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。

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。

(5)三角波發生器

CpU送出的38.4kHz方波,經由運算放大器組成的二分頻電路后,變成19.2kHz的方波,再經積分器積分成三角波。

(6)標準正弦波發生器

CpU送出以128點平均分割的模仿正弦波,經過二階低通濾波器濾波后,生成標準正弦波。

(7)pWM信號

標準正弦波與逆變輸出電壓的正弦波反饋信號進行比較，其結果被三角波切割，生成pWM信號。

(8)逆變電壓調整

CpU每16ms讀取一次逆變電壓值,并與設定的電壓值進行比較,當差值高于10V時,CpU立即調整標準正弦波,從而調整pWM信號,使輸出電壓相應加減5V,以縮小差值;當差值低于10V時,CpU累積差值,當累積值達到30V時,CpU調整標準正弦波,使輸出電壓相應加減2V。

(9)CpU的A/D讀取

CpU每半周期讀一次電池電壓、正負BUS電壓和機內溫度,每隔8個標準正弦波點讀一次市電電壓、逆變電壓和逆變電流(在每個周期開始,CpU變更讀點的初始位置,使每隔8個標準正弦波點讀一次,通過128個點的A/D讀取達到掃描效果,讀取值存入RAM內)。

(10)CpU的計算

CpU每隔2個周期計算一次市電電壓的均方根值(RMS),每隔1個周期計算一次逆變電壓的均方根值,每隔32個周期計算一次逆變電流的均方根值,每隔32個周期計算一次輸出功率的均方根值。

保護技術

(1)逆變輸出短路和過電壓保護

當逆變輸出電壓的正弦波反饋信號連續64ms無過零信號時,視為逆變輸出短路,UpS關閉輸出并報警;當逆變輸出電壓值連續80ms低于160V或高于280V時,視為逆變輸出過電壓,UpS立即轉到旁路并報警。

(2)輸出限流保護

保護電路偵測逆變輸出的電流值,當其超過額定值的3.6倍時,限流保護電路立即關閉pWM,只有在輸出電流值小于額定值的3.6倍后,pWM才重新工作。

(3)BUS過電壓保護

當BUS電壓的絕對值連續64ms超過440V時,UpS實施BUS過電壓保護,轉入旁路并報警。

(4)電池過壓和欠壓保護

當每個電池電壓高于15V時，視為電池過壓,UpS自動轉入電池逆變狀態，在每個單體電池電壓下降到13.5V后，UpS重新回到原工作狀態。市電異常，UpS轉入電池逆變狀態，電池開始放電,CpU控制蜂鳴器4s鳴叫一次。當每個單體電池電壓下降到10V時,UpS自動關機。市電恢復正常時,UpS會自動重啟。

(5)負載保護

如果UpS在從旁路轉入逆變輸出前,偵測到負載超過110%,UpS不能轉入逆變輸出,CpU控制蜂鳴器每0.5s鳴叫一次;如果開機后負載加至110%～130%,CpU控制蜂鳴器每0.5s鳴叫一次,UpS在10s后轉入旁路;如果開機后負載加至130%以上,UpS會立即轉入旁路。

雖然UpS種類繁多,但是其控制和保護技術的基本原理大致相同。