期脉冲驱动进行工作,微处理器控制着硬件保护电路中的所有信号、IGBT驱动信号以及正弦波发生器,如图2所示。

　　软件保护——当微处理器得到FAULT为高电平时,它将关闭逆变器驱动信号。

　　硬件保护——当功率管IGBT任何一只出现异常时,硬件保护电路自动封锁逆变器。例如,当负载短路发生时,功率管IGBT通过很大的电流,在其漏极产生一定的电压降,通过电压降值的大小来判断负载短路的严重程度,进而决定是否封锁逆变器驱动脉冲信号。

　　图中VT9、VT10、VT11、VT12的报警信号任何一个为低电平时,逆变器将被关闭,处于保护状态。当微处理器PIC17C43刚开始上电时,ENABLE端口处于高阻抗状态,上拉电阻使得ENABLE处于低电平。这样就不会发生由于系统初始化时一些干扰信号使得逆变器驱动信号有效。当FAULT为高电平,其它信号均为低电平时,微处理器得到外部生发故障的信号,并且关闭逆变器。微处理器和硬件保护电路包含在逆变器控制电路板中,IGBT驱动电路有单独的一个电路板。

　　在正常情况下(FAULT为低电平,ENABLE为高电平),VT9、VT10、VT11、VT12四个功率管的开关状态,由POS_NEG和PWM信号来共同决定。在功率管驱动信号变为有效之前,驱动电路必须保证IGBT的每一桥臂VT9、VT11和VT10、VT12在微秒级时间内处于截止状态,这样就防止了功率管在换流时桥臂“直通”现象的发生,逆变器的控制信号如表1所示。IGBT功率管具有关闭时间短的优点。

　　VTX_Drive(驱动)=1,功率管VTX处于关闭状态;

　　VTX_Drive=0,功率管VTX处于导通状态。

　　从表1可知,当POS_NEG信号为“0”时,VT10处于导通状态,VT12处于截止状态,VT9、VT11由PWM信号来进行调整。同理,当POS_NEG信号为“1”时,VT9处于导通状态,VT11处于截止状态,VT10、VT12由PWM信号来进行调整。因此,逆变器输出的电压平均值由PWM的占空比进行调节,POS_NEG决定着输出电压的极性。逆变器的输出滤波器将一列脉冲进行滤波,形成光滑的正弦波,它的大小与PWM信号成一定的比例关系,如图3所示。（游米儿）