山特在线式UPS的工作原理与故障维修

UPS的品牌较多，这里以山特(Santak)牌C系列3kVA在线式UPS为例叙述其工作原理及维修方法，供电源技术工程人员参考。 
1　性能参数与系统框图 
(1) 性能参数 
如表1所示，这里同时把该系列1kVA及2kVA产品的性能参数一并列出，供比较用。 
型号 项目 C1k C2k C3k 
额定容量 （输出） 1kVA 2kVA 3kVA 
输入 电压 160～276V 
频率 50Hz±5% 
输出 电压 220V 
频率 50Hz 
电压稳定度 ±2% 
频率稳定度 ±0.5%（电池供电） 
超载能力 110%(10s)130%(200ms) 
电池 直流电压 36V 96V 
密封免维护电池 12V/7.2Ah×3 2V/6.5Ah×8 2V/7.2Ah×8 
备用时间（满载/半载） 7分钟/17分钟 8分钟/25分钟 5分钟/20分钟 
充电时间 回充至90% 8h 
转换时间 停电或复电 零中断 
噪音 1m距离 <45dB <50dB 
批示灯 负载、电池供电及UPS运转状态批示灯等 
警报声音 电池放电 当输入断电时每4s发出警告声，当电池将用尽时每秒发警告声 
UPS异常 连续声 
输出插座 4个 
通讯接口（DB-9P） NOVELL及RS232接口 断电、电池低电压，遥控UPS开、关 
环境 温度 0℃~40℃ 
湿度 10%~90%（不结露） 
重量（净重） 14.5kg 35kg 36kg 
外形尺寸（mm） W×D×H 145×405×220 195×455×330 
表1 山特C1kVA/ C2kVA/ C3kVA性能参数 
(2) 系统框图 
系统框图如图1所示，当市电正常时，主路由功率因数校正电路产生逆变器工作所需的±370V的直流电压，再经逆变器将直流转换为交流输出；另一路市电经充电器电路产生110V的直流电压对蓄电池充电；当市电中断时，蓄电池所储存的能量经DC/DC变换器转换为±400V的直流电压作为逆变器输入，使输出实现不间断供电。 

2　电路工作原理(以C3k为例) 
(1) 功率级电路工作原理 
① 充电器电路 
如图2所示，市电经P(L)、P(N)进入功率板做为充电器的输入电源， 经由BR01、 VM208、 U206、 TX1、U202、U203等构成隔离反激式变换器，转换为直流电压对电池充电。为确保电池寿命，充电器输出电压必须保持稳定，调整VR301可得到110V的充电电压Uch，同时TX1的副边还为功率因数校正电路提供驱动电源PFVCC＋、PFVCC0、PFVCC－；该反激式变换器由开关型PWM集成电路UC3845 (即U206)控制，CPU通过(加在TLP521上的)信号控制UC3845的工作。当有市电时，TLP521截止，UC3845起振,正常工作，给蓄电池充电；当无市电时，TLP521导通，将定时电容(C221A)对地短路，UC3845停振，从而停止充电,同时功率因数校正电路也停止工作。 
② 开机电路 
如图3所示，直流、交流开机均是在接到由CNTL板送来的开机信号后，用一个高电平(电池电压或充电电压)去触发Q8的基极，使Q8导通，给工作电源的集成控制片U302送去工作电压，使U302开始工作，转换成多个直流电源，并用其中的＋24V电源继续维持Q8的导通状态，开机动作完毕。 
③ 辅助电源电路 
如图4所示，电池电压、充电电压由TX305第6脚输入，经由U302、VM3、TX305等所构成的开关电源电路，产生多组相互隔离的逆变器所需的工作电源IGBT＋12V、IGBT－5V及控制工作电源24V、12V，其中12V电源再经由U311(7805)产生5V电源供控制板或其他控制集成电路作工作电源。 
④ 斩波器电路 
如图5所示，由TX501、TX502、VM501、VM502、VM503、VM504、VM505、VM506及控制元件U501组成的升压斩波电路，将单一的直流电压(电池电压)转换为高压正负直流电压。当市电中断时，此直流电压通过VD501、VD502、VD503、VD504、VD505、VD506、VD507、VD508和电感L501、L502送至±DC BUS(±400V)继续提供电源给逆变器， 使供电不致中断， 并用U501 来控制 DC BUS 的输出电压， 由CPU进行设定并控制，不需人工调整。CPU通过U501（SG3525）的OFF端控制该直流直流变换器的工作状态。当市电正常时，关闭集成控制片SG3525，使斩波器不工作，只有在蓄电池供电时，该斩波器才工作。 
⑤ 功率因数校正电路 
如图6所示，输入交流电经CT2，电感L1、L2，整流桥BR02、VM1A、U305、U10组成升压斩波电路，在电容C320、C332、C334、C338及C313、C321、C333、C335上产生±370V的BUS电压作为逆变器输入，经逆变器的转换，产生正弦交流输出。与此同时，UC3854将检测市电电流和市电电压，对功率元件进行控制，使输入电流的波形与电压波形相近，相位相同，以提高输入功率因数，避免对电网产生谐波干扰。稳定的DC BUS有助于稳定交流输出电压，因此要特别注意DC BUS电压的稳定和准确。本机由CNTL直接根据输入交流电压的高低和当前±BUS电压高低进行控制，不需人工调整DC BUS电压。 
⑥ 逆变器电路 
如图7所示，C320、C332、C334、C338及C313、C321、C333、C335和VM12、VM13及VM5、VM7组成半桥式逆变器，L5、L6、L7及C11、C12组成低通滤波器，在CNTL所产生的PWM信号控制下，经由U2、U3隔离驱动，推动半桥逆变器两功率管工作，产生正弦波输出。 
⑦ 输出电路 
如图8所示，当CPU检测到逆变器工作正常后，发出INRLY信号，使RL04切换到逆变器输出，反之，则仍由旁路输出，逆变器和旁路输出电压通过CN17L、CN17N向负载供电，并由CT1和VD61、VD62、VD63、VD64、R71进行负载侦测，将L.C＋、L.C－送到CNTL板，供面板显示及其他保护用。 
(2) 控制板电路工作原理 
① 输入CPU的各监测信号电路 
(a) 过零产生器电路 
市电过零产生器和逆变器过零产生器均采用此电路，如图9所示。 
220V交流市电输入经R61送至运算放大器U5的反相端，R59、R60设置U5的静态工作点，组成交流差动放大器，输入为正弦波，输出为方波。另由C55和R61组成滤波器，滤掉输入正弦波的高频谐波，VD13将电位减少至约340mV，并通过C22滤波使其输出方波波形更加完美。CPU通过对该方波零点的侦测(即通过对两次上升沿下降沿的侦测)可以确定其相位与频率，CPU根据所测得的相位来设定逆变器的相位，以达到同相的目的。 
(b) 电流峰值保护电路 
此电路为典型的比较器电路，如图10所示。通过（PSDR）送出CT1侦测的负载电流，将其转换为直流电压信号，经R82送至U7的同相端，并在反相端设一阈值电平＋5V，R84为上拉电阻，将U7的1脚置为高电平；R85为限流电阻，将信号送至U4的4脚。在正常带载工作时，CT1侦测的负载电流信号为小于5V的直流电压量，故U7的输出为一低电平，使U4不致被复位；当UPS超载或在瞬间投入大容量整流性负载或大容量电感性负载时，CT1侦测的直流电压会高于＋5V，从而使U7的输出为高电平，将U4复位，进而关闭PWM信号，UPS停止工作，此时面板上55％负载灯和FAULT灯会一起亮，蜂鸣器长鸣。
保护点设置为峰值电流∶额定电流=3∶1。 
C1k额定输出电流为4.5A； 
C2k额定输出电流为9.5A； 
C3k额定输出电流为13.6A。 
(c) 输出电压监测电路 
逆变输出及市电电压监测均采用此电路，如图11所示。 
此电路采用运放进行全波整流，220V交流从INV.L端输入。在市 
电正半周时，经R43、R42、R34分压，由INV.V输出至CPU，因U3反相端电压比同相端电压高，其输出为低电平，VD10反向偏置，故U3在正弦波正半周时不起作用；负半周时，同相端电压高于反相端，U3输出为高电平。VD10正向偏置，将此高电位输出给CPU，从而使INV.V为一全波整流脉动波形(市电电压侦测电路在 PSDR 板上结构与INV.L一样)。CPU会根据INV.V侦测值来判 
断逆变器是否已达到稳定。 
(d) 温度监测电路 
如图12所示。当温度正常时，＋5V通过温控开关(在PSDR散热片上)加至R14，R14与GND之间接有C34和热敏电阻NTC1，因而输入到CPU的是高电平；当本机温度过高时，温控开关断开，＋5V中断，温度信号变为低电平。CPU识别此信号后，发出过热保护报警信号，UPS关机；如果温控开关失灵，当温度过高时，NTC1将会随温度上升而减小阻值，渐渐将温度信号拉为低电平，直到CPU识别温度信号，做出相应保护动作(其中温控开关的动作温度为80℃，高电平>3.5V,低电平<1.5V)。 
(e) 自动开机及开机消音、自检电路 
此电路包括手动开机、自动开机、开机消音、开机自检四种功能，如图13所示。 
 开机过程 
用手触摸面板上SWON开关约1秒，电池电压从CN1的16脚送到15脚，SWPOWER与SW1接通(SW1与SW-ON为同一信号)，此信号分为两路传递： 
经VD2到PSDR板的Q8基极，且PSDR的ZD01(12V稳压管)工作，将SW-ON电压箝位于12.45V左右，使Q8导通，启动工作电源产生电路，产生CPU及逆变器工作所需的各种电压。 
经 R15、 R16 分压约为5.5V电平送入CPU作为SWSTUTS信号(开机命令)，命令CPU进行开机，并将此命令状态存贮于CPU的EPROM中，做自动开机之用。 
 自动开机 
当CPU接到SWSTUTS信号后，将此信号状态存贮于CPU的EPROM中。当机器因电池电压低等原因关机，若故障消除后，CPU根据存贮的信号状态自动启动UPS。 
 开机消音 
在电池供电时，蜂鸣器会根据电池电压监测值鸣叫，以表示电池容量情况，若再按SW-ON约1秒，SWSTUTS信号第二次送入CPU，CPU接受此信号后，操作蜂鸣器，使之停止鸣叫，若再按SW-ON约1秒，则蜂鸣器又开始鸣叫。 
开机自检 
每次工作模式转换都会对系统进行自检，表现形式为面板负载指示灯开始时全亮，再逐个熄灭。 
(f) 辅助电源监测电路 
如图14所示，此电路给CPU提供工作电源5V，当控制电源12V/5V发生故障时，CPU将被复位或停止工作。此电路采用LM393运放作为比较器，由12V直流电源经R77、R80分压后得到约6V的电压，送至U7的第5脚即运放的同相端，与反相端的5V进行比较。正常情况下，运放的输出经R78上拉电阻箝位为5V，若12V电源因某种原因低于10V或5V电源因某种原因高于5V，则运放的输出会变为低电平，CPU将停止工作。当CPU第一次收到此电路产生的＋5V信号时，处于复位状态，对系统自检。 
(g) 基准电源产生电路 
如图15所示。该电路的作用是给CPU内的A/D转换器提供高稳定度的5V直流电源，PSDR的＋5V由7805产生，其误差范围为2％～4％,而A/D转换器的5V要求误差小于1％时才能保证其转换精度。此电路采用TL431稳压，12V经R53、R54、R13分压，设置TL431的R端电位为2.5V，则从VRH端就能得到高稳定度的5V电压。 
(h) 振荡器电路 
由晶振XL1及辅助元件C40、C41、R12组成的振荡器电路，产生高稳定度的振荡频率，其振荡频率为6.37MHz，如图16所示。 
② CPU输出控制及保护电路 
(a) I/P继电器驱动电路 
此电路为典型的开关线路，如图17所示。当CPU监测到有市电输入， 且控制电源正常时， 会发出一个高电平信号给VM3的门极，使VM3导通，I/P继电器通电动作。当出现短路错误或充电故障时，CPU将VM3的门极置低电平，I/P继电器信号中断，I/P继电器复位，将旁路和逆变器切断。 
(b) O/P继电器驱动电路 
此电路为典型的开关线路，如图18所示。当CPU检测到高压直流电压及逆变器电压正常时，会给VM2的门极送入一个高电平，VM2导通。O/P继电器线圈一端接INV.RLY－,另一端接24V直流。当VM2导通时，INV.RLY－变为低电平，线圈加电，O/P继电器动作。 
(c) 蜂鸣产生电路 
如图19所示，CPU根据监测到的工作状态，发出相应触发信号，使Q1导通，从而控制蜂鸣器的工作模式： 
四秒一响——直流放电 
一秒一响——电池电压低 
半秒一响——过载 
长鸣——短路故障 
(d) 逆变器参考波产生电路 
CPU通过监测市电电压的零点(频率与相位)与逆变电压的零点，输出幅度正比于市电电压和逆变电压相位差的控制信号PW2（来自CPU），经C5、R23低通滤波后，再送到U3组成的波形转换电路，将PW2方波变为正弦波，使其成为调整逆变电压相位和市电电压相位同相的参考波，如图20所示。 
(e) 逆变器误差放大器电路 
INVERTER.1端经R24、R25分压后，与参考波相减作为误差放大器的输入。VR1用来调整U3放大器的工作点，如图21所示。 
(f) 三角波产生电路 
如图22所示，从CPU内发出38.4kHz的时钟信号送入Q6的基极，经幅值变换后送入4013，分频为19.2kHz，经C19、R45送至由U3、C13、R44、R49组成的积分器进行积分，将方波积分为三角波，送入PWM产生电路。 
(g) PWM产生电路 
如图23所示。此PWM产生电路采用三角波调制法来实现：比较器U5的同相端为三角波，其反相端为基准正弦波。当三角波大于正弦波时，U5输出一个宽度为三角波大于正弦波部分所对应时间间隔的正脉冲，此正脉冲分两路传递，一路经R12到U2与门缓冲整流，R20、C2、VD7使PWM信号上升沿平缓、下降沿陡峭，再送入U2(4081)的另一个与门，其输出做控制极。为增大信号驱动能力，4018后接2003作为PWM－输出级。另一路先送到反相器LM339的反相端进行反相，然后与PWM－一样产生PWM＋信号。由CPU送来的PWM OFF信号与U4输出信号经2003非门输出，作为与门4081的一个输入端，控制PWM信号产生：正常时该输入端为高电平，有PWM信号产生；当UPS出现故障时，该输入端为低电平，关闭PWM信号。 
(h) RS232电源产生电路 
如图24所示。从功率板引出H.F.POWER－、H.FPOWER＋（图中49、50）两个信号作为TX1的输入电压，产生供RS232用的±10V，同时产生－8V作为U5、U3的负基准电源。由于有了这个电路,RS232接口的1脚就不必再接DTR，只要UPS工作，此接口就处于随时发送、接收的热状态。 
3　山特C3kVA UPS维修参数 
(1) 控制部分维修参数 
① 软启动 
当系统重新开机或系统重置(复位)时(包括过载恢复、自动复位)，系统有软启动功能。 
软启动维修参数：每32ms逆变器输出电压上升约3Vac,至约220Vac时停止。 
② 电压跟随 
当软启动完成后，尚未切入逆变器前，逆变器会跟随输入电压，再切到逆变器继电器。 
电压跟随维修参数：输入交流电压在160V～276V之间时，才执行电压跟随功能。当电压高于276V时，只跟随到276V；若电压低于160V时，只跟随至160V。执行时每隔128ms依输入电压高低加减3V。 
③ 逆变器STS切换 
当逆变器继电器在接通瞬间，逆变器STS同时接通，延迟32ms后，逆变器STS断开。 
④ 锁相 
监测市电频率作为逆变器锁相依据，以过零监测信号做相位调整，若市电频率稳定且同步时，相位差小于3度，频率误差小于0.01Hz。 
锁相维修参数：市电频率变化率小于1Hz/s，最大为2Hz/s。当市电频率超出±3Hz时，不进行锁相而是以系统频率运行，并转至蓄电池供电的逆变模式。当市电频率恢复到±2.5Hz内时，再进行锁相，恢复到市电供电的逆变模式。 
⑤ 市电电压监测 
当交流市电电压低于160V或高于276V时，系统进入蓄电池供电的逆变模式；当市电恢复到170V～266V时，系统返回到市电供电的逆变模式。 
市电电压监测维修参数：每隔16ms监测市电电压一次。当市电电压连续5次低于160V或高于276V时，系统进入蓄电池供电的逆变模式； 
当市电电压恢复后，连续5次测量值在170V～266V范围内，且频率也符合要求时，则系统返回到市电供电的逆变模式。 
⑥ 输出频率选择与设定 
当有市电开机时，系统监测输入电源频率来设定输出频率；若是直流开机，则以上次输出频率来设定。 
输出频率选择与设定的维修参数：输入电源频率为40～55Hz时，输出设定为50Hz；输入电源频率为55～70Hz时，输出设定为60Hz。 
⑦ 三角波维修参数 
CPU送出38.4kHz方波，再经4013二分频得到19.2kHz的方波，再经积分器积分成三角波。 
⑧ 输出电压维修参数 
系统上电时，读取后盖板处DIP开关位置来设定输出电压，如表2所示。 
⑨ 输出电压调整 
系统每16ms读取逆变器电压与设定电压值做比较，并自动调整输出。 
输出电压维修参数：若系统读取逆变器电压与设定电压值相差约10V时，CPU立即改变参考电压，使输出电压加减约3V；若系统读取逆变器电压与设定电压值相差低于10V时，CPU累计差值，若差值超过3V时，CPU改变参考电压，使输出电压加减约1V。 
⑩ A/D采样 
 每半周采样一次：电池电压；正高压直流电压；负高压直流电压；温度。 
 每隔8个基准正弦波点时采样一次： 市电电压；输出电压；输出电流。 
 A/D维修参数：CPU于每周期开始，改变采样点的初始位置，使每隔8个基准正弦波采样一次，从而使A/D采样达到扫描的效果，采样值存入128个RAM内(128个RAM填满需8个周期)。 
⑾　电压、电流、功率计算 
● 市电电压计算 
CPU每隔2个周期计算一次，计算时将RAM的存储值先平方和除以周期再开方。 
● 输出电压计算 
CPU每隔1个周期计算一次，计算时将RAM的存储值先平方和除以周期再开方。 
● 输出电流计算 
CPU每隔32个周期计算一次，计算时将RAM的存储值先平方和除以周期再开方。 
● 输出功率计算 
CPU每隔32个周期计算一次，根据上述输出电压、电流并乘以功率因数进行计算。 
⑿　瞬间断电检测 
CPU每隔4ms计算最近一周期采样的市电电压的A/D值，若小于150V则当做断电。 
(2) 保护部分维修参数 
① 电池电压检测与过电压保护 
● 电池过电压保护 
当每个电池电压高于直流15V时，UPS自动转入蓄电池供电模式，直到每个电池电压低于约直流13.5V时，UPS再恢复至原先状态，在此期间UPS长鸣并于面板显示告警。 
● 电池电压检测 
放电时，UPS每4秒鸣叫一次；当每个电池电压低于约直流11V时，UPS每秒鸣叫一次；当每个电池电压低于约直流10V时，若输入电压为零，则UPS关闭，并准备自动复位；若输入电压超出限额，则视为开机条件错误，UPS每0.5秒鸣叫一次并于面板显示告警。 
② 逆变器输出短路及输出电压保护 
● 输出短路保护 
当逆变器输出反馈连续64ms无过零点时，视为输出短路，UPS输出关断，UPS长鸣并于面板显示告警。 
● 输出电压保护 
当逆变器输出反馈电压连续80ms低于140V或高于276V时，视为输出欠压或过压而保护，UPS转至旁路模式，UPS长鸣并于面板显示告警。 
③ BUS过电压保护 
当BUS电压连续64ms超过440V时，则认为BUS过电压而进行保护，UPS转至旁路模式，UPS长鸣并于面板显示告警。 
④ 逆变器限流保护 
保护线路监测输出电流值，若超过额定电流3.6倍时，限流保护线路立即关闭PWM，以19.2kHz的周期重置PWM，直到输出电流值小于额定电流3.6倍时为止。 
⑤ 过温度保护 
当系统温度过高时，温度开关跳脱，使UPS转至旁路模式，UPS长鸣并于面板显示告警(侦测时间0.5s)。 
⑥ 负载保护 
● 110％～130％ 
若UPS从旁路跳转至逆变前，检测到负载超过110％，则无法进入逆变状态，此时UPS每0.5s鸣叫一次，并于面板显示状态。若开机后，检测到负载在110％～130％之间，则UPS每0.5s鸣叫一次，并于面板显示状态，10s后UPS跳至旁路模式；此后若负载减轻至100％以下，则UPS重新软开机。若UPS在蓄电池供电模式下检测到负载在110％～130％之间，则UPS每0.5s鸣叫一次，并于面板显示状态；若负载未减轻至100％以下，则10s后UPS转至旁路模式，此状态只有按OFF键才能解除。 
● 大于130％ 
若开机后检测到负载大于130％，则UPS每0.5s鸣叫一次，并于面板显示状态，同时UPS转至旁路状态。此后若负载减轻至100％以下，则UPS重新开机。若UPS在蓄电池供电模式下检测到负载大于130％， 则UPS每0.5s鸣叫一次， 并于面板显示状态；同时UPS转至旁路模式；此状态只有按OFF键才能解除。 
4　常见故障排除 
(1) 功率板电路维修判据及常见故障处理 
① 充电器电路维修判据及常见故障处理(见表3) 
● 维修判据 
充电电压在正常规定的范围内，出现充电电压高于或低于正常值，调节VR301，使之符合标准，即认为充电电路正常。