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山特UPS电源3C20KS           销售热线：18210163678
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。
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SWON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
电子镇流器逆变器电路：http://www.elecfans.com/soft/70/2007/200712201577.html
(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。
故障元件 万用表挡位 标准值 故障值
VD501 二极管挡 0
VD502 二极管挡 0
VD503 二极管挡 0
VD504 二极管挡 0
VD505 二极管挡 0
VD506 二极管挡 0
VD507 二极管挡 0
VD508 二极管挡 0
TX501 电阻挡 无穷或太高
TX502 电阻挡 无穷或太高
Q501 二极管挡 0
Q502 二极管挡 0
Q503 二极管挡 0
Q504 二极管挡 0
Q505 二极管挡 0
Q506 二极管挡 0
R501,R511,R512 电阻挡 100Ω 无穷大
R514,R515,R516 电阻挡 100Ω 无穷大
表6 斩波器电路常见故障表
② 开机电路维修判据及常见故障处理(见表4)
●  维修判据
开机电路交直流开机均可，开机电路即正常。
③ 辅助电源产生电路维修判据及常见故障处理(见表5)
●  维修判据
测量工作电源(24V、12V、5V)、逆变管驱动电源及功率因数校正驱动电源是否正常，若一切均无问题即认为工作电源电路正常。
④ 斩波器电路维修判据及常见故障处理(见表6)
●  维修判据
测量DC BUS电压在正常值，即认为直流－直流变换器电路正常。
⑤ 功率因数校正电路维修判据及常见故障处理(见表7)
●  维修判据
测量DC BUS电压在正常值范围内，即认为PFC电路正常。
⑥ 逆变器电路维修判据及常见故障处理(见表8)
●　 维修判据
输出电压在指定的范围内即认为逆变器正常。
⑦ 输出电路常见故障处理(见表9)
(2) 控制电路常见故障及处理
① 输入CPU的各监测信号电路的常见故障及处理
●  过零产生器电路常见故障及处理
此电路中VD13和C22、C55若损坏，将导致CPU误判断为市电输入异常，UPS不能转为市电供电，将其更换即可。
●  电流峰值保护电路常见故障及处理
此电路若送入U7第2脚的＋5V电源或C53故障，将导致UPS的保护误动作或拒动。
●  输出电压监测电路常见故障及处理
若VD10、VD9、C32、C12损坏，将使CPU误判断，UPS不能逆变输出，将这些元件更换即可。
●  温度监测常见故障及处理
若NTC1断开，可能使CPU拒保护而损坏更多元件；若C34短路，将使CPU误保护，UPS无法正常开机，将此二元件更换即可。
●  自动开机及开机消音、自检电路常见故障及处理
VD2和VD3短路将导致UPS在市电工作模式下无法关机；C53短路将导致UPS无法关机，将相应的元件更换即可。
●  工作电源监测电路常见故障及处理
此电路中C43若短路，CPU将不能工作，将C43更换即可。
●  基准电源产生电路常见故障及处理
若TL431或C49短路，或R53、R54、R13阻值偏移，将使CPU读数错误，产生逻辑混乱，更换这些元件即可。
●  振荡器电路常见故障及处理
若XL1出现故障，CPU不能工作，表现形式为无
时钟信号，更换XL1。
② CPU输出控制及保护电路的常见故障及处理
故障现象 故障元件 万用表挡位 标准值 故障值
市电供电时±370V异常 Q1A 二极管挡 0或太低
BR02 二极管挡 0或太低
VD509 二极管挡 0
VD510 二极管挡 0
U305(16-1) 电阻挡 4MΩ 0或太低
表7  功率因数校正电路常见故障表
●  I/P驱动器电路常见故障及处理
Q3（VM 3）若短路，则当发生短路输出时，PLY01不能起到保护作用，更换Q3。
●  O/P驱动器电路常见故障及处理
Q2（VM2）的D－S短路，则UPS输出不能转至旁路供电；若R101断路，则UPS输出不能转至逆变供电，更换Q2或R101即可。
●  蜂鸣器产生器电路常见故障及处理
Q1和蜂鸣器易损坏，更换即可。
●  逆变器参考波产生电路常见故障及处理
此电路故障率极低，倘若图示任何一个元件发生故障都将导致无法同步，UPS不能转为逆变输出，更换相应元件即可。
●  逆变器误差放大器电路常见故障及处理
此电路若发生故障会导致逆变器异常， 可用示波器观察各点波形以判断故障元件。
●  三角波产生电路常见故障及处理
若Q6故障，将导致逆变器不能工作，更换Q6即可。
●  PWM产生电路常见故障及处理
故障现象 故障元件 万用表挡位 标准值 故障值
逆变失败UPS长鸣 Q12,Q13 二极管挡 0
VD10,CD14 二极管挡 0
Q5,Q7 二极管挡 0
R30,R11 电阻挡 47kΩ 无穷大或太大
VD12 二极管挡 0
VD13 二极管挡 0
表8  逆变器电路常见故障表
此电路故障率很低，若有故障将导致逆变器工作异常或不能工作，用示波器观察各点波形可找出故障原因。
●  RS232电源产生电路常见故障及处理
此电路若发生故障，UPS的RS232接口将出现错误，易损元件包括VD22、VD21、VD20、VD19等，更换相应元件即可。

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WorldFIP现场总线技术及其在变电站综合自动化系统中的应用

摘要　　本文在介绍WorldFIP现场总线的基础上，介绍了WorldFIP现场总线在RCS-9700变电站综合自动化系统中典型应用，并对一些技术细节进行了探讨。关键词 变电站综合自动化 现场总线 WorldFIP 

关键词变电站综合自动化 现场总线 WorldFIP

0  引言

随着计算机技术和通信技术的发展，变电站综合自动化水平不断提高。大量智能设备的应用，在实现变电站无人值守或少人值守的同时，也对变电站的通信系统提出了更高的要求，寻求一种高速、实时、可靠的通信方式，已成为变电站综合自动化系统发展的核心问题之一。

现场总线是指在生产现场的测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信、完成测量控制任务的系统[1]，这种系统具有良好的开放性和设备间的互操作性，在变电站综合自动化系统中具有广泛的应用前景。目前IEC国际标准现场总线共有八种，本文介绍其中的WorldFIP现场总线技术及其在变电站综合自动化系统中的应用。

1   WorldFIP现场总线技术

1.1  背景

WorldFIP现场总线是一种源于法国标准的现场总线，其本身是欧洲现场总线标准EN50178的组成部分之一，同时也是IEC标准现场总线之一（IEC61158），在能源、交通、运输、自动化等工业领域中得到了广泛的应用，我国的广东岭澳核电站、上海地铁、军粮城电厂等大型引进项目中使用了这种现场总线，欧洲核子研究中心耗资数十亿美元的世界上能量最高的大型强子对撞机也选定WorldFIP作为工程标准总线之一。

1.2  WorldFIP现场总线的特点

1.2.1  通信速率高，通信距离长

WorldFIP现场总线采用曼彻斯特编码方式,以工业屏蔽双绞线或光纤作为传输介质，由于其中双绞线方式具有31.25kbps、1Mbps及2.5Mbps三种标准速率，在三种标准速率下的最大通信距离分别为5km、1km和500m, 通过网络中继器,总线可分别扩展到20km、5km和2km。

1.2.2  通信效率高

现场总线的传输效率与传输报文的长度有很大关系，一般来说单帧报文长度越长，现场总线的传输效率越高。WorldFIP现场总线最长支持128字节变量报文或256字节消息报文，根据计算，其最大通信效率能达到88.99%,相比某些短报文的现场总线如CAN,其最大通信效率最多只能达到57.658%。

1.2.3  通信实时性强

WorldFIP现场总线对传输介质的调度使用方式类似于令牌网，各通信站的数据可以在预先确定的时间内在网络上传输。由于这种方式不存在介质使用碰撞问题,因而非常适合于对于传输时间具有严格要求的场合，如各种分散式控制系统、分散式数据采集系统等。

1.2.4  误码率低

WorldFIP现场总线报文自带CRC校验功能，数据校验功能由通信控制器完成，报文不可检错概率小，据统计采用1Mbps速率，其误码在20年中不会超过一帧。

1.2.5  介质冗余

介质冗余功能是WorldFIP现场总线的特色之一。通信控制器连接两路独立的传输介质，在双介质运行时，两路介质相互热备用。当某一介质发生断线、短路等故障而造成通信中断时，通信控制器会自动将通信数据无缝切换到另一条无故障介质上，并能保证数据的完整性及正确性，不需要应用程序的干预，极大地增强了通信可靠性。

1.2.6  抗电磁干扰性强

WorldFIP现场总线采用曼彻斯特编码方式并利用磁性变压器隔离，具有良好的抗电磁干扰能力,根据测试,在EMC III级干扰条件下，能保证正常通信。

1.3  WorldFIP 现场总线的传输机制

  WorldFIP现场总线定义了物理层、数据链路层和应用层三层通信协议，结构相对简单。在数据链路层WorldFIP协议提供了变量及消息两种传输机制。

变量是指周期性地在网络上传输的数据包，每一个变量有一个唯一的16位数据标识，这种周期性报文根据预先设定的时间周期性地在网络上传输。在实际应用中通常被用于传输实时状态及控制信息，如控制现场I/O实时状态、各种现场遥测值等。

消息主要用于传输一些诸如配置信息、诊断信息及事件信息等非周期性数据，消息只有在应用程序提出传输申请后一次性地在网络上传输。

WorldFIP的传输模式称为“生产者-消费者”（PRODUCER-CONSUMER）模式，简单地说生产者指的是变量或消息报文的发送者，消费者指的是报文的接收者。一个变量或消息只能有一个生产者，但可以有一个或多个消费者。

在WorldFIP现场总线中，对传输介质的访问控制类似于“令牌”网，“令牌”是对介质的访问权，“令牌”按照预先确定的时间在多个通信子站之间传递。“令牌”的传递过程由通信控制器自动完成，不需要应用程序的干预。变量的生产者可以按照固定的时间间隔将变量在网络上广播，变量的消费者则同时接收变量内容。在变量中有一个字节的控制信息，其中一位为消息发送请求，当该通信站有消息需要发送时，则该置控制位有效，向总线申请消息发送。在固定的时间窗内当所有通信子站生产的变量数据被发送后，“令牌”被传递给提出发送消息请求的通信子站，此时得到“令牌”的通信子站将消息在网络上广播。这种介质访问控制方式使得变量与消息的传输相对独立，非周期消息的传输不影响周期变量的传输，因此WorldFIP非常适合于对于传输时间具有严格要求的场合，同时也使得某些突发数据能够尽快在网络上传输。

2 WorldFIP现场总线技术在变电站综合自动化系统中的应用

2.1  RCS-9700变电站综合自动化系统简介

目前变电站综合自动化系统已经由集中组屏式向分散式转变，大量变电站均采用无人值守方式，各种智能设备通过通信网络相互连接，网络通信量随着智能设备数量的增加而不断增大，同时还要求综自系统对各种事件的响应时间尽可能短，这就对综自系统通信网络的通信速率提出了更高的要求。另外目前大部分保护测控单元等智能设备在开关柜就地安装，因此要求设备具有较强的抗电磁干扰能力。

WorldFIP现场总线具有通信速度快、通信距离远、介质冗余以及良好的抗电磁干扰能力，成为变电站综合自动化系统中一种十分理想的通信方式。在RCS-9700系统中，我们选用了WorldFIP现场总线并采用2.5Mbps速率，单段最大通信距离为500m。系统的结构如图1所示。

该系统从整体结构上分为三层：变电站层、通信层、间隔层。间隔层主要由保护单元、测控单元等组成，通信方式采用WorldFIP现场总线；通信层包括WorldFIP网关，保护管理机，规约转换器等组成；变电站层包括本地后台服务器，保护工程师站，五防系统等构成，通信采用100M工业以太网。

2.2  WorldFIP现场总线在RCS-9700系统中的实现

2.2.1  WorldFIP总线系统的构成

在整个系统中，使用WorldFIP现场总线的主要有各电压等级的测控装置以及网关设备等。测控装置将实时采集的各种测量数据发送到网关设备，并由网关设备向变电站层转发，同时接受来自变电站层的各种操作数据。为保证系统的可靠性，整个间隔层采用了介质冗余结构，采用两路独立的驱动器和通信电缆，以热备用方式运行。按照间隔分别配置独立的网关设备，如图1所示分为220kV、110 kV、10kV三个间隔，这样做可以减少间隔之间的相互影响，同时可以提高整个网络的通信速率。为可靠起见，对于每个间隔的网关设备，也采用了冗余双网关结构，两个网关采取热备用方式运行，这种方式保证当主网关单元发生故障时，间隔层与变电站层通信能够保持正常。

2.2.2  通信实现

在通信实现上，考虑到大型变电站综合自动化系统的需求，为保证网络数据的实时性，采用了变量机制和消息机制相结合的传输方式。对于系统的四遥数据（遥测，遥信，遥控，遥调）、SOE、联锁数据等对时性要求高的数据类型采用变量机制传送，此类数据按照一定周期向网关设备发送，并由网关设备转换成快速以太网向变电站层发送；对于某些突发性报文，例如网络诊断信息,配置信息等报文则采用了消息机制，这样既能保证现场遥测值及遥信值等周期性数据能够实时上送，也使得事件信息、诊断信息等能够及时上送。

2.2.3  数据寻址

WorldFIP现场总线的变量和消息可以配置成点对点、多播和广播等多种数据寻址方式，灵活使用几种模式将有利于提高总线利用率，降低通信站的CPU开销。在RCS-9700系统中，各种测量（遥信遥测等）、SOE等信息，采用多播方式。多播对象是两个网关设备，由于测控装置没有划分在多播对象组内，此类被测控装置接受到的多播信息在WorldFIP协议的数据链路层被过滤掉，不需要应用程序的干预，减少了测控装置的软件开销；而对于间隔层联锁信息，则采用全网广播方式。联锁信息包括各个开关状态，电流电压测量值等信息，测控装置将联锁信息在网络上广播，间隔内所有测控装置同时接收到，并根据接收到的数据作出逻辑判断，确定闭锁某些遥控操作。采用广播方式既减少了网络的通信量，又可以保证联锁信息的实时性和一致性，同时这种间隔层联锁功能的实现不需要网关或变电站层的参与，因而可以大大提高变电站的安全运行水平。而诸如遥控操作、远方修改定值等远方操作信息，则采用点对点的通信方式。

3  结论

在变电站综合自动化系统间隔层采用WorldFIP现场总线具有以下优点

（1）数据可以在恶劣的工业现场高速长距离传输（2.5Mbps,500m）,实际应用中当间隔层中有64个测控装置时，所有装置发送一次数据的总时间小于30ms；

（2）通过介质冗余和网关双机热备用等多种方式,保证了系统的可靠性；

（3）所有测控装置都可以实现数据主动上送功能；

（4）高速总线使得间隔层联锁得以实现,联锁数据在间隔层内完成，不需要网关等设备的干预，因而联锁功能实时可靠；

（5）良好的抗电磁干扰性能，适合变电站等电磁干扰强的工业环境。

目前RCS-9700变电站综合自动化系统已在数十个220kV及以上变电站中投入使用，实践证明，采用WorldFIP现场总线与以往采用异步串行模式相比，整个系统的性能得到了极大的提高。

山特蓄电池本身存在质量问题或者因为使用不当，都会使电池的实际容量下降、内阻增大，甚至会发生严重事故，危及UPS的正常运行和不停电功能的正常发挥。下面，简要说明蓄电池的几种常见故障的具体表现。
1、电池失水
电池是在“贫液”状态下工作的，其电解液完全储存在电极和多孔的隔膜之中，一旦电池失水，其容量就要下降，当水量损失达到3.5ml/AH时,电池容量会降至初始容量的75%以下,当水损失达25%时,电池寿命就会终止.
控制电池使用环境温度、电池的充电电流及充电电压、采用整体阀结构并选择合理的开闭阀压力、采用无锑板栅合金技术降低析氢过电位、提高密封反应效率等措施对防止电池失水是有效的。
2、电池槽变形
一旦电池壳体变形，就会使极板靠的不紧，电解液也就不能充分发挥作用，使电池内阻增大，放电容量减小。
电池槽变形的原因主要是电池内部温度过高造成的。在使用过程中应控制电池使用环境温度，控制电池的充电电流及充电电压，防止电池过充，同时采用超强ABS材料和设计合理的装配压力也很重要。
3、电池漏液
电池极柱旁出现爬酸现象将会使连接线受到腐蚀，或增加极柱与连接条的接触电阻，严重时还会影响供电系统的其他设备．
电池漏液现象主要是由电池设计和制造水平较低或原材料使用不当引起的．为了防止电池漏液现象的发生，应在生产工艺中改进极柱密封技术，采用优质极柱密封胶和ABS槽盖热封技术．
4、电池容量不足
由于电池质量较差，虽然其初始容量可以达到设计额定值，但用了不久，其容量就显著下降，没有到规定的使用期，其容量已降至额定值的80％以下。造成电池容量不足的原因很多。其中，电池本身质量原因有：
1）正板删腐蚀变形或断裂；
2）电池原材料配置不当或不合格；
3）生产工艺条件控制不严；
4）正极活性物质软化脱落。
电池的使用条件和环境温度等因素有：
1）放电率过大；
2）环境温度过低；
3）环境温度高使寿命降低；
4）长期存储老化；
5）充电参数设置不当。
为了防止电池容量下降除了要正确使用与维护之外，当前技术先进的电池生产厂家已经开始采用4BS铅膏技术和无锑板栅合金技术。4BS铅膏技术可有效的防止电池发生早期容量下降，而无锑板栅合金技术可改善板栅与活性物质之间的界面结构，提高电池的充电接受能力。
5、电池浮充电压均匀性差
在正常情况下单块电池的浮充电压与整组电池的平均值之差应不>50mV,造成浮充电压均匀性差这一现象的主要原因是生产工艺问题。
为了提高电池浮充电压均匀性，在生产过程中应该严格控制每道工序的偏差。
6、热失控
电池使用维护不当，致使恒压充电期间就会出现一种临界状态，此时电池的充电电流及温度会发生一种积累性的相互增强的作用，轻者会使电池槽变形，缩短电池寿命，重者还会殃及到整个电源系统的安全。
造成热失控的原因是多方面的：
1）电池内部发生气体复合反应（这本身就是热反应）使得电池温度升高，进而使浮充电流增加，析气速度加快，复合反应加剧；
2）电池本身是“贫液”式和紧装配结构设计，使电池内部散热困难；
3）电池环境温度过高，在较高温度下，温度每升高1度，单块电池电压下降约3mV,浮充电流相应增加，使电池温度进一步升高。
7、排气阀失效
排气阀有故障时其开阀压力就会发生变化，开阀压力增大时会引起电池槽变形，开阀压力变小时失水量就大，长此下去，会给电池组的均匀性带来不良影响。
排气阀失效的主要原因是生产用料和生产工艺问题。

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