UPS行業(yè)工頻與高頻區(qū)別

廈門科華恒盛股份有限公司UPS工頻與高頻區(qū)別UPS行業(yè)工頻與高頻區(qū)別共29頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁!UPS行業(yè)工頻與高頻區(qū)別共29頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁!多年的運行實踐表明：“高頻機”型UPS的故障率總是高于“工頻機”型UPS的故障率。為此，我們有必要探討其真正的原因何在？UPS行業(yè)工頻與高頻區(qū)別共29頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁!對于工頻機型UPS而言，它采用的是可控硅整流器和IGBT逆變器+內(nèi)置隔離變壓器的設(shè)計方案，它通過可控硅型的整流濾波器將輸入的380Vac交流電源變換成400Vdc的直流高壓，并在此基礎(chǔ)上，再經(jīng)由IGBT逆變器+輸出隔離變壓器所組成的調(diào)控電路，向外輸出220Vac逆變器電源，在這里，輸入電源的N線是與UPS中的整流器和逆變器的控制電路處于完全的“電隔離”狀態(tài)。這就意味著：在這種工頻機型UPS的運行中，產(chǎn)生于UPS內(nèi)部的任何脈寬調(diào)制型的干擾均不會串入到UPS供電系統(tǒng)的N線上。與此同時，可能來自于供電系統(tǒng)的N線上任何干擾也不會影響UPS的正常運行。一、工頻型UPS工作模式UPS行業(yè)工頻與高頻區(qū)別共29頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁!圖1中顯示的是“工頻機”型UPS和“高頻機”型UPS的控制框圖。要特別說明的是UPS近幾十年的運行經(jīng)驗表明，不僅可控硅整流器本身的可靠性很高，而且?guī)?nèi)置隔離變壓器的工頻型UPS，還顯示出它具有抗高頻干擾能力強、抗過載能力強、能有效降低零地電壓、高可靠性的明顯優(yōu)勢。對于它的輸入電諧波含量的THDI值偏大的弱點，我們可以通過采用如圖2a所示的12脈沖整流圖1高頻機與工頻機“領(lǐng)地電壓”的對比技術(shù)的方法予以克服，從而使UPS輸入電流的諧波含量THDI<4%。一、工頻型UPS工作特點UPS行業(yè)工頻與高頻區(qū)別共29頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁!(1)改善了UPS的輸入諧波特性：使得UPS的輸入功率因數(shù)PF>0.99，輸入電流的諧波含量的THDI<3%;(2)有利于降低成本：由于它可以直接利用從“倍壓型”IGBT整流器所輸出的±400Vdc直流高壓電源來確保它的IGBT逆變器，能向外輸出幅值為220Vac的交流電源，因此，可“省掉”逆變器的輸出隔離變壓器。然而，對于這種高頻機型的UPS而言，它在獲得上述好處的同時，卻是以犧牲它的可靠性為代價的。這是因為，為了使得從這種UPS所輸出的正弦波形的交流電源的正半波和負半波的幅值相等，就必須要將它輸入電源的N線，同位于UPS整流器中±400Vdc的直流高壓的“參考零電位”點相連，這樣一來，就會帶來如下種種“潛在”的故障隱患：一、高頻型UPS優(yōu)點UPS行業(yè)工頻與高頻區(qū)別共29頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁!一、高頻型UPS潛在隱患2、存在嚴重的”零偏故障”隱患：

對于高頻機型的UPS而言，它會產(chǎn)生一種在其它UPS機型中不會出現(xiàn)的特殊的所謂“零偏故障”隱患。其故障現(xiàn)象表現(xiàn)為：在UPS的輸入電源的上游側(cè)，一旦遇到：因故需要通過大功率的ATS開關(guān)來執(zhí)行優(yōu)先電源與備用電源之間的切換操作時，易于導(dǎo)致在UPS供電系統(tǒng)的輸出端上，出現(xiàn)輸出“閃斷”故障(>8ms以上的“供電中斷”)，從而導(dǎo)致在數(shù)據(jù)中心機房中出現(xiàn)長達幾十分鐘到幾小時的”癱瘓”事故。UPS行業(yè)工頻與高頻區(qū)別共29頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁!一、高頻型UPS潛在隱患1、如前所述，為了使這種UPS所輸出的正弦波形的交流電源的正半波和負半波的幅值相等，必須要將它輸入電源的N線同位于UPS整流器中的±400Vdc直流高壓的“參考零電位”點相連。這樣一來，在UPS的運行中，一旦遇到輸入電源N線上出現(xiàn)瞬態(tài)的、單極性的直流偏置電壓時，就會導(dǎo)致輸送到逆變器輸入端上，原本是正極性和負極性幅值相等的對稱的直流電源“瞬間”變成正極性和負極性幅值不相等的不對稱的直流電源。此時，如果在它的直流母線上所產(chǎn)生的這種“直流偏置量”過大的話，對逆變器來講意味著它就會進入“瞬間DC過壓”和“瞬間DC欠壓”的故障工作狀態(tài)。在此條件下，極易導(dǎo)致UPS產(chǎn)生輸出“閃斷”故障，并能導(dǎo)致在N線上產(chǎn)生這種“瞬態(tài)直流偏置”故障的原因之一：當(dāng)因故對大功率的變壓器執(zhí)行“合閘”操作時，就會產(chǎn)生幅值高達5—6倍的單極性的勵磁浪涌流(見圖2)。UPS行業(yè)工頻與高頻區(qū)別共29頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁!一、高頻型UPS潛在隱患3、“零地電壓”偏高：來自脈寬調(diào)制IGBT整流器和脈寬調(diào)制IGBT逆變器的高頻PWM型的干擾電壓將會以幅值較高的“零地電壓”的形式，通過N線被直接和同時地“反饋”到UPS輸入供電系統(tǒng)和輸出供電系統(tǒng)中的N線上，從而危害數(shù)據(jù)中心機房以及其它用電設(shè)備的安全運行。這種“零地電壓”型干擾源的典型運行參數(shù)值為，幅值為1.8V—5V左右的10KHz—16KHz的高頻電壓。通過數(shù)據(jù)中心機房的運行表明：為確保IT設(shè)備的安全運行，供電系統(tǒng)的“零地電壓”應(yīng)該小于1.5V。UPS行業(yè)工頻與高頻區(qū)別共29頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁!一、高頻型UPS潛在隱患5、采用”外置隔離變壓器”設(shè)計方案的故障隱患：為了解決高頻機型UPS的“零地電壓”偏高的問題，可供選擇的技術(shù)途徑之一是：在UPS供電系統(tǒng)的輸出端配置“外置隔離變壓器”。如圖3所示，我們的確可以利用該“外置隔離變壓器”來向位于機房中的IT設(shè)備提供完全滿足IT設(shè)備技術(shù)需求的高品質(zhì)電源。然而，對于這樣的供電系統(tǒng)而言，它仍然存在如下的兩種故障隱患：(1)UPS輸入電源供電系統(tǒng)的“零地電壓”仍然偏高，如圖3所示，來自高頻機型UPS“零地電壓”型的共模干擾，仍然被饋送到位于UPS輸入側(cè)的其它用電設(shè)備的輸入端上，繼續(xù)危害這些用電設(shè)備的安全運行。這是因為，這種“零地電壓”型的共模干擾，已經(jīng)“污染”了UPS輸入上游側(cè)的全部輸入電源的緣故。UPS行業(yè)工頻與高頻區(qū)別共29頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁!一、高頻型UPS潛在隱患(2)存在燒毀IT設(shè)備的故障隱患：對于采用高頻機型UPS+外置隔離變壓器設(shè)計方案的用戶來說，在他們UPS供電系統(tǒng)的運行中，一旦因故出現(xiàn)輸出停電或閃斷故障(供電中斷時間>8ms以上)時，就會導(dǎo)致出現(xiàn)如下的事故現(xiàn)象：(a)當(dāng)在“外置隔離變壓器”的輸入端上出現(xiàn)斷電故障時，必然會在它的輸出端產(chǎn)生幅值很高的“反激型的瞬態(tài)尖峰高壓”。這種瞬態(tài)高壓的幅值足以燒毀IT設(shè)備。這樣慘痛的事故和案例，已在多處數(shù)據(jù)中心機房中出現(xiàn)過。UPS行業(yè)工頻與高頻區(qū)別共29頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁!一、高頻型UPS潛在隱患6、帶隔離變壓器的UPS具有更優(yōu)異的抗”沖擊性”負載的能力：凡是熟悉UPS常用負載的用戶都知道，由于電力電子學(xué)的迅猛發(fā)展，它所帶的絕大多數(shù)都是整流濾波型非線性負載。當(dāng)UPS后接負載為不帶輸入功率因數(shù)校正功能(PFC)的PC電腦或DCS型的工控設(shè)備時(圖4)，UPS輸出端的負載電流為峰值比(CF)高達3.3：1的沖擊性電流。在此條件下，將導(dǎo)致在UPS輸出電流中出現(xiàn)大量的諧波電流，它的電流諧波含量THDI值高處73.5%，其最大的電流諧波分量為3次電流諧波分量。此時的3次電流諧波分量的THDI值=53.2%。對于這樣的負載而言，從UPS所輸出的正弦波形的電壓波，在大多數(shù)的時間內(nèi)，它的負載電流均為零。UPS行業(yè)工頻與高頻區(qū)別共29頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁!一、高頻型UPS潛在隱患由此可見，如果我們直接利用高頻機型UPS來帶這種峰值比很高的負載的話，無異于將這種UPS長期置于電應(yīng)力和熱應(yīng)力都處于急劇變化的惡劣工作狀態(tài)之下，由此可能帶來的惡果必然是高頻機型UPS使用壽命的縮短和故障率的增高。如圖5所示，在UPS逆變器的輸出端，配置Δ/Y型隔離變壓器后，則可以利用隔離變壓器所具有的如下優(yōu)異運行特性來改善逆變器中IGBT管的工作條件，從而大幅度地提高UPS可靠性。從某種意義上講，我們可以將這種輸出隔離變壓器看成，為跨接在UPS與整流濾波型非線性負載之間的“50Hz濾波器”，它將大幅提高UPS承擔(dān)具有高峰比的沖擊性電流的能力。UPS行業(yè)工頻與高頻區(qū)別共29頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁!一、高頻型UPS潛在隱患由此所帶來的后果之一是：盡管用戶已竭盡所能將它的三相負載不平衡度控制在<±2%的范圍之內(nèi)，仍然會導(dǎo)致它的零線電流，出現(xiàn)高達160%平均的線電流現(xiàn)象。這樣一來，就會迫使用戶必須將他們的UPS供電系統(tǒng)零線電纜的截面積增大，是它相線電纜的截面積的1.5倍以上。相關(guān)的理論分析表明，導(dǎo)致零線電流的幅值異常增大的原因是，3次及其奇數(shù)倍諧波電流在零線上會發(fā)生“矢量和”相加的緣故。然而，對于同樣的這臺輸出隔離變壓器的原邊繞組來說，由于它的Δ繞組對于它的負載電流中的3次及其奇數(shù)倍諧波電流分量來說，會呈現(xiàn)優(yōu)異的陷波型的濾除作用，從導(dǎo)致其輸入諧波特性得到明顯地改善。UPS行業(yè)工頻與高頻區(qū)別共29頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁!一、高頻型UPS潛在隱患UPS行業(yè)工頻與高頻區(qū)別共29頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁!一、高頻型UPS潛在隱患它主要表現(xiàn)在：負載電流的有效值下降到僅為45.2A左右，電流諧波含量的THDI值下降到28%，負載電流的峰值比下降到1.7：1。這就意味著：此時位于UPS逆變器中的IGBT管所需承擔(dān)電流峰值僅為77A左右，從而達到大大削弱負載電流”沖擊性”的目的。顯而易見，這非常有利于提高UPS的可靠性。(1)具有優(yōu)異的抗高頻干擾的衰減隔離特性，使得工頻機具有很好的抗負載沖擊能力和較高的短路阻抗;(2)能有效地衰減來自IT設(shè)備/網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等非線性負載所產(chǎn)生的3次及其奇數(shù)倍的濾波電流，有利于提高UPS逆變器IGBT功放管的可靠性;(3)有利于進一步提高UPS帶三相不平衡負載的功能UPS行業(yè)工頻與高頻區(qū)別共29頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁!一、工頻型UPS和高頻型UPS工作模式圖一，工頻機與高頻機器工作原理UPS行業(yè)工頻與高頻區(qū)別共29頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁!對于高頻機型UPS而言，它采用的是升壓型(boost)的脈寬調(diào)制IGBT整流器和IGBT逆變器設(shè)計方案。在這里，通過IGBT整流器將輸入380Vac電源變換成±400Vdc的直流高壓(直流電壓的絕對值=800Vdc)，并在此基礎(chǔ)上，經(jīng)IGBT逆變器向外輸出220Vac的逆變器電源。采用IGBT整流器設(shè)計方案所帶來主要好處有：一、高頻型UPS工作特點UPS行業(yè)工頻與高頻區(qū)別共29頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁!1、IGBT整流器的可靠性偏低：(1)同工頻機型UPS中SCR整流元件的過載能力(其典型值為：10In、20ms)相比，高頻機型UPS中IGBT整流元件的過載能力(其典型值為：10In、20us)小1000倍左右;(2)由于至今仍未能為高頻機中IGBT整流器所用的高頻“升壓電感”找到具有大磁通量的磁性材料，導(dǎo)致該電感的溫升偏高(典型值：100℃—130℃)。在實際工作中，我們會發(fā)現(xiàn)：高頻機型UPS的輸出功率越高，其故障率也越高的現(xiàn)象。這是因為UPS的標(biāo)稱輸出功率越大，其“升壓電感”溫升越高的緣故。正因為如此，導(dǎo)致UPS產(chǎn)業(yè)遲遲未能制造出可靠性足夠高的大功率高頻機型UPS。一、高頻型UPS潛在隱患UPS行業(yè)工頻與高頻區(qū)別共29頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁!一、高頻型UPS潛在隱患UPS行業(yè)工頻與高頻區(qū)別共29頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁!一、高頻型UPS潛在隱患2、如前所述，為了使這種UPS所輸出的正弦波形的交流電源的正半波和負半波的幅值相等，必須要將它輸入電源的N線同位于UPS整流器中的±400Vdc直流高壓的“參考零電位”點相連。這樣一來，在UPS的運行中，一旦遇到輸入電源N線上出現(xiàn)瞬態(tài)的、單極性的直流偏置電壓時，就會導(dǎo)致輸送到逆變器輸入端上，原本是正極性和負極性幅值相等的對稱的直流電源“瞬間”變成正極性和負極性幅值不相等的不對稱的直流電源。此時，如果在它的直流母線上所產(chǎn)生的這種“直流偏置量”過大的話，對逆變器來講意味著它就會進入“瞬間DC過壓”和“瞬間DC欠壓”的故障工作狀態(tài)。在此條件下，極易導(dǎo)致UPS產(chǎn)生輸出“閃斷”故障，并能導(dǎo)致在N線上產(chǎn)生這種“瞬態(tài)直流偏置”故障的原因之一：當(dāng)因故對大功率的變壓器執(zhí)行“合閘”操作時，就會產(chǎn)生幅值高達5—6倍的單極性的勵磁浪涌流(見圖2)。UPS行業(yè)工頻與高頻區(qū)別共29頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁!一、高頻型UPS潛在隱患4、電池供電時，高頻機型UPS的效率偏低：圖2各種UPS的輸出電源的零線對地線電壓的對比如圖2b所示，當(dāng)高頻型的IGBT整流器因故進入自動關(guān)機狀態(tài)(例如：輸入電源停電、整流器出故障)，工作電壓較低的電池組需經(jīng)DC變換器進行升壓處理后，變換成逆變器所需的±400Vdc直流高壓，為此會導(dǎo)致UPS的運行效率下降2%左右。UPS行業(yè)工頻與高頻區(qū)別共29頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁!一、高頻型UPS潛在隱患“高頻機”型UPS冗余并機系統(tǒng)+外置輸出隔離變壓器的UPS供電系統(tǒng)的運行特性UPS行業(yè)工頻與高頻區(qū)別共29頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第23頁!一、高頻型UPS潛在隱患(b)當(dāng)在“外置隔離變壓器”的輸入端上，突然恢復(fù)供電時，就會在UPS的輸出端(變壓器的輸入端)上，產(chǎn)生5—6倍于它的額定工作電流的勵磁浪涌電流，從而對UPS供電系統(tǒng)的安全運行帶來巨大的威脅。例如：對于采用由400KVA“4+0”型UPS并機系統(tǒng)+1600KVA“外置隔離變壓器”設(shè)計方案的UPS供電系統(tǒng)而言，此時在UPS并機系統(tǒng)的輸出端所可能產(chǎn)生的勵磁浪涌電流的幅值高達13500A左右，從而導(dǎo)致并機系統(tǒng)進入“嚴重過載”狀態(tài)。由此所帶來的惡果是，UPS并機系統(tǒng)的輸出電壓急劇下降，并轉(zhuǎn)入由普通市電供電的交流旁路工作狀態(tài)。與此相反，對于選用帶“內(nèi)置隔離變壓器”UPS的用戶而言，則可完全KEYI消除掉這種故障隱患。所以，從某種意義上講，由于他們能為IT設(shè)備的安全運行創(chuàng)造出優(yōu)良的運行環(huán)境，從而可以極大地提高其數(shù)據(jù)中心機房的可維護性，并能避免在今后工作中遇到種種不必要的麻煩?；旧鲜鲈颍艺J為，對于關(guān)鍵數(shù)據(jù)中心的UPS供電系統(tǒng)而言，宜優(yōu)選帶輸出隔離變壓器的UPS產(chǎn)品。UPS行業(yè)工頻與高頻區(qū)別共29頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第24頁!一、高頻型UPS潛在隱患6、帶隔離變壓器的UPS具有更優(yōu)異的抗”沖擊性”負載的能力：這就意味著：在此期間內(nèi)，從UPS所輸出的能源并未被利用，僅在非?？拷倚坞妷翰ǖ姆逯堤幍膸缀撩雰?nèi)，UPS才真正在向負載提供能量。這樣一來，如果我們直接利用高頻機型的UPS來帶這種負載時，對于有效值僅為6.06A的非線性負載而言，需要為高頻機型UPS逆變器的IGBT功放管，提供峰值高達20A的“沖擊性”電流。相比之下，對于50Hz的正弦波電流而言，它的峰值電流僅為8.5A左右。由此可