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UPS高频机与工频机技术与性能之争中的若干概念问题

2018-8-9 23:18:47点击:
UPS设备IGBT整流技术的成熟和无输出变压器产品(高频机)推向市场,已经历了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,始终存在着技术和性能的概念之争。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,及其产生和存在的原因。为有力地推动性能更优越的高频机UPS在数据中心中的推广和应用,认真地分析并对错误概念做科学的探讨是非常必要的。

1 去掉输出变压器是UPS电路技术的进步
  
  UPS技术和产品产生于60年前,60年来,随着功率半导体器件和电力电子技术的进步,UPS设备经历了由带多个输出工频变压器到单个输出工频变压器再到去掉输出变压器的演变过程,如图1所示。
  
  性能更好的大功率IGBT器件和更先进的控制技术的出现,为UPS设备从根本去掉输出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了长足的进展,这就是人们所说的“高频机”。这种机型集中体现了UPS电路技术的进步,代表着UPS技术的发展方向。
  
  高频机UPS的性能优势可概括为以下五个方面:
  
  ①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%;
  
  ②工作效率提高3%,可达到95%;
  
  ③重量轻、体积小,功率密度(kW/m2)比工频机提高40%左右;占地面积(m2)比工频机减少25%左右,重量比工频机减少50%~80%;
  
  ④成本低,整机去掉输出隔离变压器、输入12脉冲移相变压器、5次或11次无源滤波器;
  
  ⑤对电性能指标的改进,输入电压范围更宽,三相负载不平衡的适应能力强,输出动态性能好。
  
  2 工频机UPS输出变压器的功能
  
  了解传统UPS输出隔离变压器的功能是非常重要的,因为只有当用电路措施能够完全实现它的功能时,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可分离的构成部分。
  
  要提示的概念(一)输出变压器的功能:升压和产生三相四线输出的零线。
  
  (1)输出变压器的功能之一是为单相负载/三相负载提供所需的零线
  
  带输出变压器的UPS的DC/AC逆变器通常是由全桥电路组成,如图2所示。输出端必须加变压器,否则就完不成输出单相或三相四线交流电压的功能。所以此变压器应视为产生输出零线的变压器。
  
  (2)输出变压器的功能之二是对输出电压的匹配作用
  
  传统大中型UPS主回路结构采用可控硅整流将输入的交流电整流为直流电,电池直接(或经过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。从系统结构可以看出,从整流输入到逆变输出的过程中,每个环节都是降压环节:可控硅整流要“斩掉”一部分输入电压,其输出电压恒定的代价是输出电压恒定在低于全波整流输出电压的某个数值上。而逆变环节同样是一个降压环节,逆变器采用脉宽调制(PWM)方法逆变出正弦交流电,其结果同样是输出电压等级的再次降低。正是由于上述的原因,在此种结构的UPS逆变器中,输出变压器起着电压匹配和提升的作用,将逆变器输出的电压升到合理的范围。工频机输出变压器设计参数如图3所示。
  
  根据参考文献[1]的分析,输出变压器的实际升压比应该是1∶1.8左右。
  
  需要纠正的概念(二)在系统中,工频机UPS输出变压器没有隔离功能
  
  在UPS供电系统中,UPS设备的一个至关重要的功能是当输出过载或者UPS逆变器故障时,自动转静态旁路供电。另外,在系统中还设置了维护旁路,当UPS需要维护时可手动转维护旁路向负载供电。执行这两个操作时,都是由旁路输入三相四线电压直接向负载供电,所以系统的零线要与负载端的零线必须短接在一起。这就决定了带输出变压器的UPS的变压器次级新产生的零线也必须连接到输入电源系统的零线上,如图4所示。也就是说,UPS机内的变压器没有系统隔离的功能。
  
  如果一定赋予输出变压器具备系统隔离功能,就需要把变压器输出零线(也是UPS三线输出零线)直接接系统地,如图5所示。其后果是,系统正常工作时,单相IT负载工作电流通过系统零线到系统接地极,然后通过系统地线回到输出变压器零线,结果是地线中有100%的工作电流流过,系统地电位浮动,造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系统运行的稳定性和安全性。
  
  实际上,工频机UPS厂商的服务工程师也深谙此中道理,他们在实际安装时毫无例外地都是把输出变压器(UPS逆变端变压器)的零线接在系统零线上,所以“工频机UPS输出隔离变压器有隔离作用”这一概念纯属捏造。
  
  需要纠正的概念(三)工频机UPS输出变压器在系统中没有抗*功能
  
  由于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*作用是可以理解的。但是逆变器输出变压器却不是为抗*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*,普通线性隔离变压器的抗*能力是有限的。首先,对于输入电压中存在的低频*和电压畸变,变压器不可能也不允许“抗*”,否则通过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相互高频*有一定的抑制作用,但因绕组间存在的分布电容,使它对共模*的抑制效果随*频率的升高而下降。再者,变压器是靠磁耦合实现原边和副边的电压变换的,因而它也不具备抗差模*的功能。在1kHz~100MHz的*频率范围内,普通线性隔离变压器对共模和差模*的衰减能力都微乎其微。对普通隔离变压器的共模抑制能力的分析表明,要提高对共模*的抑制能力,关键是减小变压器绕组的匝间耦合电容,为此需要在变压器初、次级间加设屏蔽层,而这正是所谓的“超级隔离变压器”,如图6和图7所示。
  


  图6中,C1为初级绕阻与屏蔽层之间的分布电容,C2为次级绕阻与屏蔽层之间的分布电容,Z1为屏蔽层接地阻抗,Z2为负载的对地阻抗,E1为初级*(共模型)电压,E2为E1通过耦合传导到次级的*(共模型)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。
  
  超级屏蔽隔离变压器有3屏蔽层,靠近初级绕阻的屏蔽层连接在初级中性线上,可以滤掉初级出现的高频差模*。而对50Hz的工频电压则不产生任何影响,靠近次级绕阻的屏蔽层连接在次级中性线上,可以滤掉次级出现的高频差模*。中间屏蔽层则与变压器外壳连在一起,再接大地,主要用来滤掉共模*。
  
  需要纠正的概念(四)工频机UPS输出变压器不具备也不允许有耐负载电流冲击的能力
  
  一种说法是,工频机UPS输出变压器有抗负载电流冲击的能力。我们姑且不说一个线性变压器具有抗负载冲击能力是否有理论根据和实验数据,而仅就UPS输出变压器供电的负载性质而言,也不允许它具备这种能力。UPS输出变压器是直接对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,二是系统正常运行时设备投入运行的动态电流。特别是正常运行时设备投入运行的动态变化电流,是绝对不允许“抗”和“抑制”的,如果IT设备投入运行时,输入电流有40%的突然增加,为其供电的电源UPS就必须瞬间给出,否则就会影响IT设备的正常运行。
  
  变压器并不储备能量,负载的任何冲击都会传递到逆变器主电路,UPS输出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化电流的电容,而非输出变压器。
  
  3 输入无源滤波器严重影响数据中心备用油机的启动和运行
  
  现代数据中心对供电系统的基本要求是供电的连续性,而要保证连续供电,就必须配备可连续运行的备用柴油发电机。如果数据中心配置了工频机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问题。根本原因在于,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现出极强的容性特性。
  
  要强调的概念(五)容性负载对发电机运行的不利影响
  
  在数据中心供电系统中,柴油发电机是否能正常运行,主要取决于其输出阻抗是否与负载匹配。
  
  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,以其平均值与设定的电压值相比较。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磁场(或称为电动势EMF)的大小。
  
  图8所示为发电机输出等效电路,图8(a)为带纯感性负载的简化示意图。图8(b)为带纯容性负载的简化示意图。
  
  在图8(a)中:-电动势;-发电机内阻,包括感性和阻性成分;感性负载电流;-发动机输出电压。
  
  内阻包括感性和阻性部分。因为假设负载是纯感性的,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,的矢量图曲线将重合(或同相)。实际上多数负载介于阻性和感性之间。
  
  电流通过定子线圈引起的电压降用电压矢量×表示。它实际上是与同相的电阻压降和超前90°的电感压降的矢量和,因为电动势必须等于发电机内阻的电压降和输出电压之和,则电压调节器改变,可以有效地控制输出电压
  
  图8(b)中,用纯容性负载代替纯感性负载,在这种情况下,输出电流方向正好和感性负载时的相反。电流超前电压正好90°的相位角,内阻电压降矢量×的方向也相反。则×的矢量和
  
  对于与感性负载时相同的电动势,在容性负载时就产生了较高的发电机输出电压,所以电压调节器必须明显地减小定子线圈的磁场。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方向连续励磁,即使电压调节器完全关闭,转子永久性磁场连续励磁产生的电动势仍足以对电容负载充电并产生电压,这种现象称为“自激”。自激的结果是过压或者是电压调节器关机,发电机的监控系统则认为是电压调节器故障(即“失励”)。
  
  讨论了油机的输出特性后,再看看UPS在市电掉电后的工作状态,如图9所示。
  
  此时UPS的工作状态是:市电掉电后,电池通过DC/AC逆变向负载供电,输入端AC/DC控制关断,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。待油机启动切换成功后,UPS检测到输入电压正常后才转到市电供电状态。
  
  要提示的概念(六)油机启动后切换时面临的是空载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输入可以缓启动,这样可减轻对油机启动加载的压力,显然这种情况是不存在的。
  
  要纠正的概念(八)UPS启动切换是否成功与UPS的输入功率因数和谐波含量无关
  
  一种说法是,工频机输入功率因数完全符合标准要求,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产生影响。这种说法是没有意义的,实际情况是,此时UPS主机输入不产生任何谐波,油机启动和切换与UPS输入功率因数和谐波没有任何关系。
  
  要明确的概念(九)在UPS输入空载情况下,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随着输出负载的减小而变差,当负载为零时,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,将面临纯容性负载切换。
  
  要明确的概念(十)
  
  在UPS1+1冗余系统中,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冗余系统中,或2N供电系统中,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+)系统,对油机启动切换的压力越大。
  
  需要提示的概念(十一)
  
  为了保证数据中心备用柴油发电机能够正常启动切换,当配置工频机UPS时,就需要大幅度增大油机容量。这里涉及到高频机与工频机对油机容量配置的影响。
  
  表1和表2分别列出的是油机只带UPS系统和油机为整个数据中心供电时,针对工频机和高频机两种情况的油机容量与负载容量配置的比较。
  
  

从表中数据可以看出,由于高频机输入功率因数高,不需要配置无源滤波器,当系统需要配置柴油发电机时,发电机容量与负载的容量比,只为UPS供电为1.3倍,为整个数据中心供电为大于或等于系统总用电量,特别是,这个配比与UPS是否冗余无关。
  
  当配置工频机UPS时,需要的油机容量显然大很多,只为UPS供电为2~4倍,为整个数据中心供电为大于或等于1.5~2倍系统总用电量,特别需要强调的是,油机容量与UPS是否冗余有直接关系,在UPS冗余配置时,只为UPS供电为3~5倍,为整个数据中心供电为大于或等于2倍系统总用电量。
  
  当柴油发电机为由工频机UPS供电的数据中心供电时,油机容量要大幅增加,即便如此,市电掉电时油机是否能正常启动,仍是一个不确定的因素。
  
  4 工频机UPS输入无源滤波器严重的污染地线系统
  
  要提示的概念(十二)无源滤波器把工频机主机产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符合相关标准来衡量,只要符合标准,就认为没有问题,但是,从来没有人关心UPS主机产生的谐波滤到哪里去了?图10揭示了这个隐秘。
  
  UPS输入的电能质量标准是为电网定的,室外环境保护要求住户不能把垃圾倒在门外,那么就只好在自家处理了。无源滤波器把工频机UPS自己产生的谐波绝大都分都导入到系统地线中了,于是在地线中就存在周期性的常态电流。地线也是要传输电流的,当地线中存在工频UPS配置的无源滤波器导入的谐波电流时,地线也会出现同样波形的地电位变化,且这种变化是周期性的、常规的,波动幅度与地线阻抗和负载大小(滤波效果不同)有关,在一个由多台工频机UPS供电的大系统中,就会出现局部地电位的差别,也就是说,整个系统无法保证地线等电位。
  
  需要提示的概念(十三)系统地电位差是造成IT系统设备运行不稳定主要原因之一
  
  在数据中心IT系统中,通过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:一根连接设备的数据线,另一根连接设备的安全接地线。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产生压差,会对硬件造成损坏。实际上,系统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。
  
  而系统间地线噪声指的是互联设备机地线之间的噪声。电源保护设备可以减少共模噪声却不能减少系统间地线噪声。
  
  图11简单地示出了一个理想的互联设备流程图。图中所有互联设备的地线共一个地,以便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*。这样地线上就不会有压降,所有点的地压值都一样,因而地线系统上就不存在系统内部地线噪声。
  
  图12表明互联产生了系统间地线噪声。图中标示出变化的地线噪声电压,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由于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)流入了地线系统而造成的。
  
  后果是,该噪声电流产生了噪声电压,使各互联设备的参考电压不一致,会使数据的传输受影响。
  
  如果互联设备公共电压参考点间产生压差达到某一数据线安全电压阀值,就可能造成设备接口和CPU主板的损坏,还会使数据电缆线发热。
  
  5 关于市场需求
  
  需要提示的概念(十四)看市场需求时,主要看市场走向
  
  传统工频机UPS占据市场已经50年,20年前高频机推向市场时,市场占有率是从0开始的,发展到今天,在数据中心领域,高频机市场占有率已经上升到超过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、产品技术本身的先进性和产品性能优势(指标,节约用铜);
  
  第二、针对特定客户的市场需求,没有最佳的产品,只有更优的方案。
  
  ②高频机UPS的性能全面高于工频机UPS
  
  ③现代数据中心的连续性(刚性)要求,使工频机不再适用现代数据中心
  
  参考文献
  
  [1] 陈冀生、张广明““高频机”将成为现代数据中心UPS设备的首选机型”UPS应用»2013年7月
  
  [2] 张广明“数据中心基础设施规划设计中的若干问题”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。多年从事数据中心产品市场、服务与应用技术支持,具备丰富的产品市场运作工作经验,目前专注于数据中心整体解决方案的设计、规划与建设。曾参与东航、远望7号、*网等多项大型数据中心产品项目的招投标和设计建设工作。参与、编著《高频机型UPS技术及应用》、《云机房供配电系统规划设计与运维》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系统分会常务理事,中国机电一体化技术应用协会电能系统分会副秘书长。
  
  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经理。自2001年期,曾经先后在华为电气、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、机房空调等电能质量、电压暂降治理、IDC数据中心基础设施方面的销售、技术、工程、应用方面的工作。