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美国山特ups电源故障维修 工作原理

浏览量：           作者来源:www.sagtarups.net        发布时间：2018-08-03 08:34
导读:...
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。
表1  山特C1kVA/ C2kVA/ C3kVA性能参数:
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  
  
 (2) 系统框图

上图所示，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。

             图2  充电器电路
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。

图3 开机电路
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。

                   图4  辅助电源电路
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。

               图5  斩波器电路
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。

             图6  功率因数校正电路
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

          图7  逆变器电路

    图8  输出电路
(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。

            图9  过零产生器电路
(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；

图10  电流峰值保护电路
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。

    图11  输出电压监测电路
(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)。

   图12  温度监测电路
(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。

    图13  自动开机消音、自检电路
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。

   图14  辅助电源监测电路

    图15  基准电源产生电路
(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。

      图16  振荡器电路
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。

  图17  I/P继电器驱动电路
(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

         图18  O/P继电器驱动电路

图19  蜂鸣产生电路

     图20  逆变器参考波产生电路
(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。

        图21  逆变器误差放大器电路

图22  三角波产生电路
(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。

                    图23  PWM产生电路
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。

           图24  R232电源产生电路
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。
Ups输出  DIP SW1 DIP SW2
208V On Off
22V On On
230 Off Off
240 Off On
表2 UPS输出电压与DIP开关位置来关系表
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。
 故障现象  故障元件  万用表挡位  标准值  故障值 
无充电电压或充电电压异常  BR01  二极管挡    0
R238  电阻挡  100kΩ  无穷大 
U202  二极管挡    0
U203  二极管挡    0
U206（6-5）  电阻挡  47kΩ  太低 
Q208  二极管挡    0
TX1  电阻挡    无穷大 
R230  电阻挡  0.5kΩ  无穷大 
表3 充电器常见故障表
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，
  故障现象  故障元件  万用表挡位  标准值  故障值 
无法开机  ZD1  二极管挡    0
VD6A  二极管挡    0
R31A.B.C.D.E  电阻挡  15kΩ  无穷大 
无法关机  Q8  二极管挡    0
表4 开机电路常见故障表
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。
故障现象  故障元件  万用表挡位  标准值  故障值 
逆变器不工作，PFE不工作，无工作电源  U302(6-5)  电阻挡  47kΩ  0或无穷大 
Q3  二极管挡    0
TX305  电阻挡    无穷大 
R32  电阻挡  0.5kΩ  无穷大 
ZD3  二极管挡    0
ZD4  二极管挡    0
U311  二极管挡    0
C361  电阻挡    0或太低 
C363  电阻挡    0或太低 
C364  电阻挡    0或太低 
C367  电阻挡    0或太低 
表5 辅助电源常见故障表
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。

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