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也谈UPS使用中应当关注的几个基本概念

来源: 编者:张乃国 发布时间:2013-02-27

摘要:叙及UPS的负载性质,整流器负载输入电流的正弦化,多种机型UPS同时存在是当前过渡时期的状况。当处于最佳工作状态时,额定输出容量为100kVA、负载功率因数为0.8的UPS可以输出80kW有功功率等基本概念。
关键词:UPS 基本概念
Abstract:
Keyword:

 近期国内电源技术界广为传阅的在《电源技术应用》(西安)、《电源资讯》(天津)、《机房技术与管理》(北京)和《UPS与机房》(北京)等多种杂志上刊出同一篇文章:《谈机房供电选型中一个不可忽视的UPS指标》(以下简称《谈指标》),笔者阅后很受启发,也听到几位读者的咨询,现受某刊之约也谈一下UPS在应用技术中的几个基本概念,以与电源技术界同仁切磋。

1.“只有纯电阻性负载才是线性负载”的概念是不对的
在《中国电力百科全书》中叙及:常见的电路元件有电阻器、电感器、电容器等。按元件的性质分,有线性元件和非线性元件。元件的伏安特性呈线性关系时,称此元件为线性元件,否则称非线性元件。例如:电阻值为常数的电阻器是线性元件,施加在电阻器上的电压与流过电阻器的电流成正比,则该电阻器(例如电炉)为线性元件。而加在压敏电阻器上的电压与其通过的电流不成正比,其电阻值随着电压的变化而变化,则为非线性元件。同理,无铁心的电感器和理想的电容器当施加交流电压后,其电流大小的变化率与施加的电压成正比,也是线性元件。但是,含有铁心的电抗器及介电系数为非线性函数关系的电容器则为非线性元件。
在2003年8月1日实施的GB/T7260.3-2003国家标准《不间断电源(UPS)确定性能的方法和试验要求》中“术语和定义”一节叙及:
3.2.6 线性负载(linear load)
当施加可变正弦电压时,其负载阻抗参数(Z)恒定为常数的那种负载(这种负载当用正弦波电压供电时,其电流也是正弦波)。
3.2.7 非线性负载(non-linear load)
负载阻抗参数(Z)不总为恒定常数,随着诸如电压或时间等其他参数而变化的那种负载。
例如:常见的单相桥式整流+电容滤波电路(一般的常用电脑就是这样),如图1所示。当把它接在UPS的输出端时,如果认为UPS的输出内阻很小时,其输出电压u为正弦波,而输出电流因为电容器C上存在电压uc而使其成为脉冲波(见图2),那么这个整流电路对于UPS而言就是非线性负载(亦称“整流器负载”)。
 
               
图1  测试电路                          图2  电压、电流波形
通过上述的基本理论及权威文件可知:对于在UPS输出侧接的负载阻抗(含电阻、电感、电容及其组合)只要是线性元件,就属于线性负载。那种认为只有电阻性负载才是线性负载的概念是不对的。
在《谈指标》一文中说到:“UPS输出端的负载(多数是一般电脑及服务器)是线性负载,即负载的输入功率因数等于1”,显然这里所叙的线性负载就是电阻性负载。在由中国电力出版社出版的一本名为《机房与UPS选型技术手册》(简称《手册》)书中说的就更更明确了:“线性负载的含义是负载上的电流电压同相,其电流与电压之间存在着一个固定的比例,这个比例就是电阻。”这样,就把线性负载与阻性负载的概念混淆了。笔者经常收到读者来稿中也这样说,形成以讹传讹,应当纠正。
这里再说明一点,在谈电流与电压的相位关系时,一定要明确是对同一频率的正弦波而言,这时的i(见图2)已经不是正弦波,就不能说其相位对于u是超前或滞后。如果要说,应当把i分解成基波和谐波,其基波i1与电压u是同频率的,这时才可以谈其相位问题。图中所示的电流i出现在输入交流电压u的峰值附近,用傅里叶级数分解可知:其基波电流基本上与u的相位相同,二者产生有功功率,其他谐波电流与u不产生有功功率。一定要清楚这个概念。
2.非线性负载的功率因数PF等于电流失真系数γ与其基波功率因数 的乘积,这个概念也一定要清楚
首先摘录几条在有关标准中对功率因数的描述:
国家标准GB/T7260.3-2003中
3.3.16 功率因数:有功功率对视在功率之比。
3.3.18 位移因数:基波的有功功率对基波的视在功率之比(亦称基波功率因数)。
3.4.4 输入功率因数:在额定输入电压、额定输出视在功率正常运行方式下,输入的有功功率对输入的视在功率之比。
3.5.12 负载功率因数:在理想正弦电压下,用有功功率对视在功率之比所表示的交流负载特性。
由上述可知,在线性电路中,负载中除纯电阻性负载外,还有电感性和电容性负载成分,UPS负载功率因数的大小表示其带阻抗负载的能力。
在测试电路中,感性负载采用电阻R与电感L串联方式,而容性负载则以电阻R与电容C并联方式表示。譬如,负载功率因数额定值为0.8,除负载以外的其他量应符合基准条件,负载中的R、L、C数值的配置如表1所示。
 
该表中给出单相UPS在满载时输出电压为220V,输出视在功率分别为1kVA、3kVA、5kVA及10kVA四种情况,表中R、L、C的数值可用电工学基础知识计算出来。
从电工学知:对于线性负载,在施加正弦波电压情况下,功率因数由其交流电压与电流之间相位差φ的余弦(cosφ)来表示,当用其有功功率P和视在功率S表示时
 
对于非线性负载,这时的功率因数可以表示为
 
式中:U 为正弦电压有效值(即基波电压有效值)
I 为总电流有效值, 
I1 为基波电流有效值,I2…为谐波电流有效值
γ=I1/I,称电流失真系数
P=UI1cosφ1,表示基波电压U(即U1)与基波电流I1产生的有功功率,而U与谐波电流不产生有功功率
cosφ1即前述的基波功率因数(位移因数)。
可见非线性负载情况下,其功率因数PF等于电流失真系数γ与基波功率因数cosφ1的乘积,这个基本概念一定要清楚。
3.功率因数校正器(PFC)不是低通滤波器
整流器的输入功率因数(PF)校正技术是针对由直接整流、电容滤波构成的非线性负载的电力电子设备提出来的,主要目的是减少用电设备产生的高次谐波对电网的危害。这种负载电流中的高次谐波不仅使输电线上损耗增加,而且影响邻近其他用电设备的正常工作。为此国际上制订了与此相关的一些标准,如IEC552-2。这些标准对用电装置的输入功率因数和波形失真都做了具体限制。
功率因数校正简写为PFC,改善输入功率因数的方法主要有两种:一种是无源功率因数校正技术,另一种是有源功率因数校正技术。前者主要针对供电系统和较大的厂矿企业,由众多的交流电机感性负载造成的低功率因数问题。校正的方法是在电网入口处并联适当的电容器,使PF值尽量接近1,以达到节能目的,也就是我们常说的无功补偿。后者主要针对开关电源负载,由于计算机技术等迅速发展,开关电源及不间断电源(UPS)被广泛采用,而这些电源设备的输入侧多为直接整流和电容滤波的非线性工作方式,这样就使PFC技术得到了人们的广泛重视,并且被普遍应用。
因为开关电源的输入端多为直接整流后接有大电容滤波,造成输入电流的波形在输入电压峰值处很窄的区间内形成电流脉冲i,如图3所示。PFC技术的目标就是使输入电流的波形由脉冲波变为正弦波,从而消除输入电流中大量的谐波成分,减小对电网的干扰。由于输入电流i的正弦化并且与输入电压u同相,从而减小输入端的视在电流和视在功率。
 
图3  功率因数校正前后的电流波形
有源功率因数校正的基本思想是:将输入交流电压进行全波整流(单相),对其整流电压Ud进行直流/直流变换,通过适当控制使输入电流自动跟随全波整流后的电压波形,使输入电流正弦化,虽然PFC也是开关电源工作状态,但与普通的开关电源有明显的区别。
功率因数校正器常用的电路为升压式PFC,它由储能电感和高频开关器件等元器件组成。升压式PFC属于电流控制型,PF值高、总谐波失真小、效率高,但输出电压高于输入电压。升压式PFC电路是AC/DC开关式变换器常用的一种电路形式。
主电路由升压斩波式电路构成,控制部分多用固定工作频率的PWM式控制技术,功率因数校正效果可达0.97~0.99,图4是升压式PFC电路的基本结构,该电路中重要部位的波形如图5所示。图中的主电路整流桥输出电压ud1为全波整流波形,L是储能电感,功率场效应晶体管VT工作在高频PWM开关状态,VD是高频续流二极管,C是输出滤波电容,ud2是直流输出电压。
    
图4  升压式PFC电路原理
 
 
图5  图2重要部位的波形
图中的M(乘法器)、A(放大器)、PWM及驱动器等是集成控制芯片的简化电路,形成一个电压环和一个电流环。
从输出电压ud2引入负反馈信号uof与基准电压uref比较后输出电压信号ue;从整流输出ud1引入前馈信号uf(它反映市电电压的瞬时变化),ue与uf送至乘法器M,其乘积输出作为电流基准信号iref。与采样电阻R0引入的电流反馈信号if一起送至PWM比较器,其输出经驱动器产生驱动信号udr控制VT的导通时间,进而控制电感L中的电流iL。
当VT受驱动信号udr作用导通时,ud1加到L两端(R0很小),VD因电容C上存在电压uc使其处于反偏而截止,iL流过L,将电能转换成磁能贮存在L中,此时L上的感应电动势为左正右负,uL=ud1,负载(DC/DC变换器→RL)由电容C供电。
当VT截止时,L上电动势极性反向(左负右正),VD续流,这时uL与ud1串联向负载及C供电,形成ud2=uL+ud1的升压过程(这里应注意uL的变化频率比ud1高得多)。
图中电压环输出的ue控制VT的导通占空比,以稳定ud2;电流环iref的频率与相位受ud1控制,它正比于ueuf=ueud1=ueUm| sinωt |(见图5中iref波形),if与iref通过PWM驱动功率管VT,控制电感中的iL,这样就实现了输入电流i的正弦化,从而达到提高输入功率因数的目的。
可见,由于iref受uf(即ud1)的调制,使iref与ud1的频率和相位一致,VT的工作状态受ud1控制,从而使iL(亦即输入i)的频率和相位与输入电压u一致,即强制i正弦化,并与u同步。
由于这种PFC电路不但使i正弦化,而且可以使ud2基本稳定,成为后边DC/DC变换器的预稳环节,从而对提高整机的稳压精度及扩展交流输入电压范围都是有利的。
由上述可知:PFC电路是将脉冲波输入电流(图1中i)的能量储存在电感L中,通过PWM使开关管VT受输入电压u的调制,驱动VT控制电感中的电流iL,使之与u同步,可见它也是一个开关电源。因为经过校正的电流iL并不是输入脉冲波电流i的基波,所以它不是低通滤波器。
4.多种机型UPS的同时存在是当前过渡时期的状况
众所周知,前些年UPS中的整流器多采用晶闸管相位控制的工频工作方式,当前称此种类型为工频机型UPS。近十年来,由于功率器件IGBT性能的提高,为整流器采用高频工作方式提供了技术条件。
高频整流器有两种电路结构及其相应的控制方法,其一是IGBT升压型高频SPWM整流电路,其输出整流电压约为800V(用两只电容器分压,其中点接至交流输入电源零线,获得±400V直流电源);另一种是IGBT降压型高频SPWM整流电路,其输出整流电压约为400V。
在UPS采用高频整流器的情况下,其逆变器的输出方式也有两种,一种是具有输出变压器,另一种是无输出变压器。图6是采用IGBT降压型高频整流电路,逆变器采用输出变压器Tr起升压作用,以便使UPS输出的交流电压达到额定值(380V/220V)。
 
图6  采用IGBT降压型高频整流的UPS电路
图7是采用IGBT升压型高频整流电路,因其具有升压作用,UPS输出的交流电压可以达到额定值的要求,所以逆变器就不需要输出变压器了(但必须在输出侧有串联电感L1)。
 
图7  采用IGBT升压型高频整流的UPS电路
应当特别说明的是,上述两种类型UPS中的逆变器在整流电路实现高频工作方式之前就已经高频化了。根据国外有关文献说明:将此高频机型UPS具有输出变压器的类型写成TransformerUPS(本文简写成T-UPS);将无输出变压器的UPS,写成Transformer-less UPS(本文简写T-less UPS)。
根据UPS技术的发展形势,当前在推广的“高频升压整流无输出变压器的高频机型UPS”(即前述的T-less UPS)是发展方向,具有诸多特性优势。但目前工频机型UPS和“高频降压整流有输出变压器的高频机型UPS”(即前述的T-UPS)在国内外都有生产和应用,如此多种机型UPS同时存在的情形是过渡时期的状况。随着功率半导体器件及电路技术的进一步发展,还会有新机型或新的运行方式出现。不能说选用工频机型或T-UPS就是“保守、落后”,选用T-less UPS就是“革命、先进”,这要根据用户的需要来决定(笔者多次参加评标会,有的招标单位点名要“工频机”,也有的单位购买了无输出变压器的“高频机”,但为了安全起见,又在重要负载部门或楼层加装隔离变压器,对此举措,也不能说他们“不对”)。而《谈指标》一文中叙及有无输出变压器是由逆变器的电路结构(半桥式或全桥式)决定的,实际上逆变器的电路结构是考虑到其输入直流电压值与输出交流电压值来选取的,并不涉及“工频机”与“高频机”的定义,这些技术上的处理并不是主要问题。
5.当处于最佳工作状态时,输出额定容量为100kVA、负载功率因数为0.8的UPS可以输出有功功率80kW
在《谈指标》一文中明确指出:“负载功率因数为0.8、输出额定容量为100kVA的UPS在带线性(原文指纯阻性)负载时,只能输出53kW的有功功率。”在同一位作者撰写的《再谈误解功率因数的危害》一文中也指出同一个问题:“当负载功率因数为0.8、输出额定容量为100kVA的UPS在带线性负载(其功率因数为1)时,若输出80kW有功功率就会因过载而转旁路(或损坏)”。有几位用户读者问我:这个结论对吗?
为此,笔者特意于今年9月13日咨询了工业与信息化部邮电工业产品质量监督检验中心专门负责检测UPS产品的李高工,他明确答复:生产厂家标称输出额定容量为100kVA、负载功率因数为0.8的UPS完全可以输出80kW有功功率。厂家送检的产品,我们就是带电阻性负载,其电阻值就是按输出有功功率等于额定输出容量乘以负载功率因数配置的,这是个电工学常识。
与李高工同一单位的副主任吴高工在他撰写的《UPS标准与指标测试》一文中叙及:“现在UPS在实际使用中均向PC、服务器这类非线性负载供电,其输入功率因数一般为0.7左右,所以对于10kVA的UPS须向负载供出7kW的有功功率……。”
就这一问题,笔者又请教了著名的电源技术专家、北京邮电大学黄济青教授,他明确指出:通信用UPS,输出额定容量为100kVA、负载功率因数为0.8(不改变)情况下可以输出80kW有功功率。《谈指标》一文中说只能输出53kW,不属于“通信用UPS”的问题。
通过上述国家权威检测单位的标准测试方法及黄教授的分析可知,以PC、服务器为负载的UPS可以依据厂家给出的负载功率因数指标输出相应的有功功率。
笔者认为:广义地说,UPS在处于最佳工作状态时,即负载的输入功率因数实际数值与UPS的“负载功率因数”指标数值相同,这时接入满足要求的交流电源,该UPS完全可以输出有功功率P=输出额定容量S×UPS的负载功率因数PF,即S=100kVA、PF=0.8的UPS可以输出有功功率P=100kVA×0.8=80kW,而不是只能输出53kW。
电源技术工作者对上述的基本概念应当清楚,以利于UPS的正确使用,在你们撰写文章时也要正确运用这些标准术语。我这里的表述旨在避免误导读者,不一定正确,望同仁们批评指正,以求共勉。
[附]本文曾参考或引用部分同仁的文章,在拟稿过程中也请友人给予审阅,在此一并致谢。
 


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