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大功率UPS装备发电机组要留意兼容

作者:金龙东 2018年04月09日 国内新闻

近年大型的数据中心迅猛增长,将使用到越来越多的大功率UPS,由于要控制UPS所用蓄电池的量,大功率UPS的延时工夫根本上都是15-30分钟,这样就需求婚配发电机组,为设备提供继续的源源不时的电源。基于如上缘由,就要面对大功率UPS和发电机组的婚配和兼容成绩,以下是团体的一些建议给电源行业人士提供参考:
1 发电机组和UPS之间的配合成绩
  不连续电源零碎的制造商和用户很早就曾经留意到发电机组和UPS之间的配合成绩,特别是由整流器发生的电流谐波对供电零碎如发电机组的电压调理器、UPS的同步电路发生的不良影响十分分明。因而,UPS零碎工程师们设计了输出滤波器并把其使用到UPS中,成功地在UPS使用中控制了电流谐波。这些滤波器对UPS与发电机组的兼容性起到了关键作用。
  现实上一切的输出滤波器都运用电容器和电感来吸收UPS输出端最具毁坏性的电流谐波。输出滤波器的设计思索了UPS电路固有的和在满载状况下的最大能够的全部谐波畸变的百分比。大少数滤波器的另一个好处是进步带载UPS的输出功率因数。但是输出滤波器的使用带来的另一个结果是使UPS全体效率降低。绝大少数滤波器耗费1%左右的UPS功率。输出滤波器的设计不断在有利和不利要素之间寻求均衡。
  为了尽能够进步UPS零碎的效率,近期UPS工程师在输出滤波器的功耗方面做了改良。滤波器效率的进步,从很大水平上取决于将IGBT(绝缘门级晶体管)技术使用到UPS设计中。IGBT逆变器的高效率招致了对UPS的重新设计。输出滤波器可以吸收某些电流谐波,同时吸收很小一局部有功功率。总之,滤波器中理性要素对容性要素的比率降低了,UPS的体积变小了,效率进步了。在UPS范畴的事情仿佛得以处理了,但是新成绩是UPS与发电机的兼容性又呈现了,替代了老成绩。 
2 功率因数的成绩
  通常,人们把留意力放在UPS满载或接近满载状况下的任务形态。绝大少数工程师都能表述满载状况下的UPS任务特性,特别是输出滤波器的特性,但是很少有人对滤波器在空载或接近空载时的情况感兴味。毕竟UPS及其电气零碎在轻载形态下的电流谐波影响很小。但是,UPS空载时的任务参数,特别是输出功率因数关于UPS与发电机的兼容性相当重要。
  最新设计的输出滤波器,在增加电流谐涉及进步满载状况下的功率因数方面有了较好的效果。但是在空载或很小负载状况下却衍生出一个电容性超前的极低的功率因数,特别是那些为了满足5%最大电流失真度的滤波器。普通状况下,当负载低于25%时大少数UPS零碎的输出滤波器会招致分明的功率因数降低。虽然如此,输出功率因数却很少会低于30%,有些新的零碎甚至已到达空载功率因数低于2%,接近于理想的容性负载。
  这种状况不影响UPS输入和关键负载,市电变压器和输配电零碎也不受影响。但发电机就不同了,有经历的发电机工程师晓得:发电机带大容性负载时任务会不正常,当接入较低功率因数负载,典型的低于15%~20%容性时,由于零碎失调,能够招致发电机停机。在市电停电后呈现这种停机应急发电机零碎带动UPS零碎负载 将形成灾难性事故。由于下述两种缘由停机给关键负载带来风险:第一,发电机需求手动重启,并且必需在UPS电池放电完毕前;第二,在停机前发电机能够惹起零碎的"过压",它能够损坏电话设备、火警零碎、监控网络甚至UPS模块。更蹩脚的是,在事故发作后,很难区分责任,找出成绩所在并予以纠正。UPS厂商说UPS零碎测试残缺,并指出其它中央相反的设备没有发作相似成绩。发电机厂商说是负载的成绩,无法调整发电机来处理成绩。同时,用户工程师则阐明他的规格要求,希望两个厂商互相兼容。要理解为何会发作事故及如何防止(或如何在关键使用中找出处理方案),首先需求理解发电机与负载的任务关系。
  2.1 发电机与负载
  发电机依托电压调理器控制输入电压。电压调理器检测三相输入电压,以其均匀值与要求的电压值相比拟。调理器从发电机外部的辅佐电源获得能量,通常是与主发电机同轴的小发电机,传送DC电源给发电机转子的磁场鼓励线圈。线圈电流上升或下降,控制发电机定子线圈的旋转磁场或称为电动势EMF的大小。定子线圈的磁通量决议发电机的输入电压。
  发电机定子线圈的内阻以Z表示,包括理性和阻性局部;由转子励磁线圈控制的发电机电动势用交流电压源以E表示。假定负载是纯理性的,在向量图中电流I滞后电压U正好90°电相位角。假如负载是纯阻性的,UI的矢量将重合或同相。实践上少数负载介于纯阻性和纯理性之间。电流经过定子线圈惹起的电压降用电压矢量I×Z表示。它实践上是两个较小的电压矢量之和,与I同相的电阻压降和超前90°的电感压降。在本例中,它恰恰与U同相。由于电动势必需等于发电机内阻的电压降和输入电压之和,即矢量EUI×Z的矢量和。电压调理器改动E可以无效地控制电压U
  如今思索用纯容性负载替代纯理性负载时,发电机的外部状况会发作什么变化。这时的电流和理性负载时正好相反。电流I如今超前电压矢量U,内阻电压降矢量I×Z,也正好反相。则UI×Z的矢量和小于U
  由于和理性负载时相反的电动势E在容性负载时发生了较高的发电机输入电压U,所以电压调理器必需分明地减小旋转磁场。实践上,电压调理器能够没有足够的范围来完全调理输入电压。一切发电机的转子在一个方向延续励磁含有永世磁场,即便电压调理器全关,转子仍有足够的磁场对电容负载充电并发生电压,这种景象称为"自激"。自激的后果是过压或许是电压调理器关机,发电机的监控零碎则以为是电压调理器毛病(即"失励")。这任一种状况都会惹起发电机停机。发电机输入端所接的负载,能够是独立的,也能够是并联的,决议于自动切换柜任务的定时和设置。在某些使用中,停电时UPS零碎是发电机接入的第一个负载。在其它状况下,UPS机械负载同时接入。机械负载通常有启动接触器,停电后重新闭合需求移动互联网在带来全新社交体验的同时,也或多或少使人们产生了依赖。移动互联网使网络、智能终端、数字技术等新技术得到整合,建立了新的产业生态链,催生全新文化产业形态。一定工夫,补偿UPS输出滤波电容器的理性电动机负载要有延时。UPS自身有一段工夫称为"软启动"周期,将负载从电池转向发电机,使其输出功率因数进步。但是,UPS的输出滤波器并不参与软启动进程,他们衔接在UPS的输出端是UPS的一局部,因而,在某些状况下,停电时首先接到发电机输入端的次要负载是UPS的输出滤波器,它们是高容性的(有时是纯容性的)。
  处理这一成绩的办法很分明要用功率因数校正。这有多种办法可以完成,大致如下:
  装置自动切换柜,使电动机负载先于UPS接入。某些切换柜能够不能完成这种办法。另外,在维护时,工厂工程师能够需求独自调试UPS和发电机。
  添加一个永世性反响电抗来补偿容性负载,通常运用并联缠绕电抗器,接在E-G或发电机输入并联板上。这是很容易完成的,而且本钱较低。但是无论在高负载还是在低负载的状况下,电抗器总是在吸收电流并影响负载功率因数。而且不管UPS的数量多少,电抗器的数量总是固定的。
  在每一台UPS中加装理性电抗器,正好补偿UPS的容抗。在低负载状况下由接触器(选件)控制电抗器的投入。此办法电抗器较准确,但数量较大且装置和控制的本钱高。
  在滤波电容前装置接触器,在低负载时断开。由于接触器的工夫必需准确,控制比拟复杂,只能在工厂装置。
  哪一种办法是最佳的,要依据现场的状况和设备的功能来确定。
  
  2.2 共振成绩
  电容自激成绩能够被其他电气形态所减轻或掩盖,如串联共振。当发电机的感抗的欧姆值和输出滤波器容抗的欧姆值互相拉近,并且零碎的电阻值较小时将发生振荡,电压能够超出电力零碎的额外值。早先设计的UPS零碎本质上为100%的电容性输出阻抗。一台500kVAUPS能够有150kvar的电容和接近于0的功率因数。并联电感、串联扼流圈和输出隔离变压器是UPS的惯例部件,这些部件都是理性的。现实上他们和滤波器的电容一同使UPS总体表现为容性,能够在UPS外部曾经存在一些振荡。加上连到UPS的输电线的电容特性,整个零碎的复杂性大为进步,超出了普通工程师所能剖析的范围。
  近来在关键使用中两个附加要素使得这些成绩更普遍。首先,依据用户高牢靠数据处置的要求,计算机设备厂商在其设备中更多地提供冗余电源输出。如今典型的计算机柜都带有两个或更多电源线。其次,设备经理要求零碎支持在线维护,他们希望在UPS关机维护时关键负载也有维护。这两个要素使得典型数据中心UPS的装置数量添加,每台UPS的负载容量增加。但是发电机的添加没有与UPS坚持分歧。在设备经理的眼中发电机通常是备用的,容易布置维护。另内在一些大的项目中资金压力限制昂贵的大功率发电机组的数量。后果是每台发电机带更多的UPS,这是一个令UPS厂商快乐发电机厂商懊恼的趋向。
  对自激和振荡的最佳防卫是物理学的根本知识。工程师应细心地确定UPS零碎在一切负载条件下的功率因数特性。UPS设备装置后,业主应坚持片面的测试,在调实验收时细心测量整个零碎的任务参数。当发现成绩时,最佳的方案是成立由厂商、工程师、承包商和业主组成的项目小组,对零碎停止完全测试并找出处理方法。

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