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。

　　1 基本概念

　　(1)市電正常:市電正常是指市電電壓和市電頻率都正常。

　　(2)市電電壓正常:市電電壓在160～280V之間,視為市電電壓正常。

　　(3)市電頻率正常:市電頻率在47～53Hz之間,且頻率變化率小于1Hz/s,視為市電頻率正常。

　　(4)市電逆變狀態:市電輸入正常,UPS工作在AC→DC→AC時的狀態。

　　(5)電池逆變狀態:市電輸入異常,UPS工作在電池→逆變時的狀態。

　　(6)CPU交流電壓取樣信號:交流電壓經分壓、隔直、全波整流、限幅后,供給CPU進行A/D轉換的信號。UPS上有市電電壓取樣信號和逆變電壓取樣信號兩部分電路。

　　(7)零點發生器:交流正弦波經過由運算放大器組成的交流差動放大器,變成方波信號,再濾除高頻諧波和限幅后,送給CPU。CPU通過對方波下降沿(對應正弦波的過零點)的偵測,計算出正弦波的頻率和相位。UPS有市電零點發生器和逆變零點發生器兩部分電路。

　　2 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。

　　3 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。