UPS与发电机组的匹配

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1、UPS与发电机组的匹配问题随着Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的发展，数据中心对大功率ＵＰＳ和发电机的需求迅猛增长，由此也产生了一些新问题。本文就ＵＰＳ输入端功率因数和输入滤波器对发电机的影响，进行理论分析和实际案例的说明，以阐明问题产生的原因，进而找出解决的方法。１发电机组和ＵＰＳ之间的配合问题不间断电源系统的制造商和用户很早就已经注意到发电机组和ＵＰＳ之间的配合问题，特别是由整流器产生的电流谐波对供电系统如发电机组的电压调节器、ＵＰＳ的同步电路产生的不良影响非常明显。因此，ＵＰＳ系统工程师们设计了输入滤波器并把其应用到Ｕ

2、ＰＳ中，成功地在ＵＰＳ应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。事实上所有的输入滤波器都使用电容器和电感来吸收ＵＰＳ输入端最具破坏性的电流谐波。输入滤波器的设计考虑了ＵＰＳ电路固有的和在满载情况下的最大可能的全部谐波畸变的百分比。大多数滤波器的另一个益处是提高带载ＵＰＳ的输入功率因数。然而输入滤波器的应用带来的另一个后果是使ＵＰＳ整体效率降低。绝大多数滤波器消耗１％左右的ＵＰＳ功率。输入滤波器的设计一直在有利和不利因素之间寻求平衡。为了尽可能提高ＵＰＳ系统的效率，近期ＵＰＳ工程师在

3、输入滤波器的功耗方面做了改进。滤波器效率的提高，从很大程度上取决于将ＩＧＢＴ绝缘门级晶体管技术应用到ＵＰＳ设计中。ＩＧＢＴ逆变器的高效率导致了对ＵＰＳ的重新设计。输入滤波器可以吸收某些电流谐波，同时吸收很小一部分有功功率。总之，滤波器中感性因素对容性因素的比率降低了，ＵＰＳ的体积变小了，效率提高了。在ＵＰＳ领域的事情好像得以解决了，然而新问题——与发电机的兼容性又出现了，替代了老问题。２功率因数的问题通常，人们把注意力放在ＵＰＳ满载或接近满载情况下的工作状态。绝大多数工程师都能表述满载情况下的ＵＰＳ工作特性，

4、特别是输入滤波器的特性，然而很少有人对滤波器在空载或接近空载时的状况感兴趣。毕竟ＵＰＳ及其电气系统在轻载状态下的电流谐波影响很小。然而，ＵＰＳ空载时的工作参数，特别是输入功率因数对于ＵＰＳ与发电机的兼容性相当重要。最新设计的输入滤波器，在减少电流谐波及提高满载情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情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。一般情况下，当负载低于２５％时大多数ＵＰＳ系统的输入滤波器会导致明显的功率因数降低。尽管如此，输入功率因数却很

5、少会低于３０％，有些新的系统甚至已达到空载功率因数低于２％，接近于理想的容性负载。这种情况不影响ＵＰＳ输出和关键负载，市电变压器和输配电系统也不受影响。但发电机就不同了，有经验的发电机工程师知道：发电机带大容性负载时工作会不正常，当接入较低功率因数负载典型的低于１５％～２０％容性时，由于系统失调，可能导致发电机停机。在市电停电后出现这种停机应急发电机系统带动ＵＰＳ系统负载将造成灾难性事故。由于下述两种原因停机给关键负载带来危险：第一，发电机需要手动重启，并且必须在ＵＰＳ电池放电结束前；第二，在停机前发电机

6、可能引起系统的“过压”，它可能损坏电话设备、火警系统、监控网络甚至ＵＰＳ模块。更糟糕的是，在事故发生后，很难区分责任，找出问题所在并予以纠正。ＵＰＳ厂商说ＵＰＳ系统测试完好，并指出其它地方相同的设备没有发生类似问题。发电机厂商说是负载的问题，无法调整发电机来解决问题。同时，用户工程师则说明他的规格要求，希望两个厂商相互兼容。要了解为何会发生事故及如何避免或如何在关键应用中找出解决方案，首先需要了解发电机与负载的工作关系。２１发电机与负载发电机依靠电压调节器控制输出电压。电压调节器检测三相输出电压，以其平均值

7、与要求的电压值相比较。调节器从发电机内部的辅助电源取得能量，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激励线圈。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定发电机的输出电压。发电机定子线圈的内阻以Ｚ表示，包括感性和阻性部分；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。假设负载是纯感性的，在向量图中电流Ｉ滞后电压Ｕ正好９０°电相位角。如果负载是纯阻性的，Ｕ和Ｉ的矢量将重合或同相。实际上多数负载介于纯阻性和纯感性之间。电流通过定子线圈

8、引起的电压降用电压矢量Ｉ×Ｚ表示。它实际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，它恰好与Ｕ同相。因为电动势必须等于发电机内阻的电压降和输出电压之和，即矢量Ｅ＝Ｕ和Ｉ×Ｚ的矢量和。电压调节器改变Ｅ可以有效地控制电压Ｕ。现在考虑用纯容性负载代替纯感性负载时，发电机的内部情况会发生什么变化。这时的电流和感性负载时正好相反。电流Ｉ现在超前电