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工頻機(jī)技術(shù)與性能之爭中的若干概念問題
1 去掉輸出變壓器是UPS電路技術(shù)的進(jìn)步
UPS技術(shù)和產(chǎn)品產(chǎn)生于60年前,60年來,隨著功率半導(dǎo)體器件和電力電子技術(shù)的進(jìn)步,UPS設(shè)備經(jīng)歷了由帶多個輸出工頻變壓器到單個輸出工頻變壓器再到去掉輸出變壓器的演變過程,如圖1所示。
性能更好的大功率IGBT器件和更*的控制技術(shù)的出現(xiàn),為UPS設(shè)備從根本去掉輸出隔離變壓器創(chuàng)造了物質(zhì)條件,使其在高頻化、小型化、節(jié)能化和綠色環(huán)?；矫嫒〉昧碎L足的進(jìn)展,這就是人們所說的“高頻機(jī)”。這種機(jī)型集中體現(xiàn)了UPS電路技術(shù)的進(jìn)步,代表著UPS技術(shù)的發(fā)展方向。
高頻機(jī)UPS的性能優(yōu)勢可概括為以下五個方面:
?、俑咻斎牍β室驍?shù),低輸入電流失真度,輸入功率因數(shù)高達(dá)99%,輸入諧波含量小于3%;
②工作效率提高3%,可達(dá)到95%;
?、壑亓枯p、體積小,功率密度(kW/m2)比工頻機(jī)提高40%左右;占地面積(m2)比工頻機(jī)減少25%左右,重量比工頻機(jī)減少50%～80%；
?、艹杀镜?整機(jī)去掉輸出隔離變壓器、輸入12脈沖移相變壓器、5次或11次無源濾波器;
?、輰﹄娦阅苤笜?biāo)的改進(jìn),輸入電壓范圍更寬,三相負(fù)載不平衡的適應(yīng)能力強(qiáng),輸出動態(tài)性能好。
2 工頻機(jī)UPS輸出變壓器的功能
了解傳統(tǒng)UPS輸出隔離變壓器的功能是非常重要的,因為只有當(dāng)用電路措施能夠*實現(xiàn)它的功能時,才有可能在新一代設(shè)備中替代并取消它。
應(yīng)該說,這個變壓器是工頻機(jī)全橋逆變器不可分離的構(gòu)成部分。
要提示的概念(一)輸出變壓器的功能:升壓和產(chǎn)生三相四線輸出的零線。
(1)輸出變壓器的功能之一是為單相負(fù)載/三相負(fù)載提供所需的零線
帶輸出變壓器的UPS的DC/AC逆變器通常是由全橋電路組成,如圖2所示。輸出端必須加變壓器,否則就完不成輸出單相或三相四線交流電壓的功能。所以此變壓器應(yīng)視為產(chǎn)生輸出零線的變壓器。
(2)輸出變壓器的功能之二是對輸出電壓的匹配作用
傳統(tǒng)大中型UPS主回路結(jié)構(gòu)采用可控硅整流將輸入的交流電整流為直流電,電池直接(或經(jīng)過DC/DC變換)掛在直流母線上。當(dāng)輸入市電正常時,靠可控硅整流電路的調(diào)節(jié)為橋式逆變器供電。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以看出,從整流輸入到逆變輸出的過程中,每個環(huán)節(jié)都是降壓環(huán)節(jié):可控硅整流要“斬掉”一部分輸入電壓,其輸出電壓恒定的代價是輸出電壓恒定在低于全波整流輸出電壓的某個數(shù)值上。而逆變環(huán)節(jié)同樣是一個降壓環(huán)節(jié),逆變器采用脈寬調(diào)制(PWM)方法逆變出正弦交流電,其結(jié)果同樣是輸出電壓等級的再次降低。正是由于上述的原因,在此種結(jié)構(gòu)的UPS逆變器中,輸出變壓器起著電壓匹配和提升的作用,將逆變器輸出的電壓升到合理的范圍。工頻機(jī)輸出變壓器設(shè)計參數(shù)如圖3所示。
根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]的分析,輸出變壓器的實際升壓比應(yīng)該是1∶1.8左右。
需要糾正的概念(二)在系統(tǒng)中,工頻機(jī)UPS輸出變壓器沒有隔離功能
在UPS供電系統(tǒng)中,UPS設(shè)備的一個至關(guān)重要的功能是當(dāng)輸出過載或者UPS逆變器故障時,自動轉(zhuǎn)靜態(tài)旁路供電。另外,在系統(tǒng)中還設(shè)置了維護(hù)旁路,當(dāng)UPS需要維護(hù)時可手動轉(zhuǎn)維護(hù)旁路向負(fù)載供電。執(zhí)行這兩個操作時,都是由旁路輸入三相四線電壓直接向負(fù)載供電,所以系統(tǒng)的零線要與負(fù)載端的零線必須短接在一起。這就決定了帶輸出變壓器的UPS的變壓器次級新產(chǎn)生的零線也必須連接到輸入電源系統(tǒng)的零線上,如圖4所示。也就是說,UPS機(jī)內(nèi)的變壓器沒有系統(tǒng)隔離的功能。
如果一定賦予輸出變壓器具備系統(tǒng)隔離功能,就需要把變壓器輸出零線(也是UPS三線輸出零線)直接接系統(tǒng)地,如圖5所示。其后果是,系統(tǒng)正常工作時,單相IT負(fù)載工作電流通過系統(tǒng)零線到系統(tǒng)接地極,然后通過系統(tǒng)地線回到輸出變壓器零線,結(jié)果是地線中有100%的工作電流流過,系統(tǒng)地電位浮動,造成的地線壓差比零線二次接地(零線地線并聯(lián))還要大4倍(零線地線串聯(lián)),嚴(yán)重影響IT系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。
實際上,工頻機(jī)UPS廠商的服務(wù)工程師也深諳此中道理,他們在實際安裝時毫無例外地都是把輸出變壓器(UPS逆變端變壓器)的零線接在系統(tǒng)零線上,所以“工頻機(jī)UPS輸出隔離變壓器有隔離作用”這一概念純屬捏造。
需要糾正的概念(三)工頻機(jī)UPS輸出變壓器在系統(tǒng)中沒有抗*功能
由于變壓器的阻抗有一定的感性成分,因而說這個變壓器具有一定的抗*作用是可以理解的。但是逆變器輸出變壓器卻不是為抗*而設(shè)置的,它的抗*能力也是有限的。
并不是隔離變壓器就能抗*,普通線性隔離變壓器的抗*能力是有限的。首先,對于輸入電壓中存在的低頻*和電壓畸變,變壓器不可能也不允許“抗*”,否則通過變壓器傳輸?shù)碾妷翰ㄐ尉蜁д?而對由地線環(huán)路帶來的設(shè)備間的相互高頻*有一定的抑制作用,但因繞組間存在的分布電容,使它對共模*的抑制效果隨*頻率的升高而下降。再者,變壓器是靠磁耦合實現(xiàn)原邊和副邊的電壓變換的,因而它也不具備抗差模*的功能。在1kHz～100MHz的*頻率范圍內(nèi),普通線性隔離變壓器對共模和差模*的衰減能力都微乎其微。對普通隔離變壓器的共模抑制能力的分析表明,要提高對共模*的抑制能力,關(guān)鍵是減小變壓器繞組的匝間耦合電容,為此需要在變壓器初、次級間加設(shè)屏蔽層,而這正是所謂的“超級隔離變壓器”,如圖6和圖7所示。
圖6中,C1為初級繞阻與屏蔽層之間的分布電容,C2為次級繞阻與屏蔽層之間的分布電容,Z1為屏蔽層接地阻抗,Z2為負(fù)載的對地阻抗,E1為初級*(共模型)電壓,E2為E1通過耦合傳導(dǎo)到次級的*(共模型)電壓。如果C1和C2的阻抗遠(yuǎn)大于屏蔽層接地阻抗,則偶合傳導(dǎo)到次級的*電壓E2就會遠(yuǎn)小于E1。
超級屏蔽隔離變壓器有3屏蔽層,靠近初級繞阻的屏蔽層連接在初級中性線上,可以濾掉初級出現(xiàn)的高頻差模*。而對50Hz的工頻電壓則不產(chǎn)生任何影響,靠近次級繞阻的屏蔽層連接在次級中性線上,可以濾掉次級出現(xiàn)的高頻差模*。中間屏蔽層則與變壓器外殼連在一起,再接大地,主要用來濾掉共模*。
需要糾正的概念(四)工頻機(jī)UPS輸出變壓器不具備也不允許有耐負(fù)載電流沖擊的能力
一種說法是,工頻機(jī)UPS輸出變壓器有抗負(fù)載電流沖擊的能力。我們姑且不說一個線性變壓器具有抗負(fù)載沖擊能力是否有理論根據(jù)和實驗數(shù)據(jù),而僅就UPS輸出變壓器供電的負(fù)載性質(zhì)而言,也不允許它具備這種能力。UPS輸出變壓器是直接對IT設(shè)備供電的,IT負(fù)載的沖擊有兩種,一是設(shè)備開機(jī)時的啟動電流,二是系統(tǒng)正常運(yùn)行時設(shè)備投入運(yùn)行的動態(tài)電流。特別是正常運(yùn)行時設(shè)備投入運(yùn)行的動態(tài)變化電流,是不允許“抗”和“抑制”的,如果IT設(shè)備投入運(yùn)行時,輸入電流有40%的突然增加,為其供電的電源UPS就必須瞬間給出,否則就會影響IT設(shè)備的正常運(yùn)行。
變壓器并不儲備能量,負(fù)載的任何沖擊都會傳遞到逆變器主電路,UPS輸出可緩解負(fù)載電流沖擊對逆變電路影響的器件是可儲能并可瞬間給出變化電流的電容,而非輸出變壓器。
3 輸入無源濾波器嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)中心備用油機(jī)的啟動和運(yùn)行
現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心對供電系統(tǒng)的基本要求是供電的連續(xù)性,而要保證連續(xù)供電,就必須配備可連續(xù)運(yùn)行的備用柴油發(fā)電機(jī)。如果數(shù)據(jù)中心配置了工頻機(jī)UPS,市電掉電后,會經(jīng)常發(fā)生柴油發(fā)電機(jī)啟動后投入運(yùn)行失敗的問題。根本原因在于,柴油發(fā)電機(jī)帶容性負(fù)載的能力很差,而工頻機(jī)UPS輸入無源濾波器在市電掉電后表現(xiàn)出*的容性特性。
要強(qiáng)調(diào)的概念(五)容性負(fù)載對發(fā)電機(jī)運(yùn)行的不利影響
在數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)中,柴油發(fā)電機(jī)是否能正常運(yùn)行,主要取決于其輸出阻抗是否與負(fù)載匹配。
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)器檢測三相輸出電壓,以其平均值與設(shè)定的電壓值相比較。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)子的磁場激勵線圈。線圈電流上升或下降,控制發(fā)電機(jī)定子線圈的磁場(或稱為電動勢EMF)的大小。
圖8所示為發(fā)電機(jī)輸出等效電路,圖8(a)為帶純感性負(fù)載的簡化示意圖。圖8(b)為帶純?nèi)菪载?fù)載的簡化示意圖。
在圖8(a)中:
-電動勢;
-發(fā)電機(jī)內(nèi)阻,包括感性和阻性成分;
感性負(fù)載電流;
-發(fā)動機(jī)輸出電壓。
內(nèi)阻包括感性和阻性部分。因為假設(shè)負(fù)載是純感性的,在相量圖中電流
滯后電壓
正好90°電相位角。如果負(fù)載是純阻性的,和的矢量圖曲線將重合(或同相)。實際上多數(shù)負(fù)載介于阻性和感性之間。
電流通過定子線圈引起的電壓降用電壓矢量×表示。它實際上是與同相的電阻壓降和超前90°的電感壓降的矢量和,因為電動勢必須等于發(fā)電機(jī)內(nèi)阻的電壓降和輸出電壓之和,則
電壓調(diào)節(jié)器改變,可以有效地控制輸出電壓。
圖8(b)中,用純?nèi)菪载?fù)載代替純感性負(fù)載,在這種情況下,輸出電流方向正好和感性負(fù)載時的相反。電流超前電壓正好90°的相位角,內(nèi)阻電壓降矢量×的方向也相反。則和×的矢量和
。
對于與感性負(fù)載時相同的電動勢,在容性負(fù)載時就產(chǎn)生了較高的發(fā)電機(jī)輸出電壓,所以電壓調(diào)節(jié)器必須明顯地減小定子線圈的磁場。因為發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子含有一個性磁場,該性磁場將在一個方向連續(xù)勵磁,即使電壓調(diào)節(jié)器*關(guān)閉,轉(zhuǎn)子性磁場連續(xù)勵磁產(chǎn)生的電動勢仍足以對電容負(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(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”)。
討論了油機(jī)的輸出特性后,再看看UPS在市電掉電后的工作狀態(tài),如圖9所示。
此時UPS的工作狀態(tài)是:市電掉電后,電池通過DC/AC逆變向負(fù)載供電,輸入端AC/DC控制關(guān)斷,UPS輸入斷路器并未關(guān)斷,此時油機(jī)啟動正常后經(jīng)ATS轉(zhuǎn)換面對的負(fù)載是UPS無源濾波器。待油機(jī)啟動切換成功后,UPS檢測到輸入電壓正常后才轉(zhuǎn)到市電供電狀態(tài)。