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发电机组与艾默生UPS电源之间的协调问题

发布时间:2020-05-22 阅读:22343

近年来,大型数据中心的快速增长将应用于越来越多的大功率艾默生UPS电源。 由于艾默生UPS电源使用的艾默生电池数量较大,大功率艾默生UPS电源的延迟时间基本上为15-30分钟,因此您需要匹配发电机组以为设备提供连续的电源 。 基于上述原因,有必要面对大功率艾默生UPS电源官方网站和发电机组的匹配和兼容性问题。 以下是一些个人建议,供电源行业参考:
 
  1发电机组与艾默生UPS电源售后之间的协调问题
 
  不间断电源系统的制造商和用户很早就注意到发电机组和艾默生UPS电源之间的协调问题,尤其是电源系统中整流器(例如发电机组的稳压器,艾默生UPS)产生的电流谐波 电源同步电路造成的不利影响非常明显。 因此,艾默生UPS电源系统工程师设计了输入滤波器,并将其应用于艾默生UPS电源,从而成功控制了艾默生UPS应用中的电流谐波。 这些滤波器在艾默生的UPS电源和发电机组的兼容性中起着关键作用。
 
  实际上,所有输入滤波器都使用电容器和电感器来吸收艾默生UPS电源输入端更具破坏性的电流谐波。 输入滤波器的设计考虑了艾默生UPS电源电路和满载条件下固有的更大可能总谐波失真百分比。 大多数滤波器的另一个好处是可以改善板载艾默生UPS电源的输入功率因数。 但是,使用输入滤波器的另一个结果是降低了艾默生售后UPS电源的整体效率。 大多数滤波器消耗的功率约为艾默生UPS电源的1%。 输入滤波器的设计一直在有利因素和不利因素之间寻求平衡。
 
  为了尽可能提高艾默生UPS电源系统的效率,艾默生UPS电源工程师最近对输入滤波器的功耗进行了改进。 滤波器效率的提高很大程度上取决于IGBT(绝缘栅晶体管)技术在艾默生UPS电源设计中的应用。  IGBT逆变器的高效率导致对艾默生UPS电源的重新设计。 输入滤波器可以吸收某些电流谐波,同时吸收一小部分有功功率。 简而言之,减少了滤波器中电感因素与电容因素的比率,减小了艾默生UPS电源的尺寸,并提高了效率。 艾默生的UPS电源领域似乎已经解决,但是新的问题是艾默生的UPS电源和发电机的兼容性已经出现,取代了原来的问题。

2功率因数问题
 
  通常,人们会注意Emerson UPS电源在满负载或接近满负载时的工作状态。 大多数工程师可以描述艾默生UPS电源在满负载下的运行特性,尤其是输入滤波器的特性。 但是,很少有人对空载或接近空载时的过滤器状态感兴趣。 毕竟,在轻负载下,艾默生的UPS电源及其电气系统的电流谐波影响很小。 但是,艾默生UPS电源官方网站的空载运行参数,特别是输入功率因数,对于艾默生UPS和发电机的兼容性非常重要。
 
  新设计的输入滤波器在降低电流谐波和提高满载功率因数方面具有更好的效果。 但是,在空载或很小的负载条件下,会得出带有电容引线的非常低的功率因数,尤其是那些滤波器,以满足5%的更大电流失真。 通常,当负载小于25%时,大多数艾默生UPS电源系统的输入滤波器将导致功率因数大大降低。 尽管如此,输入功率因数很少会低于30%,并且一些新系统甚至达到了低于2%的空载功率因数,接近理想的电容负载。
 
  这种情况不会影响艾默生的UPS电源输出和关键负载,也不会影响电源变压器以及输配电系统。 但是生成器是不同的。 经验丰富的发电机工程师知道,在较大的电容负载下,发电机将无法正常工作。 连接较低功率因数的负载时,典型容量小于15%至20%。 由于系统调整不当,可能会关闭发电机。 市电停电后会发生这种关机。 紧急发电机系统驱动艾默生的UPS电源系统负载将导致灾难性事故。 停机会对关键负载造成危险,其原因有两个:首先,需要手动重启发电机,并且必须在艾默生UPS动力电池放电之前进行; 其次,发电机可能会在关机前造成系统中的“过电压”,可能损坏电话设备,火灾报警系统,监控网络甚至艾默生UPS电源模块。 更糟的是,事故发生后,很难区分责任,识别问题并加以纠正。 艾默生UPS电源制造商表示,艾默生UPS电源系统测试是完整的,并指出在其他地方的同一设备中也未发生类似问题。 发电机制造商表示这是一个负载问题,无法调整发电机以解决该问题。 同时,用户工程师解释了他的规格,希望两家制造商能够相互兼容。 要了解发生事故的原因以及如何避免发生事故(或如何在关键应用中找到解决方案),您首先需要了解发电机与负载之间的工作关系。

2.1发电机和负载
 
  发电机依靠电压调节器来控制输出电压。 稳压器检测三相输出电压,并将其平均值与所需的电压值进行比较。 调节器从发电机内部的辅助电源(通常是与主发电机同轴的小型发电机)获取能量,并将直流电传输到发电机转子的磁场励磁线圈。 线圈电流上升或下降,控制发电机定子线圈的旋转磁场或电动势EMF的大小。 定子线圈的磁通量决定了发电机的输出电压。
 
  发电机定子线圈的内阻用Z表示,包括电感部分和电阻部分; 由转子励磁线圈控制的发电机电动势由交流电压源表示为E。 假设负载是纯电感性的,则在矢量图中,电流I滞后于电压U恰好为90°电相位角。 如果负载是纯电阻性的,则U和I的矢量将重合或同相。 实际上,大多数负载在纯电阻和纯电感之间。 由流经定子线圈的电流引起的电压降由电压矢量I×Z表示。它实际上是两个较小的电压矢量的和,电阻电压降与I同相,电感电压降90°。 在此示例中,它恰好与U同相。因为电动势必须等于发电机内部电阻的电压降与输出电压之和,即向量E =  U和I×Z。改变E的电压调节器可以有效地控制电压U。
 
  现在考虑当使用纯容性负载而不是纯感性负载时,发电机内部条件会如何变化。 此时的电流与感性负载相反。 现在,电流I超前于电压矢量U,内部电阻压降矢量I×Z也正好相反。 然后,U和I×Z的向量之和小于U。

由于与感性负载相同的电动势E在容性负载下产生较高的发电机输出电压U,因此电压调节器必须显着减小旋转磁场。 实际上,电压调节器可能没有足够的范围来完全调节输出电压。 所有发电机转子在一个方向上的连续励磁包含一个磁场。 即使电压调节器完全关闭,转子仍具有足够的磁场来为电容性负载充电并产生电压。 这种现象称为“自激”。 自励的结果是过电压或稳压器的关闭,发电机的监视系统被认为是稳压器的故障(即“去励磁”)。 无论哪种情况,发电机都将关闭。 取决于自动开关柜的时间和设置,连接到发电机输出的负载可以是独立的或并联的。 在某些应用中,艾默生UPS电源系统是停电期间连接到发电机的个负载。 在其他情况下,艾默生UPS电源和机械负载同时连接。 机械负载通常具有启动接触器,并且在停电后需要一定时间才能重新闭合。 必须有一个延时来补偿艾默生UPS电源输入滤波电容器的感应电动机负载。 艾默生的UPS电源本身称为“软启动”循环,持续一段时间,将负载从电池转到发电机,以增加其输入功率因数。 但是,艾默生UPS电源的输入滤波器不参与软启动过程。 它们作为艾默生UPS电源的一部分连接到艾默生UPS电源的输入端。 因此,在某些情况下,发电机输出的主输出是主输出。负载是艾默生UPS电源的输入滤波器。 它们是高电容性的(有时是纯电容性的)。
 
  解决此问题的方法显然是使用功率因数校正。 有许多方法可以实现此目的,大致如下:
 
  安装自动开关柜,以便在连接艾默生UPS电源之前连接电动机负载。 某些开关柜可能未实现此方法。 此外,在维护期间,工厂工程师可能需要分别调试艾默生UPS和发电机。
 
  添加一个性电抗器来补偿电容性负载,通常使用并联绕组电抗器,连接到E-G或发电机输出并联板上。 这很容易实现,并且成本较低。 但是无论在高负载还是低负载的条件下,电抗器总是吸收电流并影响负载功率因数。 而且,无论艾默生UPS电源数量多少,电抗器的数量始终是固定的。

在每个艾默生UPS电源中添加一个电感电抗器,只是为了补偿艾默生UPS电源的容抗。 接触器(选件)在低负载下控制电抗器的输入。 这种电抗器方法较为准确,但数量众多,安装控制成本高。
 
  在滤波电容器前面安装一个接触器,并在低负载时将其断开。 由于接触器的时间必须且控制相对复杂,因此只能在工厂安装。
 
  哪种方法更好,取决于现场情况和设备性能。
 
  2.2共振问题
 
  电容性自激问题可能会因其他电气条件(例如串联谐振)而加剧或掩盖。 当发电机的电感电抗的欧姆值与输入滤波器的电容电抗的欧姆值彼此接近,并且系统的电阻值小时,会发生振荡,电压可能会超过额定值 电力系统。 新设计的艾默生UPS电源系统本质上是100%的电容输入阻抗。  500kVA艾默生UPS电源可能具有150kvar的电容和接近零的功率因数。 并联电感器,串联扼流圈和输入隔离变压器是艾默生UPS电源官方网站的常见组件。 这些组件都是电感性的。 实际上,与滤波器的电容一起,艾默生UPS电源通常是电容性的,艾默生UPS电源内部可能已经存在一些振荡。 加上连接到艾默生UPS电源的传输线的电容特性,整个系统的复杂性大大增加,这超出了普通工程师的分析范围。

最近有两个其他因素使这些问题在关键应用程序中更加普遍。 首先,根据用户对高可靠性数据处理的要求,艾默生电池为计算机设备制造商提供了更多冗余电源输入设备。 当今典型的计算机机柜配备有两条或多条电源线。 其次,设备管理员要求系统支持在线维护。 他们希望在关闭艾默生UPS电源进行维护时,可以保护关键负载。 这两个因素增加了典型数据中心中安装的Emerson UPS电源的数量,并降低了每个Emerson UPS电源的负载能力。 但是发电机的增加跟不上艾默生的UPS电源。 在设备管理员看来,发电机通常是备用的,易于维护。 另外,在一些大型项目中,资金压力限制了昂贵的大功率发电机组的数量。 结果是,每台发电机都承载更多的艾默生UPS电源,这一趋势使艾默生UPS电源制造商对发电机制造商感到满意。
 
  防止自激和振荡的更佳方法是物理学的基本知识。 工程师应仔细确定在所有负载条件下艾默生UPS电源系统的功率因数特性。 安装艾默生UPS电源设备后,业主应坚持进行全面的测试,并在调整测试时仔细测量整个系统的运行参数。 发现问题时,更好的解决方案是建立一个由制造商,工程师,承包商和业主组成的项目团队,以全面测试系统并找到解决方案。

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