UPS應(yīng)用中的案例分析——一例發(fā)電機(jī)與UPS匹配供電案例
在UPS中輸入濾波器對于減小電流諧波及提高滿載情況下的功率因數(shù)有好的效果，但是在空載和小載情況下會衍生出一個電容性超前的極低的功率因數(shù)。一般情況下，當(dāng)負(fù)載低于25%時，大多數(shù)UPS系統(tǒng)的輸入濾波器會出現(xiàn)明顯的功率因數(shù)降低。UPS空載時的工作參數(shù)特別是輸入功率因數(shù)，對于UPS與發(fā)電機(jī)的兼容性相當(dāng)重要。
用戶使用雅馬哈10kVA的三相發(fā)電機(jī)，使用的A UPS模塊數(shù)為3個，總?cè)萘繛?2kVA。因為UPS輸入濾波器的設(shè)計考慮了UPS固有的和在滿載情況下的最大可能的全部諧波畸變的百分比，對于UPS和發(fā)電機(jī)配合使用時，發(fā)電機(jī)的容量應(yīng)為UPS容量的1．5～3倍。所以用戶的發(fā)電機(jī)容量和AUPS的配置不合理。
考慮到用戶的負(fù)載很小，約為2kVA，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)將濾波電容減小后單模塊開機(jī)時，BUS電壓在旁路狀態(tài)下可以達(dá)到410V之高，且有上升趨勢。用戶現(xiàn)場的測試相關(guān)波形如圖l和圖2所示。
從圖1可知，未接入UPS時發(fā)電機(jī)的輸出波形比較光滑，輸出電壓的RMS值和峰值均在正常范圍內(nèi)。從圖2可以看出，在接入UPS的瞬間，發(fā)電機(jī)的輸出電壓馬上被抬高，其中R相電壓的峰值約為600V，S相電壓峰值略有增大。但此時R、S、T三相電壓的RMS值均超過240V。三相的電壓峰值全部變大，此時輸入電壓的峰值達(dá)到了425V左右，相應(yīng)的UPS的BUS電壓值此時超過410V，為確保機(jī)器不被損壞，馬上關(guān)機(jī)。
2 故障分析
通過上述幾個波形可以看出，UPS模塊的插入使得發(fā)電機(jī)的輸出電壓被抬高，下面簡述一下發(fā)電機(jī)電壓被抬高的原因。
發(fā)電機(jī)依靠電壓調(diào)節(jié)器控制輸出電壓。電壓調(diào)節(jié)器檢測出三相輸出電壓，以其平均值與要求的電壓值比較。調(diào)節(jié)器從發(fā)電機(jī)內(nèi)部的輔助電源取得能量，通常是與主發(fā)電機(jī)同軸的小發(fā)電機(jī)，傳送DC電源給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁場激勵線圈。線圈電流上升或下降，控制發(fā)電機(jī)定子線圈的旋轉(zhuǎn)磁場或稱為電動勢EMF的大小。定子線圈的磁通量決定發(fā)電機(jī)的輸出電壓。
發(fā)電機(jī)定子線圈的內(nèi)阻以Z表示，包括感性和阻性部分。由轉(zhuǎn)子勵磁線圈控制的發(fā)電機(jī)電動勢用E表示。
1)假設(shè)負(fù)載是純感性的
圖3和圖4分別是發(fā)電機(jī)帶感性負(fù)載時的等效電路簡圖和對應(yīng)的矢量圖。
由圖4可以看出，當(dāng)發(fā)電機(jī)帶感性載時，其輸出電壓U小于E，電壓調(diào)節(jié)器改變E可以有效的控制電壓U。
2)假設(shè)負(fù)載是容性負(fù)載
圖5和圖6分別是發(fā)電機(jī)帶容性負(fù)載時的等效電路簡圖和對應(yīng)的矢量圖。
從圖6可以看出發(fā)電機(jī)帶容性負(fù)載后，其輸出電壓U大于E，出現(xiàn)輸出電壓抬高的情況。
3 解決方法
解決發(fā)電機(jī)帶容性負(fù)載后將輸出電壓抬高有幾種辦法：
1)在濾波電容前安裝接觸器，在低負(fù)載時斷開，由于接觸器的時間必須精確，控制比較復(fù)雜。
2)增加一個永久性電抗來補(bǔ)償電容性負(fù)載，通常使用電抗器，并接在發(fā)電機(jī)的輸出端。此方法比較容易實現(xiàn)，且成本較低。但無論是高負(fù)載還是低負(fù)載的情況下，電抗器總是在吸收電流并影響負(fù)載功率因數(shù)。
3)在每一臺UPS中加裝感性電抗器，正好補(bǔ)償U(kuò)PS的容抗。在低負(fù)載情況下由接觸器控制電抗器的投入。此方法電抗器較精確，但數(shù)量較大且安裝和控制成本高。
4)安裝自動切換柜，使電動機(jī)負(fù)載先于UPS接入。此方法成本較高，且調(diào)試較為復(fù)雜。
在用戶現(xiàn)場，采用了第一和第二兩種方法，因考慮用戶負(fù)載較低，故減小濾波電容。將濾波電容減小后，UPS輸入端電壓峰值仍然較大。因日光燈為感性負(fù)載。在現(xiàn)場時在發(fā)電機(jī)的輸出端每相并入3根燈管，單模塊開機(jī)時的波形如圖7所示，圖8為雙模塊并入時的波形。
從圖7可以看出，并入燈管后，UPS的輸入端電壓峰值小于400V，其BUS電壓正常，選擇開機(jī)命令后，UPS開機(jī)正常。
從圖7可以看出，兩個模塊并入后，UPS的輸入端電壓略有上升，通過IPOMS可以觀測到BUS電壓正常，但選擇開機(jī)命令后，UPS的輸入端電壓波形會被再次抬高，原因為市電輸入RLY閉合后，在每相對N之間并有濾波電容。同時還可以看出，R相電壓的變化很大，S相電壓被抬高的幅度很小。研究電路可以發(fā)現(xiàn)，R相電壓除了送入功率板PFC電路外，同時給CHARGER板和通訊模塊供電，此兩部分電路中均有濾波電容的存在。
為進(jìn)一步改善發(fā)電機(jī)接入UPS后的輸入電壓，采用如下方式：將charger板上的濾波電容減小，同時在發(fā)電機(jī)R相輸出端并入5根燈管，S和T相分別并入2根燈管。再次開機(jī)觀測波形如圖10和圖11所示。
從圖9可以看出，三相按照5／2／2的燈管配比后，單模塊開機(jī)時輸入電壓的RMS值和峰值在正常范圍之內(nèi)。從圖lO可以看出，兩模塊開機(jī)時，UPS輸入端的電壓波形峰值為404V，RMS值為235V。UPS工作正常。
4 結(jié)束語
根據(jù)用戶現(xiàn)場現(xiàn)有條件，通過并聯(lián)燈管(感性負(fù)載)來實現(xiàn)將發(fā)電機(jī)輸出電壓峰值降低，最終保證用戶系統(tǒng)的正常工作。此方案還存在不周全的地方，如采用燈管不是十分安全，擔(dān)心在發(fā)電機(jī)運(yùn)行時燈管損壞；將濾波電容減小后，對于機(jī)器的EMC有影響。最好的解決方法是為用戶設(shè)計適合此臺發(fā)電機(jī)容量的電抗器來實現(xiàn)，但是此方法成本過高。
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