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[導(dǎo)讀]  隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展,數(shù)據(jù)中心對(duì)大功率UPS和發(fā)電機(jī)的需求迅猛增長(zhǎng),由此也產(chǎn)生了一些新問題。本文就UPS輸入端功率因數(shù)和輸入濾波器對(duì)發(fā)電機(jī)的影響,進(jìn)行理論分析和實(shí)

  隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展,數(shù)據(jù)中心對(duì)大功率UPS和發(fā)電機(jī)的需求迅猛增長(zhǎng),由此也產(chǎn)生了一些新問題。本文就UPS輸入端功率因數(shù)和輸入濾波器對(duì)發(fā)電機(jī)的影響,進(jìn)行理論分析和實(shí)際案例的說明,以闡明問題產(chǎn)生的原因,進(jìn)而找出解決的方法。

  1發(fā)電機(jī)組和UPS之間的匹配問題

  UPS供電系統(tǒng)的廠商和用戶很早就已經(jīng)注意到發(fā)電機(jī)組和UPS之間的匹配問題,特別是由整流器產(chǎn)生的電流諧波對(duì)供電系統(tǒng)如發(fā)電機(jī)組的電壓調(diào)節(jié)器、UPS的同步電路產(chǎn)生的不良影響非常明顯。因此,技術(shù)人員設(shè)計(jì)了輸入濾波器并把其應(yīng)用到UPS中,成功地在UPS應(yīng)用中控制了電流諧波。這些濾波器對(duì)UPS與發(fā)電機(jī)組的兼容性起到了關(guān)鍵作用。

  事實(shí)上所有的輸入濾波器都使用電容器和電感來吸收UPS輸入端具有破壞性的電流諧波。輸入濾波器的設(shè)計(jì)考慮了UPS電路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。大多數(shù)濾波器的另一個(gè)益處是提高帶載UPS的輸入功率因數(shù)。然而輸入濾波器的應(yīng)用帶來的另一個(gè)后果是使UPS整體效率降低。絕大多數(shù)濾波器消耗1%左右的UPS功率。輸入濾波器的設(shè)計(jì)一直在有利和不利因素之間尋求平衡。

  為了盡可能提高UPS系統(tǒng)的效率,近期UPS工程師在輸入濾波器的功耗方面做了改進(jìn)。濾波器效率的提高,從很大程度上取決于將IGBT(絕緣門級(jí)晶體管)技術(shù)應(yīng)用到UPS設(shè)計(jì)中。IGBT逆變器的高效率導(dǎo)致了對(duì)UPS的重新設(shè)計(jì)。輸入濾波器可以吸收某些電流諧波,同時(shí)吸收很小一部分有功功率??傊瑸V波器中感性因素對(duì)容性因素的比率降低了,UPS的縮小了體積,提高了效率。而UPS與發(fā)電機(jī)的兼容性的問題又出現(xiàn)了。

  2功率因數(shù)的問題

  通常,人們把注意力放在UPS滿載或接近滿載情況下的工作狀態(tài)。大多數(shù)的工程師都了解滿載情況下的UPS工作特性,特別是輸入濾波器的特性,然而很少有人對(duì)濾波器在空載或接近空載時(shí)的狀況感興趣。畢竟UPS及其電氣系統(tǒng)在輕載狀態(tài)下的電流諧波影響很小。然而,UPS空載時(shí)的工作參數(shù),特別是輸入功率因數(shù)對(duì)于UPS與發(fā)電機(jī)的兼容性相當(dāng)重要。

  最新設(shè)計(jì)的輸入濾波器,在減少電流諧波及提高滿載情況下的功率因數(shù)方面有了較好的效果。但是在空載或很小負(fù)載情況下卻衍生出一個(gè)電容性超前的極低的功率因數(shù),特別是那些為了滿足5%最大電流失真度的濾波器。一般情況下,當(dāng)負(fù)載低于25%時(shí),大多數(shù)UPS系統(tǒng)的輸入濾波器會(huì)導(dǎo)致明顯的功率因數(shù)降低。盡管如此,輸入功率因數(shù)卻很少會(huì)低于30%,有些新的系統(tǒng)甚至已達(dá)到空載功率因數(shù)低于2%,接近于理想的容性負(fù)載。

  這種情況不影響UPS輸出和關(guān)鍵負(fù)載,市電變壓器和輸配電系統(tǒng)也不受影響。但發(fā)電機(jī)就不同了,有經(jīng)驗(yàn)的發(fā)電機(jī)工程師知道:發(fā)電機(jī)帶大容性負(fù)載時(shí)工作會(huì)不正常,當(dāng)接入較低功率因數(shù)負(fù)載,典型的低于15%~20%容性時(shí),由于系統(tǒng)失調(diào),可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)停機(jī)。在市電停電后出現(xiàn)這種停機(jī)?應(yīng)急發(fā)電機(jī)系統(tǒng)帶動(dòng)UPS系統(tǒng)負(fù)載將造成災(zāi)難性事故。由于下述兩種原因停機(jī)給關(guān)鍵負(fù)載帶來危險(xiǎn):(1)發(fā)電機(jī)需要手動(dòng)重啟,并且必須在UPS電池放電結(jié)束前;(2)在停機(jī)前發(fā)電機(jī)可能引起系統(tǒng)的“過壓”,它可能損壞通信設(shè)備、火警系統(tǒng)、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)甚至UPS模塊。

  更糟糕的是,在事故發(fā)生后,很難區(qū)分責(zé)任,找出問題所在并予以糾正。廠商說UPS系統(tǒng)測(cè)試完好,并指出其它地方相同的設(shè)備沒有發(fā)生類似問題。發(fā)電機(jī)廠商說是負(fù)載的問題,無(wú)法調(diào)整發(fā)電機(jī)來解決問題。同時(shí),用戶工程師則說明規(guī)格要求,希望相互兼容。要了解為何會(huì)發(fā)生事故及如何避免(或如何在關(guān)鍵應(yīng)用中找出解決方案),首先需要了解發(fā)電機(jī)與負(fù)載的工作關(guān)系?! ?.1發(fā)電機(jī)與負(fù)載

  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(cè)三相輸出電壓,以其平均值與要求的電壓值相比較。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(chǎng)激勵(lì)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(chǎng)或稱為電動(dòng)勢(shì)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(lì)磁線圈控制的發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢(shì)用交流電壓源以E表示。假設(shè)負(fù)載是純感性的,在向量圖中電流I滯后電壓U正好90°電相位角。如果負(fù)載是純阻性的,U和I的矢量將重合或同相。實(shí)際上多數(shù)負(fù)載介于純阻性和純感性之間。電流通過定子線圈引起的電壓降用電壓矢量I×Z表示。它實(shí)際上是兩個(gè)較小的電壓矢量之和,與I同相的電阻壓降和超前90°的電感壓降。在本例中,它恰好與U同相。因?yàn)殡妱?dòng)勢(shì)必須等于發(fā)電機(jī)內(nèi)阻的電壓降和輸出電壓之和,即矢量E=U和I×Z的矢量和。電壓調(diào)節(jié)器改變E可以有效地控制電壓U。

  現(xiàn)在考慮用純?nèi)菪载?fù)載代替純感性負(fù)載時(shí),發(fā)電機(jī)的內(nèi)部情況會(huì)發(fā)生什么變化。這時(shí)的電流和感性負(fù)載時(shí)正好相反。電流I現(xiàn)在超前電壓矢量U,內(nèi)阻電壓降矢量I×Z,也正好反相。則U和I×Z的矢量和小于U。

  由于和感性負(fù)載時(shí)相同的電動(dòng)勢(shì)E在容性負(fù)載時(shí)產(chǎn)生了較高的發(fā)電機(jī)輸出電壓U,所以電壓調(diào)節(jié)器必須明顯地減小旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。實(shí)際上,電壓調(diào)節(jié)器可能沒有足夠的范圍來完全調(diào)節(jié)輸出電壓。所有發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子在一個(gè)方向連續(xù)勵(lì)磁含有永久磁場(chǎng),即使電壓調(diào)節(jié)器全關(guān),轉(zhuǎn)子仍有足夠的磁場(chǎng)對(duì)電容負(fù)載充電并產(chǎn)生電壓,這種現(xiàn)象稱為“自激”。自激的結(jié)果是過壓或者是電壓調(diào)節(jié)器關(guān)機(jī),發(fā)電機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)則認(rèn)為是電壓調(diào)節(jié)器故障(即“失勵(lì)”)。這任一種情況都會(huì)引起發(fā)電機(jī)停機(jī)。發(fā)電機(jī)輸出端所接的負(fù)載,可能是獨(dú)立的,也可能是并聯(lián)的,決定于自動(dòng)切換柜工作的定時(shí)和設(shè)置。在某些應(yīng)用中,停電時(shí)UPS系統(tǒng)是發(fā)電機(jī)接入的第一個(gè)負(fù)載。在其它情況下,UPS和機(jī)械負(fù)載同時(shí)接入。機(jī)械負(fù)載通常有啟動(dòng)接觸器,停電后重新閉合需要一定時(shí)間,補(bǔ)償U(kuò)PS輸入濾波電容器的感性電動(dòng)機(jī)負(fù)載要有延時(shí)。UPS本身有一段時(shí)間稱為“軟啟動(dòng)”周期,將負(fù)載從電池轉(zhuǎn)向發(fā)電機(jī),使其輸入功率因數(shù)提高。然而,UPS的輸入濾波器并不參與軟啟動(dòng)過程,他們連接在UPS的輸入端是UPS的一部分,因此,在某些情況下,停電時(shí)首先接到發(fā)電機(jī)輸出端的主要負(fù)載是UPS的輸入濾波器,它們是高容性的(有時(shí)是純?nèi)菪缘模?/p>

  解決這一問題的方法很明顯要用功率因數(shù)校正。這有多種方法可以實(shí)現(xiàn),大致如下:

  ●安裝自動(dòng)切換柜,使電動(dòng)機(jī)負(fù)載先于UPS接入。某些切換柜可能不能實(shí)現(xiàn)這種方法。另外,在維護(hù)時(shí),工廠工程師可能需要單獨(dú)調(diào)試UPS和發(fā)電機(jī)。

  ●增加一個(gè)永久性反應(yīng)電抗來補(bǔ)償容性負(fù)載,通常使用并聯(lián)纏繞電抗器,接在E-G或發(fā)電機(jī)輸出并聯(lián)板上。這是很容易實(shí)現(xiàn)的,而且成本較低。但是無(wú)論在高負(fù)載還是在低負(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)。而且不論UPS的數(shù)量多少,電抗器的數(shù)量總是固定的。

  ●在每一臺(tái)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(選件)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的成本高。

  ●在濾波電容前安裝接觸器,在低負(fù)載時(shí)斷開。由于接觸器的時(shí)間必須精確,控制比較復(fù)雜,只能在工廠安裝。

  哪一種方法是最佳的,要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況和設(shè)備的性能來確定。

  2.2共振問題

  電容自激問題可能被其他電氣狀態(tài)所加重或掩蓋,如串聯(lián)共振。當(dāng)發(fā)電機(jī)感抗的歐姆值和輸入濾波器容抗的歐姆值相互拉近,并且系統(tǒng)的電阻值較小時(shí)將產(chǎn)生振蕩,電壓可能超出電力系統(tǒng)的額定值。新近設(shè)計(jì)的UPS系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上為100%的電容性輸入阻抗。一臺(tái)500kVA的UPS可能有150kvar的電容和接近于0的功率因數(shù)。并聯(lián)電感、串聯(lián)扼流圈和輸入隔離變壓器是UPS的常規(guī)部件,這些部件都是感性的。事實(shí)上他們和濾波器的電容一起使UPS總體表現(xiàn)為容性,可能在UPS內(nèi)部已經(jīng)存在一些振蕩。加上連到UPS的輸電線的電容特性,整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜性大為提高,超出了一般工程師所能分析的范圍。

  近來在關(guān)鍵應(yīng)用中兩個(gè)附加因素使得這些問題更普遍。首先,根據(jù)用戶高可靠數(shù)據(jù)處理的要求,計(jì)算機(jī)設(shè)備廠商在其設(shè)備中更多地提供冗余電源輸入。現(xiàn)在典型的計(jì)算機(jī)柜都帶有兩個(gè)或更多電源線。其次,設(shè)備經(jīng)理要求系統(tǒng)支持在線維護(hù),他們希望在UPS關(guān)機(jī)維護(hù)時(shí)關(guān)鍵負(fù)載也有保護(hù)。這兩個(gè)因素使得典型數(shù)據(jù)中心UPS的安裝數(shù)量增加,每臺(tái)UPS的負(fù)載容量減少。但是發(fā)電機(jī)的增加沒有與UPS保持一致。在設(shè)備經(jīng)理的眼中發(fā)電機(jī)通常是備用的,容易安排維護(hù)。另外在一些大的項(xiàng)目中資金壓力限制昂貴的大功率發(fā)電機(jī)組的數(shù)量。結(jié)果是每臺(tái)發(fā)電機(jī)帶更多的UPS,這是一個(gè)令UPS廠商高興,發(fā)電機(jī)廠商煩惱的趨勢(shì)。

對(duì)自激和振蕩的最佳防衛(wèi)是物理學(xué)的基本知識(shí)。工程師應(yīng)仔細(xì)地確定UPS系統(tǒng)在所有負(fù)載條件下的功率因數(shù)特性。UPS設(shè)備安裝后,業(yè)主應(yīng)堅(jiān)持全面的測(cè)試,在調(diào)試驗(yàn)收時(shí)仔細(xì)測(cè)量整個(gè)系統(tǒng)的工作參

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