ES-500型UPS实例分析及其维护

　　解放军61539部队UPS维修中心 徐国家(供稿)

　　本 刊 编 辑 部 张乃国(改编)

　　3 硬件电路

　　3.1 蓄电池充电电路

　　ES-500型UPS蓄电池充电器如图3所示。

　　这种UPS的蓄电池充电电路主要完成下述任务。

　　(1)当市电供电正常时,利用来自市电电源的能量对额定值为12V的蓄电池提供幅值为13.7V的直流浮充电压。

　　(2)当市电供电不正常时,将充电器置于关机状态,以避免UPS利用蓄电池所提供的直流能量经逆变器变成50Hz的方波电源后,再将方波电源所提供的能量,经充电器变成直流电源对蓄电池本身再进行充电。

　　该充电电路采用单端反激式变换器的结构,UC3843BN是该充电电路的核心器件,它是高性能固定频率电流方式集成控制器。

　　当市电供电正常时,来自UPS交流输出端的市电经D5、D6、D7、D8全波整流,由此产生幅值为308V左右的100Hz单向脉动电源。分为两路:一路经电阻R19、R18、C52进行分压滤波,送PIC-2#(PIC单片机第2脚模拟信号输入口,对输出电压进行检测);另一路经D9送单端反激式变换器的高频变压器TR1的输入端,经过UC3843进行PWM调制,在高频变压器次级经D25、D29整流输出得到蓄电池GB所需的浮充电压。

　　高频变压器TR1初级加D60、R125、C60是为了防止变压器偏磁,释放剩磁的通道。电路中的T1(K2608)是功率开关管,通过UC3843的6脚输出的脉冲信号来控制T1的导通与关断,调整输出电压值。电路中的R3(1Ω)为电流取样电阻,把电流值转化为电压值经R50送到UC3843的3脚电流检测端。

　　刚开机上电时,UC3843的8脚输出基准电压经电阻R91为电容C35、C20提供充电电流。在刚启动时C39相当于短路,使T15导通,基准电压经D26、R62加到3脚,PWM锁存器复位使输出关闭,经一个短暂时间后,PWM锁存器置位端6脚输出打开,目的就是刚开机时,使6脚输出有个短暂的时间延时,以便单片机有个初始化的时间。

　　在刚启动机器时,单片机经过初始化,对市电电压检测后,从PIC-23#(单片机的第23脚)输出高电平,一路经过R49使T19导通,RY1继电器线圈加上电池电压,使转换开关继电器吸合,市电经转换开关向负载供电,同时向充电器供电;另一路经过R135使T62导通,经R133使T61导通,使UC3843的3脚低于3V,脉宽调制器处于正常工作状态。

　　电池浮充电压,经电阻R60、R72分压后加到LM324反相端9脚,同相端10脚接基准电压5V,经过运算放大器输出,经电阻R137、D56连接到UC3843的1脚补偿端进行输出补偿。

　　3.2 直流升压电路

　　这种UPS直流升压电路主要完成的任务是:当市电电压不正常时,蓄电池+12V直流电压经直流升压电路供逆变器。由于逆变器输出无工频变压器,即其输出电压有效值等于负载工作电压的有效值(220V左右)。因此,必然要求逆变器直流输入电压为所以,直流升压电路是将蓄电池+12V直流电压升高到UDC来满足逆变器输出电压有效值为220V左右方波的要求,直流升压电路如图4所示。

　　直流升压电路采用SG3525构成的推挽式DC/CD变换器结构,它是该升压电路的核心。

　　(1)SG3525电路(略)

　　(2)输出电压的调节过程

　　在图4中,推挽式变换器输出高频交流电压经D12～D15桥式整流,供后级逆变器工作。从输出端取样经电阻R61、R62、R63和R64分压后送SG3525的1脚,即放大器反相输入端。1脚取样电压的大小决定11脚、14脚输出脉冲宽度的大小,以此来调节输出电压。例如当输出电压由于某种情况升高,即取样电压经电阻分压后送SG3525的1脚电压升高,与2脚同相输入端电压进行比较后,误差放大器输出电压值降低。误差放大器输出的电压值与5脚产生的三角波经比较器进行比较后使输出的脉冲宽度变窄,这时推挽电路输出的电压降低,以保持输出电压稳定。

　　(3)推挽式变换器

　　推挽式变换器的电路及波形如图5所示。

　　该电路可以看成是由两个完全对称的单端正激变换器并联交错而成,也称为并联变换器,一次侧两个绕组匝数相等,即N11=N12=N1。

 波,经全桥整流后得一系列的高频方波电压。通过调节功率开关管T1、T2的占空比,达到输出电压的调节。

　　3.3 逆变电路

　　逆变器采用全桥结构,通过PIC-16C72单片机对其进行控制,输出频率为50Hz、有效值为220V左右的方波电压。

　　全桥逆变器的主电路及负载电压电流波形如图6所示。

　　当0≤ωt≤θ时,i为负值,D106、D109导通,uAB=UDC;当θ≤ωt≤π时,i为正值,T6、T9导通;在π≤ωt≤θ+π期间,i为正值,D107、D108导通,uAB=-UDC;当θ+π≤ωt≤2π时,T7、T8导通。因此,输出电压幅值UR=±UDC-2uL的准方波。图中的电感器TH1、TH2在电路中的作用:一是在功率管开通时储能,在功率管关断期间释放能量,使负载电流i连续;二是输出滤波。输出到负载上的基波电压u1和基波电流i1为

　　输出电压通过调节脉冲宽度来实现,单片机通过改变驱动信号u1、u4和u2、u3的脉冲宽度来改变uAB电压波形的宽度,即改变输出的基波电压值,输出电压调节波形如图7所示。

　　3.4 逆变器驱动电路

　　逆变器驱动电路如图8所示,图中T6、T8与T7、T9为MOSFET功率管,其电路是对称的,现以T6、T8驱动电路为例进行分析。单片机PIC的12脚和13脚分别为T6、T8和T7、T9提供驱动信号,12脚和13脚互为对称,它们驱动信号的频率为50Hz,当一个为高电平时,另一个必为低电平。

　　当PIC的12脚为高电平时,T16导通,+12V电压经电阻R33、光耦U5、T16接地,光耦电路中,+12V经U5、R79、D54后,+12V的高电平加在T6的栅极,使T6导通;同时,因为T16导通,T57(NPN型)基极为低电平,T57截止,T58(PNP)导通,T8栅极为低电平,使T8截止。由于PIC的13脚与PIC的12脚为互补对称,所以T9导通、T7截止。同理,反之,当PIC的12脚为低电平,PIC的13脚为高电平时,T6截止、T8导通,T7导通、T9截止。

　　功率管T6、T7、T8、T9的保护电路:

　　在驱动电路中,在PIC的12脚为低电平时,T6截止、T8导通。此时,T57导通,其基极与发射极之间有一微弱的电流流过。如果没有此通路,光耦U5的基极必然有一定的电流流过,当其电流达到一定值时,必然使U5激发导通,使T6由截止转为导通,产生桥臂直通现象,有可能烧坏功率管。

　　在驱动电路中，+12V电源经D13、电容C5接T6的源极，+12V电源经D13给电容C5充电，使T6栅极的驱动电压信号随着源极电位的变化而变化，保证栅极电压高于源极电压，达到驱动功率管的要求。

　　在驱动电路中,T54、R28的作用是:一是在T6的驱动信号为低电平时,T54基极为低电平,T54导通,使得T6栅极和源极电压一致,保证T6不会误导通;二是在T6的驱动信号为低电平时,为迅速抽取栅极电流提供通道,有利于功率管快速关断。

　　3.5 单片机控制电路

　　ES—500型UPS是以单片机为核心构成的后备式方波输出的UPS,该控制器共有28条引脚,它所需要的辅助电源为+5V,该单片机的引脚调控功能如表1所示。

　　从控制原理上讲,它是分别利用市电电源、UPS输出端的电压、蓄电池端电压以及来源于直流升压电路的直流电压端的模拟信号,经单片机内部的A/D变换处理后,得到数字信号。因此,利用单片机的高速数字信号处理特性,可快速地向外输出数字信号以执行各种调控任务。同时,单片机12、13脚所输出的两路相位相差180°的脉宽调制信号是一串频率为50Hz的矩形脉冲串。

　　4 UPS的使用与维护

　　首先谈一谈UPS使用及维护的一般方法。

　　UPS的正确使用与维护,对其使用寿命有很大影响。一个UPS在正确使用和维护的前提下,使用寿命一般为5～10年或更长。如果使用和维护不当,可能几年内就无法使用。特别是蓄电池更需要定期维护。

　　4.1 UPS的使用

　　(1)符合输入特性要求

　　UPS输入侧最好不要与其他非线性大功率负载(如大型电动机、电梯等)并用。如果UPS输入电压质量太差，可能会造成整流器保护，也可能引起控制系统误动作，严重时会造成UPS故障和负载断电。

　　(2)符合输出特性要求

　　UPS最好运行在最佳负载范围内,所带负载最好为标称容量的60%～80%,负载过轻时,UPS的效率降低,输入电压、电流的畸变率增大。负载过重时,容易使UPS频繁地转旁路。如果需带一些冲击电流较大的负载时,UPS应降额使用。后备式小容量的UPS在市电正常情况下,皆为旁路供电输出,只能靠输入保险丝来保护。如果用户使用时不注意这点而超载使用,虽然市电供电时UPS还可以继续工作,但当市电异常转电池供逆变器工作时,就会因过载保护使UPS关机,严重时会造成UPS损坏,给用户造成一定的损失。因此,在使用后备式UPS时应特别注意不要超载使用。

　　(3)正确的操作

　　由于负载在启动瞬间存在较大的冲击电流,而UPS内部功率元器件容量有一定的安全工作区。如果启动冲击电流较大时,UPS会过流保护,从逆变器输出转旁路输出,严重时还会造成功率元器件损坏。UPS开机时采用以下开机操作步骤:

　　①先打开UPS的静态旁路开关,使UPS处于市电旁路供电状态。

　　②逐个打开负载,先打开冲击电流较小的负载,再打开冲击电流较大的负载。

　　③打开整流器输入,再合上电池开关,然后起动逆变器,使负载自动从静态旁路供电状态转逆变器供电状态。

　　为了尽量避免元器件受到高电压的冲击,可以采用下列关机操作步骤:

　　①先逐个关闭负载。

　　②关闭逆变器,使UPS从逆变状态转旁路状态。

　　③关闭整流器输入开关,再关闭静态旁路输入开关,然后关闭UPS输出开关,最后断开输入市电断路器。

　　UPS在使用时,应连续工作,不要频繁开/关机,更不能带负载开/关机。

　　4.2 UPS常见的运行故障

　　(1)“零-地”电压高

　　①UPS输出零-地电压高,导致负载服务器电源板烧毁。

　　②产生输出零-地电压高的原因,一般为三相负载不平衡或负载谐波过大、保护接零和保护接地混接、零线电阻大或零线开路。

　　③如果输出零-地电压过高,可以通过增加输出隔离变压器来降低。

　　(2)旁路超限

　　①主输入与旁路为同一路电源时,旁路超限而整流器运行正常,是由于旁路电压超出允许范围。

　　②主输入与旁路为同一路电源时,旁路电压在容限范围以内,而旁路依然电压超限,是由于整流器谐波造成。

　　(3)市电故障导致负载供电中断

　　①电池失效引起电池不能供电。

　　②UPS输入电压过低或频繁停电,使蓄电池处于频繁放电,不能及时充电。

　　(4)人为故障

　　①电池维护时操作不当引起短路或正、负极接反。

　　②未将UPS运行于正常模式。

　　③不按规程规定的步骤启动或停止UPS。

　　(5)过载

　　①UPS自动切换到旁路供电方式:一般由于负载短路、过载或热过载。

　　②UPS经常切换到旁路又切回逆变器:一般由于负载含有较大启动电流且经常频繁启动或负载集中起动。

　　4.3 UPS的维护及保养

　　(1)日常维护

　　日常检查的主要内容如下:

　　①检查环境温度、湿度是否符合要求,空调运行是否正常。

　　②检查UPS的运行指示灯是否处于正常状态，查看输入电压/电流、输出电压/电流有无异常变化。

　　③闻UPS是否有异味,检查是否有器件烧糊。

　　④听UPS噪声是否有可疑的变化,当出现异常的“吱吱”声时,则可能存在变压器接触不良或匝间绕组绝缘不良等现象。

　　⑤用手试探UPS散热风扇的风量是否正常。

　　⑥定期进行电池放电以保证电池不损坏,通常每季度放电一次。

　　(2)定期保养

　　定期保养的内容和步骤如下:

　　①UPS本身的检查

　　功率连线检查:主要是检查功率连线的连接端子是否松动,如有松动,则应拧紧。

　　电源板和元器件:查看功率器件是否变色,电路板是否烤焦。

　　电感和电解电容:查看直流电容、交流电容有无漏液、“冒顶”和膨胀等现象发生,电感器件是否变色,绝缘漆是否有脱落现象。

　　风扇情况:检查风扇是否工作正常,听风扇是否有异声。

　　检查UPS机壳是否可靠接地。

　　检查为UPS供电的输入开关及输入线是否符合要求。

　　②环境监测

　　检查室内通风是否正常,UPS的进风口和出风口是否被杂物或灰尘堵塞。

　　房间温度、环境温度对UPS运行很重要。温度高,会缩短元器件寿命。环境温度应控制在25℃以下。

　　③电池检查

　　检查蓄电池外壳有无变形、电解液泄漏等现象,检查电池的连接头是否松动或有腐蚀现象;检查电池极柱是否严重被氧化。

　　分别测量电池正、负极与电池柜(架)的金属支架之间的电压。

　　检查电池温度是否升高,电池最佳温度一般为20℃～25℃。

　　用蓄电池内阻测试仪测量电池电压、内阻,更换失效电池。

　　在蓄电池充电的状态下,测量电池端电压。如有明显高于平均电压的电池认定为“落后”电池,应及时更换。

　　4.4 ES-500型UPS常见故障维修

　　(1)逆变器功率管烧坏(图8中T6、T7、T8、T9);

　　(2)直流升压电路功率管烧坏(图4中T2、T5);

　　(3)直流升压电路直流母排烧断;

　　(4)输入保险烧坏;

　　(5)蓄电池失效。

　　针对上述故障情况进行修理。

　　下面两个表格对于ES-500型UPS的维修工作很有参考价值。

　　UC3843工作时各引脚的电压值如表2所示。

　　表3给出了电路正常工作时SG3525芯片各引脚的电压值。(游米儿)