UPS行业工频与高频区别实用教案

多年的运行实践(shjin)表明：“高频机”型UPS的故障率总是高于“工频机”型UPS的故障率。为此，我们有必要探讨其真正的原因何在？第1页/共28页第一页，共29页。 对于工频机型UPS而言，它采用的是可控硅整流(zhngli)器和IGBT逆变器+内置隔离变压器的设计方案，它通过可控硅型的整流(zhngli)滤波器将输入的380Vac交流电源变换成400Vdc的直流高压，并在此基础上，再经由IGBT逆变器+输出隔离变压器所组成的调控电路，向外输出220Vac逆变器电源，在这里，输入电源的N线是与UPS中的整流(zhngli)器和逆变器的控制电路处于完全的“电隔离”状态。这就意味着：在这种工频机型UPS的运行中，产生于UPS内部的任何脉宽调制型的干扰均不会串入到UPS供电系统的N线上。与此同时，可能来自于供电系统的N线上任何干扰也不会影响UPS的正常运行。一、工频(n pn)型UPS工作模式第2页/共28页第二页，共29页。一、工频型UPS和高频型UPS工作(gngzu)模式图一，工频机与高频(o pn)机器工作原理第3页/共28页第三页，共29页。v图1中显示的是“工频机”型UPS和“高频机”型UPS的控制框图。v要特别说明的是UPS近几十年的运行经验表明，不仅可控硅整流器本身的可靠性很高，而且带内置隔离变压器的工频型UPS，还显示出它具有抗高频干扰能力强、抗过载能力强、能有效降低零地电压、高可靠性的明显优势。对于它的输入电谐波含量的THDI值偏大的弱点，我们可以通过采用如图2a所示的12脉冲整流图1高频机与工频机“领地电压”的对比技术的方法予以克服，从而(cng r)使UPS输入电流的谐波含量THDI0.99，输入电流的谐波含量的THDI8ms以上的“供电中断”)，从而导致在数据中心机房中出现长达几十分钟到几小时的”瘫痪”事故。第8页/共28页第八页，共29页。一、高频(o pn)型UPS潜在隐患第9页/共28页第九页，共29页。一、高频(o pn)型UPS潜在隐患1、如前所述，为了使这种UPS所输出的正弦波形的交流电源的正半波和负半波的幅值相等，必须要将它输入电源的N线同位于UPS整流器中的400Vdc直流高压的“参考零电位”点相连(xin lin)。这样一来，在UPS的运行中，一旦遇到输入电源N线上出现瞬态的、单极性的直流偏置电压时，就会导致输送到逆变器输入端上，原本是正极性和负极性幅值相等的对称的直流电源“瞬间”变成正极性和负极性幅值不相等的不对称的直流电源。此时，如果在它的直流母线上所产生的这种“直流偏置量”过大的话，对逆变器来讲意味着它就会进入“瞬间DC过压”和“瞬间DC欠压”的故障工作状态。在此条件下，极易导致UPS产生输出“闪断”故障，并能导致在N线上产生这种“瞬态直流偏置”故障的原因之一：当因故对大功率的变压器执行“合闸”操作时，就会产生幅值高达56倍的单极性的励磁浪涌流(见图2)。第10页/共28页第十页，共29页。一、高频(o pn)型UPS潜在隐患2、如前所述，为了使这种UPS所输出的正弦波形的交流电源的正半波和负半波的幅值相等，必须要将它输入电源的N线同位于UPS整流器中的400Vdc直流高压的“参考零电位”点相连。这样一来，在UPS的运行(ynxng)中，一旦遇到输入电源N线上出现瞬态的、单极性的直流偏置电压时，就会导致输送到逆变器输入端上，原本是正极性和负极性幅值相等的对称的直流电源“瞬间”变成正极性和负极性幅值不相等的不对称的直流电源。此时，如果在它的直流母线上所产生的这种“直流偏置量”过大的话，对逆变器来讲意味着它就会进入“瞬间DC过压”和“瞬间DC欠压”的故障工作状态。在此条件下，极易导致UPS产生输出“闪断”故障，并能导致在N线上产生这种“瞬态直流偏置”故障的原因之一：当因故对大功率的变压器执行“合闸”操作时，就会产生幅值高达56倍的单极性的励磁浪涌流(见图2)。第11页/共28页第十一页，共29页。一、高频型UPS潜在(qinzi)隐患3、“零地电压”偏高：来自脉宽调制IGBT整流器和脉宽调制IGBT逆变器的高频PWM型的干扰电压将会以幅值较高的“零地电压”的形式，通过N线被直接和同时地“反馈”到UPS输入供电系统和输出供电系统中的N线上，从而危害数据中心机房以及其它用电设备的安全运行。这种“零地电压”型干扰源的典型(dinxng)运行参数值为，幅值为1.8V5V左右的10KHz16KHz的高频电压。通过数据中心机房的运行表明：为确保IT设备的安全运行，供电系统的“零地电压”应该小于1.5V。第12页/共28页第十二页，共29页。一、高频型UPS潜在(qinzi)隐患4、电池供电时，高频机型UPS的效率偏低：图2各种UPS的输出电源(dinyun)的零线对地线电压的对比如图2b所示，当高频型的IGBT整流器因故进入自动关机状态(例如：输入电源(dinyun)停电、整流器出故障)，工作电压较低的电池组需经DC变换器进行升压处理后，变换成逆变器所需的400Vdc直流高压，为此会导致UPS的运行效率下降2%左右。第13页/共28页第十三页，共29页。一、高频(o pn)型UPS潜在隐患5、采用”外置隔离变压器”设计方案的故障隐患：为了解决高频机型UPS的“零地电压”偏高的问题，可供选择的技术途径之一是：在UPS供电系统的输出端配置“外置隔离变压器”。如图3所示，我们的确可以利用该“外置隔离变压器”来向位于机房中的IT设备提供完全满足IT设备技术需求的高品质电源。然而，对于这样的供电系统而言，它仍然存在如下的两种故障隐患：(1)UPS输入电源供电系统的“零地电压”仍然偏高，如图3所示，来自高频机型UPS“零地电压”型的共模干扰，仍然被馈送到位于UPS输入侧的其它用电设备的输入端上，继续危害这些用电设备的安全运行。这是因为，这种“零地电压”型的共模干扰，已经“污染”了UPS输入上游(shngyu)侧的全部输入电源的缘故。第14页/共28页第十四页，共29页。一、高频型UPS潜在(qinzi)隐患“高频机”型UPS冗余并机系统+外置输出隔离(gl)变压器的UPS供电系统的运行特性第15页/共28页第十五页，共29页。一、高频(o pn)型UPS潜在隐患(2)存在烧毁IT设备的故障隐患：对于采用高频机型UPS+外置隔离变压器设计方案的用户来说，在他们UPS供电系统的运行中，一旦因故出现输出停电或闪断故障(供电中断时间8ms以上)时，就会导致出现如下的事故现象：(a)当在“外置隔离变压器”的输入端上出现断电故障时，必然会在它的输出端产生幅值很高的“反激型的瞬态尖峰高压”。这种瞬态高压的幅值足以(zy)烧毁IT设备。这样惨痛的事故和案例，已在多处数据中心机房中出现过。第16页/共28页第十六页，共29页。一、高频(o pn)型UPS潜在隐患(b)当在“外置隔离变压器”的输入端上，突然恢复供电时，就会在UPS的输出(shch)端(变压器的输入端)上，产生56倍于它的额定工作电流的励磁浪涌电流，从而对UPS供电系统的安全运行带来巨大的威胁。例如：对于采用由400KVA“4+0”型UPS并机系统+1600KVA“外置隔离变压器”设计方案的UPS供电系统而言，此时在UPS并机系统的输出(shch)端所可能产生的励磁浪涌电流的幅值高达13500A左右，从而导致并机系统进入“严重过载”状态。由此所带来的恶果是，UPS并机系统的输出(shch)电压急剧下降，并转入由普通市电供电的交流旁路工作状态。与此相反，对于选用带“内置隔离变压器”UPS的用户而言，则可完全KEYI消除掉这种故障隐患。所以，从某种意义上讲，由于他们能为IT设备的安全运行创造出优良的运行环境，从而可以极大地提高其数据中心机房的可维护性，并能避免在今后工作中遇到种种不必要的麻烦。基本上述原因，我认为，对于关键数据中心的UPS供电系统而言，宜优选带输出(shch)隔离变压器的UPS产品。第17页/共28页第十七页，共29页。一、高频型UPS潜在(qinzi)隐患6、带隔离变压器的UPS具有更优异的抗”冲击性”负载(fzi)的能力：凡是熟悉UPS常用负载(fzi)的用户都知道，由于电力电子学的迅猛发展，它所带的绝大多数都是整流滤波型非线性负载(fzi)。当UPS后接负载(fzi)为不带输入功率因数校正功能(PFC)的PC电脑或DCS型的工控设备时(图4)，UPS输出端的负载(fzi)电流为峰值比(CF)高达3.3：1的冲击性电流。在此条件下，将导致在UPS输出电流中出现大量的谐波电流，它的电流谐波含量THDI值高处73.5%，其最大的电流谐波分量为3次电流谐波分量。此时的3次电流谐波分量的THDI值=53.2%。对于这样的负载(fzi)而言，从UPS所输出的正弦波形的电压波，在大多数的时间内，它的负载(fzi)电流均为零。第18页/共28页第十八页，共29页。一、高频型UPS潜在(qinzi)隐患6、带隔离变压器的UPS具有更优异的抗”冲击性”负载的能力：这就意味着：在此期间内，从UPS所输出(shch)的能源并未被利用，仅在非常靠近正弦形电压波的峰值处的几毫秒内，UPS才真正在向负载提供能量。这样一来，如果我们直接利用高频机型的UPS来带这种负载时，对于有效值仅为6.06A的非线性负载而言，需要为高频机型UPS逆变器的IGBT功放管，提供峰值高达20A的“冲击性”电流。相比之下，对于50Hz的正弦波电流而言，它的峰值电流仅为8.5A左右。由此可见，其峰值电流增大了2.4倍左右，而且还会使IGBT功放管的瞬态温升增高5.5倍左右。这是因为，IGBT功放管的瞬态温升是正比于峰值电流的平方。第19页/共28页第十九页，共29页。一、高频(o pn)型UPS潜在隐患由此可见，如果我们直接利用高频机型UPS来带这种峰值比很高的负载的话，无异于将这种UPS长期置于电应力和热应力都处于急剧变化的恶劣工作状态之下，由此可能带来的恶果必然是高频机型UPS使用寿命的缩短和故障率的增高。如图5所示，在UPS逆变器的输出端，配置/Y型隔离变压器后，则可以利用隔离变压器所具有的如下优异运行特性来改善逆变器中IGBT管的工作条件，从而大幅度地提高UPS可靠性。从某种意义上讲，我们可以将这种输出隔离变压器看成，为跨接在UPS与整流滤波型非线性负载之间的“50Hz滤波器”，它将大幅提高UPS承担具有高峰比的冲击性电流(dinli)的能力。第20页/共28页第二十页，共29页。一、高频型UPS潜在(qinzi)隐患(1) 具有优异的抗高频干扰的衰减隔离特性，使得工频机具有很好的抗负载冲击能力(nngl)和较高的短路阻抗;(2)能有效的衰减来自IT设备或网络设备等非线性负载所产生的3次及其奇数倍的滤波电流，有利于提高UPS逆变器IGBT功放管的可靠性。例如：在一台输出隔离变压器的副边绕组所需的负载电流的有效值=51A，电流谐波含量的THDI值=74%，峰值比为2.8：1。即：电流峰值约为143A的“冲击性”很高的电流。它电流谐波含量的THDI值=74%，其中最大的电流谐波分量出现在3次电流谐波分量上。第21页/共28页第二十一页，共29页。一、高频型UPS潜在(qinzi)隐患由此所带来的后果之一是：尽管用户已竭尽所能将它的三相负载不平衡度控制在2%的范围之内，仍然会导致它的零线电流，出现高达(o d)160%平均的线电流现象。这样一来，就会迫使用户必须将他们的UPS供电系统零线电缆的截面积增大，是它相线电缆的截面积的1.5倍以上。相关的理论分析表明，导致零线电流的幅值异常增大的原因是，3次及其奇数倍谐波电流在零线上会发生“矢量和”相加的缘故。然而，对于同样的这台输出隔离变压器的原边绕组来说，由于它的绕组对于它的负载电流中的3次及其奇数倍谐波电流分量来说，会呈现优异的陷波型的滤除作用，从导致其输入谐波特性得到明显地改善。第22页/共28页第二十二页，共29页。一、高频型UPS潜在(qinzi)隐患它主要表现在：负载电流的有效值下降到仅为45.2A左右，电流谐波含量的THDI值下降到28%，负载电流的峰值比下降到1.7：1。这就意味着：此时(c sh)位于UPS逆变器中的IGBT管所需承担电流峰值仅为77A左右，从而达到大大削弱负载电流”冲击性”的目的。显而易见，这非常有利于提高UPS的可靠性。第23页/共28页第二十三页，共29页。一、高频(o pn)型UPS潜在隐患第24页/共28页第二十四页，共29页。一、高频型UPS潜在(qinzi)隐患图5带输出隔离变压器UPS的优异(yuy)保护功能 第25页/共28页第二十五页，共29页。一、高频(o pn)型UPS潜在隐患它主要表现在：负载电流的有效值下降到仅为45.2A左右，电流谐波含量的THDI值下降到28%，负载电流的峰值比下降到1.7：1。这就意味着：此时位于UPS逆变器中的IGBT管所需承担电流峰值仅为77A左右，从而达到大大削弱负载电流”冲击性”的目的。显而易见，这非常有利于提高UPS的可靠性。 (1)具有优异的抗高频干扰的衰减隔离特性，使得工频机具有很好的抗负载冲击能力和较高的短路阻抗;(2)能有效地衰减来自IT设备/网络设备等非线性负载所产生的3次及其奇数倍的滤波电流，有利于提高UPS逆变器IGBT功放管的可靠性;(3)有利于进一步提高UPS带三相不平衡(pnghng)负载的功能第26页/共28页第二十六页，共29页。单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级谢 谢！第27页/共28页第二十七页，共29页。谢谢您的观看(gunkn)！第28页/共28页第二十八页，共29页。NoImage内容(nirng)总结多年(du nin)的运行实践表明：“高频机”型UPS的故障率总是高于“工频机”型UPS的故障率。在此条件下，极易导致UPS产生输出“闪断”故障，并能导致在N线上产生这种“瞬态直流偏置”故障的原因之一：当因故对大功率的变压器执行“合闸”操作时，就会产生幅值高达56倍的单极性的励磁浪涌流(见图2)。由此所带来的恶果是，UPS并机系统的输出电压急剧下降，并转入由普通市电供电的交流旁路工作状态第二十九页，共29页。