隨著各種大型功率設備不斷的增多,很多設備都會用到更大功率UPS電源,目前大功率UPS電源最大的能做到800KVA,而且還可以實現多臺並機。常規的大功率UPS電源後備時間是15-30分鐘,用戶也可以根據自己的需要來配備更長的時間,不過這樣就需要與發電機組匹配,以便提供更源源不斷的持續電源,大功率UPS電源與發電機組配合又有什麼需要注意的呢?以下是大功率UPS電源跟發電機配合需要注意的問題?
發電機組和UPS之間的配合問題
不間斷電源系統的製造商和用戶很早就已經注意到發電機組和UPS之間的配合問題,特別是由整流器產生的電流諧波對供電系統如發電機組的電壓調節器、UPS的同步電路產生的不良影響非常明顯。因此,UPS系統工程師們設計了輸入濾波器並把其應用到UPS中,成功地在UPS應用中控制了電流諧波。這些濾波器對UPS與發電機組的兼容性起到了關鍵作用。
為了儘可能提高UPS系統的效率,近期UPS工程師在輸入濾波器的功耗方面做了改進。濾波器效率的提高,從很大程度上取決於將IGBT(絕緣門級電晶體)技術應用到UPS設計中。IGBT逆變器的高效率導致了對UPS的重新設計。輸入濾波器可以吸收某些電流諧波,同時吸收很小一部分有功功率。總之,濾波器中感性因素對容性因素的比率降低了,UPS的體積變小了,效率提高了。在UPS領域的事情好像得以解決了,然而新問題是UPS與發電機的兼容性又出現了,替代了老問題。
功率問題
UPS空載時的工作參數,特別是輸入功率因數對於UPS與發電機的兼容性相當重要。
最新設計的輸入濾波器,在減少電流諧波及提高滿載情況下的功率因數方面有了較好的效果。但是在空載或很小負載情況下卻衍生出一個電容性超前的極低的功率因數,特別是那些為了滿足5%最大電流失真度的濾波器。一般情況下,當負載低於25%時大多數UPS系統的輸入濾波器會導致明顯的功率因數降低。儘管如此,輸入功率因數卻很少會低於30%,有些新的系統甚至已達到空載功率因數低於2%,接近於理想的容性負載。
這種情況不影響UPS輸出和關鍵負載,市電變壓器和輸配電系統也不受影響。但發電機就不同了,有經驗的發電機工程師知道:發電機帶大容性負載時工作會不正常,當接入較低功率因數負載,典型的低於15%~20%容性時,由於系統失調,可能導致發電機停機。在市電停電後出現這種停機應急發電機系統帶動UPS系統負載將造成災難性事故。
由於下述兩種原因停機給關鍵負載帶來危險:第一,發電機需要手動重啟,並且必須在UPS電池放電結束前;第二,在停機前發電機可能引起系統的"過壓",它可能損壞電話設備、火警系統、監控網絡甚至UPS模塊。更糟糕的是,在事故發生後,很難區分責任,找出問題所在並予以糾正。UPS廠商說UPS系統測試完好,並指出其它地方相同的設備沒有發生類似問題。發電機廠商說是負載的問題,無法調整發電機來解決問題。同時,用戶工程師則說明他的規格要求,希望兩個廠商相互兼容。要了解為何會發生事故及如何避免(或如何在關鍵應用中找出解決方案),首先需要了解發電機與負載的工作關係。
發電機與負載
發電機依靠電壓調節器控制輸出電壓。電壓調節器檢測三相輸出電壓,以其平均值與要求的電壓值相比較。調節器從發電機內部的輔助電源取得能量,通常是與主發電機同軸的小發電機,傳送DC電源給發電機轉子的磁場激勵線圈。線圈電流上升或下降,控制發電機定子線圈的旋轉磁場或稱為電動勢EMF的大小。定子線圈的磁通量決定發電機的輸出電壓。
發電機定子線圈的內阻以Z表示,包括感性和阻性部分;由轉子勵磁線圈控制的發電機電動勢用交流電壓源以E表示。假設負載是純感性的,在向量圖中電流I滯後電壓U正好90°電相位角。如果負載是純阻性的,U和I的矢量將重合或同相。實際上多數負載介於純阻性和純感性之間。電流通過定子線圈引起的電壓降用電壓矢量I×Z表示。它實際上是兩個較小的電壓矢量之和,與I同相的電阻壓降和超前90°的電感壓降。在本例中,它恰好與U同相。因為電動勢必須等於發電機內阻的電壓降和輸出電壓之和,即矢量E=U和I×Z的矢量和。電壓調節器改變E可以有效地控制電壓U。
現在考慮用純容性負載代替純感性負載時,發電機的內部情況會發生什麼變化。這時的電流和感性負載時正好相反。電流I現在超前電壓矢量U,內阻電壓降矢量I×Z,也正好反相。則U和I×Z的矢量和小於U。
由於和感性負載時相同的電動勢E在容性負載時產生了較高的發電機輸出電壓U,所以電壓調節器必須明顯地減小旋轉磁場。實際上,電壓調節器可能沒有足夠的範圍來完全調節輸出電壓。所有發電機的轉子在一個方向連續勵磁含有永久磁場,即使電壓調節器全關,轉子仍有足夠的磁場對電容負載充電並產生電壓,這種現象稱為"自激"。自激的結果是過壓或者是電壓調節器關機,發電機的監控系統則認為是電壓調節器故障(即"失勵")。這任一種情況都會引起發電機停機。發電機輸出端所接的負載,可能是獨立的,也可能是並聯的,決定於自動切換櫃工作的定時和設置。在某些應用中,停電時UPS系統是發電機接入的第一個負載。在其它情況下,UPS和機械負載同時接入。機械負載通常有啟動接觸器,停電後重新閉合需要一定時間,補償UPS輸入濾波電容器的感性電動機負載要有延時。UPS本身有一段時間稱為"軟啟動"周期,將負載從電池轉向發電機,使其輸入功率因數提高。然而,UPS的輸入濾波器並不參與軟啟動過程,他們連接在UPS的輸入端是UPS的一部分,因此,在某些情況下,停電時首先接到發電機輸出端的主要負載是UPS的輸入濾波器,它們是高容性的(有時是純容性的)。