UPS高频机与工频机技术与性能之争中的若干概念问题（下）

输入无源滤波器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。

1、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,和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。则和×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。

2、油机启动后切换时面临的是空载UPS

3、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。

4、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。

5、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。

6、要明确的概念

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。

7、需要提示的概念

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。

工频机UPS输入无源滤波器污染地线系统

1、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。

2、系统电位差是造成IT系统运行不稳定原因之一

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。

关于市场需求

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%。

结束语

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。

高频机UPS的性能全面高于工频机UPS

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