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UPS高频机与工频机技术与机能之争中的若干概念成就
  • UPS设备IGBT整流技术的成熟和无输入变压器产品(高频机)推向市场,已阅历了20多年,在与传统双变换可控整流技术UPS(工频机)争夺市场的漫长过程中,不停存在着技术和机能的概念之争。本文总结了在争论中出现的,并长期影响市场走向的14个概念,及其发生和存在的原因。为无力地推动机能更优越的高频机UPS在数据中央中的履行和应用,认真地阐发并对错误概念做科学的探究是非常必要的。

    1 去掉输入变压器是UPS电路技术的提高
      
      UPS技术和产品发生于60年前,60年来,跟着功率半导体器件和电力电子技术的提高,UPS设备阅历了由带多个输入工频变压器单个输入工频变压器再到去掉输入变压器的演变过程,如图1所示。
      
      机能更好的大功率IGBT器件和更先辈的节制技术某鱿,为UPS设备从基本去掉输入隔离变压器创造了物质条件,使其在高频化、小型化、节能化和绿色环保化方面取得顺ぷ的进展,这便是人咱咱们所说的“高频机”。这种机型会合表示了UPS电路技术的提高,代表着UPS技术的睁开偏向。
      
      高频机UPS的机能优势可概括为如下五个方面:
      
     、高输入功率因数,低输入电流失真度,输入功率因数高达99%,输入谐波含量小于3%;
      
     、工作效力提高3%,可到达95%;
      
     ③重量轻、体积小,功率密度(kW/m2)比工频机提高40%阁下;占高空积(m2)比工频机削减25%阁下,重量比工频机削减50%~80%;
      
     、鼙厩低,零件去掉输入隔离变压器、输入12脉冲移相变压器、5次或11次无源滤波器;
      
     ⑤对电机能偏向的改良,输入电压规模更宽,三相负载不均衡的顺应能力强,输入静态机能好。
      
      2 工频机UPS输入变压器的功效
      
      了解传统UPS输入隔离变压器的功效是非常重要的,因为只要当用电路措施可以或许或许完全实现它的功效时,才有可能在新一代设备中替代并取消它。
      
      应该说,这个变压器是工频机全桥逆变器不行分离的构成部分。
      
      要提醒的概念(一)输入变压器的功效:升压和发生三相四线输入的零线。
      
      (1)输入变压器的功效之一是为单相负载/三相负载供给所需的零线
      
      带输入变压器的UPS的DC/AC逆变器通常是由全桥电路构成,如图2所示。输入端必需加变压器,否则就完不成输入单相或三相四线换电压的功效。所以此变压器应视为发生输入零线的变压器。
      
      (2)输入变压器的功效之二是对输入电压的匹配感化
      
      传统大中型UPS主回路布局采纳可控硅整流将输入的换电整流为直流电,电池间接(或颠末DC/DC变换)挂在直流母线上。当输入市电正常时,靠可控硅整流电路的调节为桥式逆变器供电。从体系布局可以或许或许看出,从整流输入到逆变输入的过程中,每个关键都是降压关键:可控硅整流要“斩掉”一部分输入电压,其输入电压恒定的价值是输入电压恒定在低于全波整流输入电压的某个数值上。而逆变关键同样是一个降压关键,逆变器采纳脉宽调制(PWM)办法逆变出正弦换电,其结果同样是输入电压品级的再次低落。恰是因为上述的原因,在此种布局的UPS逆变器中,输入变压器起着电压匹配和晋升的感化,将逆变器输入的电压升到正当的规模。工频机输入变压器设计参数如图3所示。
      
      根据参考文献[1]的阐发,输入变压器的导噬压比应该是1∶1.8阁下。
      
      必要纠正的概念(二)在体系中,工频机UPS输入变压器没有隔离功效
      
      在UPS供电体系中,UPS设备的一个至关重要的功效是当输入过载或许UPS逆变器故障时,主动转静态旁路供电。另外,在体系中还设置了掩护旁路,当UPS必要掩护时可手动转掩护旁路向负载供电。履行这两个操纵时,都是由旁路输入三相四线电压间接向负载供电,所以体系的零线要与负载端的零线必需短接在一路。这就决定了带输入变压器的UPS的变压器次级新发生的零线也必需衔接到输入电源体系的零线上,如图4所示。也便是说,UPS机内的变压器没有体系隔离的功效。
      
      如果一定付与输入变压器具有体系隔离功效,就必要把变压器输入零线(也是UPS三线输入零线)间接接体系地,如图5所示。其后果是,体系正常工作时,单相IT负载工作电流颠末过程体系零线到体接地极,然后颠末过程体系地线回到输入变压器零线,结果是地线中有100%的工作电流流过,体系地电位浮动,构成的地线压差比零线二次接地(零线地线并联)还要大4倍(零线地线串联),严重影响IT体系运行的稳固性和平安性。
      
      导上,工频机UPS厂商的效劳工程师也深谙此中道理,他咱咱们在导首置时毫无例外地都是把输入变压器(UPS逆变端变压器)的零线接在体系零线上,所以“工频机UPS输入隔离变压器有隔离感化”这一概念纯属捏造。
      
      必要纠正的概念(三)工频机UPS输入变压器在体系中没有抗*功效
      
      因为变压器的阻抗有一定的感性成分,因而说这个变压器具有一定的抗*感化是可以或许或许懂得的。但是逆变器输入变压器却不是为抗*而设置的,它的抗*能力也是有限的。
      
      并不是隔离变压器就能抗*,通俗线性隔离变压器的抗*能力是有限的。首先,对付输入电压中存在的低频*和电压畸变,变压器不行能也不市怼抗*”,否则颠末过程变压器传输的电压波形就会失真;而对由地线环路带来的设备间的互相高频*有一定的克制感化,但因绕组间存在的散布电容,使它对共模*的克制效果随*频率的升高而下降。再者,变压器看篷詈实现原边和副边的电压变换的,因而它也不具有抗差模*的功效。在1kHz~100MHz的*频率规模内,通俗线性隔离变压器对共模和差模*的衰减能力都微乎其微。对通俗隔离变压器的共模克制能力的阐发表明,要提高对共模*的克制能力,关键是减小变压器绕组的匝间耦合电容,为此必要在变压器初、次级间设屏蔽层,而这恰是所谓的“超等隔离变压器”,如图6和图7所示。
      


      图6中,C1为初度阻与屏蔽层之间的散布电容,C2为次度阻与屏蔽层之间的散布电容,Z1为屏蔽层接地阻抗,Z2为负载的对地阻抗,E1为初级*(共模子)电压,E2为E1颠末过程耦合传导到次级的*(共模子)电压。如果C1和C2的阻抗远大于屏蔽层接地阻抗,则偶合传导到次级的*电压E2就会远小于E1。
      
      超等屏蔽隔离变压器有3屏蔽层,靠近初度阻的屏蔽层衔接在初级性线上,可以或许说舫级出现的高频差模*。而对50Hz的工频电压则不发生任何影响,靠近次度阻的屏蔽层衔接在次级性线上,可以或许说次级出现的高频差模*。中央屏蔽层则与变压器外壳连在一路,再接大地,重要用来说艄模*。
      
      必要纠正的概念(四)工频机UPS输入变压器不具有也不允许有耐负载电流冲击的能力
      
      一种说法是,工频机UPS输入变压器有抗负载电流冲击的能力。咱咱咱们咱咱们也说一个线性变压器具有抗负载冲击能力是否有导根据和试验数据,而仅就UPS输入变压器供电的负载性质而言,也不允许它具有这种能力。UPS输入变压器是间接对IT设备供电的,IT负载的冲击有两种,一是设备开机时的启动电流,二是体系正常运行时设备投入运行的静态电流。分外是正常运行时设备投入运行的静态变更电流,是相对不允许“抗”和“克制”的,如果IT设备投入运行时,输入电流有40%的突然增长,为其供电的电源UPS就必需瞬间给出,否则就会影响IT设备的正常运行。
      
      变压器并不贮备能量,负载的任何冲击都邑传递到逆变器主电路,UPS输入可缓解负载电流冲击对逆变电路影响的器件是可储能并可瞬间给出变更电流的电容,而非输入变压器。
      
      3 输入无源滤波器严重影响数据中央备用油机的启动和运行
      
      现代数据中央对供电体系的基本请求是供电的连续性,而要包管连续供电,就必需装备可连续运行的备用柴油发电机。如果数据中央设置设备摆设了工频机UPS,市电掉电后,会经常发生柴油发电机启动后投入运行失败的成就。基本原因在于,柴油发电机带容性负载的能力很差,而工频机UPS输入无源滤波器在市电掉电后表示出极强的容性特性。
      
      要夸大的概念(五)容性负载对发电机运行的不利影响
      
      在数据中央供电体系中,柴油发电机是否能正常运行,重要取决于其输入阻抗是否与负载匹配。
      
      发电机依靠电压调节器节制输入电压。电压调节器检测三相输入电压,以其平均值与设定的电压值相比较。调节器从发电机内部的辅助电源获得能量,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勉励线圈。线圈电流上升或下降,节制发电机定子线圈的磁场(或称为电动势EMF)的大。
      
      图8所示为发电机输入等效电路,图8(a)为带纯性负载的简化示用意。图8(b)为带纯容性负载的简化示用意。
      
      在图8(a)中:-电动势;-发电机内阻,包含性和阻性成分;性负载电流;-发动机输入电压。
      
      内阻包含性和阻性部分。因为假设负载是纯性的,在相量图中电流滞后电压正好90°电相位角。如果负载是纯阻性的,和的矢量图曲线将重合(或同相)。导噬隙数负载介于阻性和性之间。
      
      电流颠末过程定子线圈引起的电压降用电压矢量×表示。它导噬是与同相的电阻压降和超前90°的电感压降的矢量和,因为电动势必需等于发电机内阻的电压降和输入电压之和,则电压调节器改变,可以或许有用地节制输入电压。
      
      图8(b)中,用纯容性负载代替纯性负载,在这种环境下,输入电流偏向正好和性负载时的相反。电流超前电压正好90°的相位角,内阻电压降矢量×的偏向也相反。则和×的矢量和。
      
      对付与性负载时相同的电动势,在容性负载时就发生了较高的发电机输入电压,所以电压调节器必需显著地减小定子线圈的磁。因为发电机的转子含有一个永久性磁场,该永久性磁场将在一个偏向连续励磁,即使电压调节器完全关闭,转子永久性磁场连续励磁发生的电动势仍足以对电容负载充电并发生电压,这种现象称为“自激”。自激的结果是过压或许是电压调节器关机,发电机的监控体系则认为是电压调节器故障(即“失励”)。
      
      讨论了油机的输入特性后,再看UPS在市电掉电后的工作纯,如图9所示。
      
      此时UPS的工作纯是:市电掉电后,电池颠末过程DC/AC逆变向负载供电,输入端AC/DC节制关断,UPS输入断路器并未关断,此时油机启动正常后经ATS转换面对的负载是UPS无源滤波器。待油机启动切换胜利后,UPS检测到输入电压正常后才转到市电供电纯。
      
      要提醒的概念(六)油机启动后切换时面对的是空载UPS
      
      要纠正的概念(七)油机启动切换后的负载与UPS是否缓启动无关
      
      一种说法是,UPS输入可以或许缓启动,如许可减轻对油机启动加载的压力,显然这种环境是不存在的。
      
      要纠正的概念(八)UPS启动切换是否胜利与UPS的输入功率因数协调波含量无关
      
      一种说法是,工频机输入功率因数完全相符模范请求,输入功率因数可达0.95,谐波小于10%,不会对油机启动和切换发生影响。这种说法是没有意义的,导环境是,此时UPS主机输入不发生任何谐波,油机启动和切换与UPS输入功率因数协调波没有任何相干。
      
      要明白的概念(九)在UPS输入空载环境下,无源滤波器呈现纯容性阻抗
      
      众所周知,工频机UPS输入无源滤波器的滤波效果跟着输入负载的减小而变差,负载为零时,无源滤波器会呈现由电容量决定的纯容性特性,所以,市电掉电油机启动后,将面对纯容性负载切换。
      
      要明白的概念(十)
      
      在UPS1+1冗余体系中,负载的容量是一台UPS额定容量,而无源滤波器相对发电机确(却)是两台相加的
      
      在1+1冗余体系中,或2N供电体系中,负载的容量是一台UPS额定容量的容量,而油机启动切换时的负载却是两台额定容量UPS的容性无源滤波器,而且UPS冗余度越高,例如2(N+)体系,对油机启动切换的压力越大。
      
      必要提醒的概念(十一)
      
      为了包管数据中央备用柴油发电机可以或许正常启动切换,当设置设备摆设工频机UPS时,就必要大幅度增大油机容量。这里触及到高频机与工频机对油机容设置设备摆设的影响。
      
      表1和表2分离列出的是油机只带UPS体系和油机为全体数据中央供电时,针对工频机和高频机两种环境的油机容量与负载容设置设备摆设的比较。
      
      

    从表中数据可以或许或许看出,因为高频机输入功率因数高,不必要设置设备摆设无源滤波器,当体当要设置设备摆设柴油发电机时,发电机容量与负载的容量比,只为UPS供电为1.3倍,为全体数据中央供电为大于或等于体系总用电量,分外是,这个配比与UPS是否冗余无关。
      
      当设置设备摆设工频机UPS时,必要的油机容量显然大很多,只为UPS供电为2~4倍,为全体数据中央供电为大于或等于1.5~2倍体系总用电量,分外必要夸大的是,油机容量与UPS是否冗余有间接相干,在UPS冗余设置设备摆设时,只为UPS供电为3~5倍,为全体数据中央供电为大于或等于2倍体系总用电量。
      
      当柴油发电机为由工频机UPS供电的数据中央供电时,油机容量要大幅增长,即便如斯,市电掉电时油机是否能正常启动,仍是一个不范的因素。
      
      4 工频机UPS输入无源滤波器现的净化地线体系
      
      要提醒的概念(十二)无源滤波器把工频机主机发生的谐波滤到哪去了?
      
      工频机的输入功率因数和输入谐波含量通常以是否相符相干模范来衡量,只要相符模范,就认为没成就,但是,从来没有斯鼗砋PS主机发生的谐波滤到哪里去了?图10揭示了这个隐秘。
      
      UPS输入的电能品格模范是为电网定的,室外环境掩护请求住户不能把渣滓倒在门外,那么就只好在自家处理了。无源滤波器把工频机UPS自己发生的谐波绝大都分都导入到体系地线中了,于是在地线中就存在周期性某L电流。地线也是要传输电流的,本地线中存在工频UPS设置设备摆设的无源滤波器导入的谐波电流时,地线会出现同样波形的地电位变更,且这种变更是周期性的、常规的,波动幅度与地线阻抗和负载大小(滤波效果分歧)无关,在一个由多台工频机UPS供电的大体系中,就会出现局部地电位的差别,也便是说,全体体系无法包管地线等电位。
      
      必要提醒的概念(十三)体系地电位差是形成IT体系设备运行不稳固重要原因之一
      
      在数据中央IT体系中,颠末过程数据线互联的设备运行时,为了使数据线有公共参考电压,任何一个互联的元件都有两条线:一根衔接设备的数据线,另外一根衔接设备的平安接地线。这种情形称作“地线环”,下面说明“地线环”将使互联设备的公共参考电压发生压差,会对硬件形成损坏。实际上,体系间地线噪声和共模噪声不是一回事,共模噪声指的是电源相线、零线与地线之间的噪声。
      
     《体系间地线噪声指的是互联设备机地线之间的噪声。电源掩护设备可以或许或许削减共模噪声却不能削减体系间地线噪声。
      
      图11简略地示出了一个抱负的互联设备流程图。图中统统互联设备的地线共一个地,员这些设备有一个相同的参考电压。地线中没有电流流过,并不受电磁埸的*。如许地线上就不会压降,统统点的地压值都一样,因而地线体系上就不存在体的部地线噪声。
      
      图12表明互联发生了体系间地线噪声。图中标示出变更的地线噪声电压,它引起了两互联设备数据线中的地线电流。这个恼人的地线噪声是因为其它设备的噪声电流(当然这里指由无源滤波器导入的工频机UPS输入谐波电流)流入了地线体系而形成的。
      
      后果是,该噪声电流发生了噪声电压,使各互联设备的参考电压不同等,会使数据的传输受影响。
      
      如果互联设备公共电参考点间发生压差到达某一数据线平安电压阀值,就可能形成设备接口和CPU主板的损坏,还会使数据电缆线发热。
      
      5 对付场需要
      
      必要提醒的概念(十四)看场需要时,重要看场走向
      
      传统工频机UPS占据场已经50年,20年前高频机推向场时,场占领率是从0开端的,睁开到本日,在数据中央领域,高频机场占领率已经上升到超过80%。
      
      6 结束语
      
     ①衡量一种技术和一个产品优劣的两个方面
      
      第一、产品技术自己的先辈性和产品机能优势(目标,勤俭用铜);
      
      第二、针对特定客户的场需要,没有最佳的产品,只要更优的计划。
      
     、高频机UPS的机能全面高于工频机UPS
      
     ③现代数据中央的连续性(刚性)请求,使工频机不再适用现代数据中央
      
      参考文献
      
      [1] 陈冀生、张广明““高频机”将成为现代数据中央UPS设备的首选机型”UPS应用?2013年7月
      
      [2] 张广明“数据中央基础举措措施计划设计中的若干成就”经济出版社2015年
      
      作者简介
      
      肖斌,男,1974年9月生,上海市人。高级工程师。多年从事数据中央产品谐、效劳与应用技术支撑,具有丰富的产品场运作工作经验,目前专一于数据中央全体解决计划的设计、计划与打造。曾介入东航、远望7号、*网等多项大型数据中央产品项目标招投标和设计打造工作。介入、编著《高频机型UPS技术及应用》、对机房供配电体系计划设计与运维》等多本专业书籍。
      
      现任中国电源工业协会专家工作委员会委员,中国电子节能技术协会电能体系分会常务理事,中国电机一体化技术应用协会电能体系分会副秘书长。
      
      邢建胜,2001年毕业于西安交通大学电气工程学院,现成都山海晶科技有限公司总司理。自2001年期,已经前后在华为电气、艾默生、伊顿电源(上海)有限公司、施耐德信息技术(上海)有限公司,从事UPS不间断电源、机房空调等电能品格、电压暂降治理、IDC数据中央基础举措措施方面出售、技术、工程、应用方面的工作。
      
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