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

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

  1發(fā)電機組和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)生的電流諧波對供電系統(tǒng)如發(fā)電機組的電壓調(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UPS與發(fā)電機組的兼容性起到了關(guān)鍵作用。

  事實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。濾波器效率的提高,從很大程度上取決于將IGBT(絕緣門級晶體管)技術(shù)應(yīng)用到UPS設(shè)計中。IGBT逆變器的高效率導(dǎo)致了對UPS的重新設(shè)計。輸入濾波器可以吸收某些電流諧波,同時吸收很小一部分有功功率。總之,濾波器中感性因素對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,然而很少有人對濾波器在空載或接近空載時的狀況感興趣。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空載時的工作參數(shù),特別是輸入功率因數(shù)對于UPS與發(fā)電機的兼容性相當(dāng)重要。

  最新設(shè)計的輸入濾波器,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,大多數(shù)UPS系統(tǒng)的輸入濾波器會導(dǎo)致明顯的功率因數(shù)降低。盡管如此,輸入功率因數(shù)卻很少會低于30%,有些新的系統(tǒng)甚至已達到空載功率因數(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)電機就不同了,有經(jīng)驗的發(fā)電機工程師知道:發(fā)電機帶大容性負(fù)載時工作會不正常,當(dāng)接入較低功率因數(shù)負(fù)載,典型的低于15%~20%容性時,由于系統(tǒng)失調(diào),可能導(dǎo)致發(fā)電機停機。在市電停電后出現(xiàn)這種停機?應(yīng)急發(fā)電機系統(tǒng)帶動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給關(guān)鍵負(fù)載帶來危險:(1)發(fā)電機需要手動重啟,并且必須在UPS電池放電結(jié)束前;(2)在停機前發(fā)電機可能引起系統(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)電機廠商說是負(fù)載的問題,無法調(diào)整發(fā)電機來解決問題。同時,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)電機與負(fù)載的工作關(guān)系。  2.1發(fā)電機與負(fù)載

  發(fā)電機依靠電壓調(diào)節(jié)器控制輸出電壓。電壓調(diào)節(jié)器檢測三相輸出電壓,以其平均值與要求的電壓值相比較。調(diào)節(jié)器從發(fā)電機內(nèi)部的輔助電源取得能量,通常是與主發(fā)電機同軸的小發(fā)電機,傳送DC電源給發(fā)電機轉(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)電機的輸出電壓。

  發(fā)電機定子線圈的內(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)電機電動勢用交流電壓源以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。它實際上是兩個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。因為電動勢必須等于發(fā)電機內(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,發(fā)電機的內(nèi)部情況會發(fā)生什么變化。這時的電流和感性負(fù)載時正好相反。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)載時相同的電動勢E在容性負(fù)載時產(chǎn)生了較高的發(fā)電機輸出電壓U,所以電壓調(diào)節(jié)器必須明顯地減小旋轉(zhuǎn)磁場。實際上,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)電機的轉(zhuǎn)子在一個方向連續(xù)勵磁含有永久磁場,即使電壓調(diào)節(jié)器全關(guān),轉(zhuǎn)子仍有足夠的磁場對電容負(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,發(fā)電機的監(jiān)控系統(tǒng)則認(rèn)為是電壓調(diào)節(jié)器故障(即“失勵”)。這任一種情況都會引起發(fā)電機停機。發(fā)電機輸出端所接的負(fù)載,可能是獨立的,也可能是并聯(lián)的,決定于自動切換柜工作的定時和設(shè)置。在某些應(yīng)用中,停電時UPS系統(tǒng)是發(fā)電機接入的第一個負(fù)載。在其它情況下,UPS和機械負(fù)載同時接入。機械負(fù)載通常有啟動接觸器,停電后重新閉合需要一定時間,補償UPS輸入濾波電容器的感性電動機負(fù)載要有延時。UPS本身有一段時間稱為“軟啟動”周期,將負(fù)載從電池轉(zhuǎn)向發(fā)電機,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,停電時首先接到發(fā)電機輸出端的主要負(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現(xiàn),大致如下:

  ●安裝自動切換柜,使電動機負(fù)載先于UPS接入。某些切換柜可能不能實現(xiàn)這種方法。另外,在維護時,工廠工程師可能需要單獨調(diào)試UPS和發(fā)電機。

  ●增加一個永久性反應(yīng)電抗來補償容性負(fù)載,通常使用并聯(lián)纏繞電抗器,接在E-G或發(fā)電機輸出并聯(lián)板上。這是很容易實現(xiàn)的,而且成本較低。但是無論在高負(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UPS中加裝感性電抗器,正好補償UPS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)載時斷開。由于接觸器的時間必須精確,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)計的UPS系統(tǒng)實質(zhì)上為100%的電容性輸入阻抗。一臺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,計算機設(shè)備廠商在其設(shè)備中更多地提供冗余電源輸入。現(xiàn)在典型的計算機柜都帶有兩個或更多電源線。其次,設(shè)備經(jīng)理要求系統(tǒng)支持在線維護,他們希望在UPS關(guān)機維護時關(guān)鍵負(fù)載也有保護。這兩個因素使得典型數(shù)據(jù)中心UPS的安裝數(shù)量增加,每臺UPS的負(fù)載容量減少。但是發(fā)電機的增加沒有與UPS保持一致。在設(shè)備經(jīng)理的眼中發(fā)電機通常是備用的,容易安排維護。另外在一些大的項目中資金壓力限制昂貴的大功率發(fā)電機組的數(shù)量。結(jié)果是每臺發(fā)電機帶更多的UPS,這是一個令UPS廠商高興,發(fā)電機廠商煩惱的趨勢。

對自激和振蕩的最佳防衛(wèi)是物理學(xué)的基本知識。工程師應(yīng)仔細地確定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)堅持全面的測試,在調(diào)試驗收時仔細測量整個系統(tǒng)的工作參

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