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大功率通信用在线式不间断电源(UPS)测试技术研究与交流

2016-11-15杨建华郑泉贾立鹏

广东通信技术 2016年10期
关键词:整流器工频功率因数

[杨建华、郑泉、贾立鹏]

大功率通信用在线式不间断电源(UPS)测试技术研究与交流

[杨建华、郑泉、贾立鹏]

通过不间断电源(UPS)产品参数指标的测试,对采用不同整流器技术的几种不间断电源(UPS)产品,在技术参数、指标性能方面,进行比较、分析和探讨。提出工频整流器与高频整流器、一体化机与模块化UPS,各自的优缺点。本文为生产和研发不间断电源(UPS),提供技术参考和帮助。

不间断电源(UPS)整流器 逆变器 功率因数校正器(PFC)测试

杨建华

广东省科学技术研究院,高级工程师,1988年至今,在电信研究院工作,主要研究方向为通信电源产品认证测试、测试技术研究。

郑泉

东华理工大学,测控技术与仪器专业,本科学士,在广东省电信科学技术研究院艾特实验室,从事通信电源产品的认证测试工作。

贾立鹏

东华理工大学,测控技术与仪器专业,本科学士,在广东省电信科学技术研究院艾特实验室,从事通信电源产品的认证测试工作。

1 不间断电源(UPS)原理介绍

UPS的中文意思为“不间断电源”,是英文“Uninterruptible Power Supply”的缩写。从基本应用原理上讲,UPS是一种含有储能的装置,以逆变器为主要元件,稳压稳频输出的电源保护设备。主要有一个整流器、蓄电池、逆变器和静态开关等几部分组成。

从功能上讲,不间断电源(UPS)在市电出现异常时,可以有效地净化市电;在市电突然中断时,可以持续一段时间给通信设备供电,使得有充裕的时间应付维修供电设施。

1.1 通信用在线式不间断电源(UPS)原理结构

UPS按工作原理,可分为后备式、在线式、互动式三大类。

上述三类UPS产品,在线式UPS应用范围广,技术性能完善、稳定性等,都优越于其他两个,能解决所有UPS电源问题,能够持续零中断地输出纯净的正弦波交流电,能够解决尖峰、浪涌、频率漂移等全部的电源问题。

其中,在线式UPS性能优点突显,在通信领域中,得到广泛使用。

图1 通信用在线式UPS原理结构图

1.2一体化不间断电源与模块化不间断电源的区别

从不间断电源(UPS)的结构形式,可分为一体化不间断电源和模块化不间断电源。

通信用一体化UPS测试执行的行业标准,是YD/ T1095-2008《通信用不间断电源-UPS》;模块化UPS测试执行的行业标准,是YD/T2165-2010《通信用模块化不间断电源》。

随着不间断电源(UPS)技术的发展,不间断电源(UPS)的容量越做越大,从以前的几kVA,到目前的200 kVA、300 kVA、400 kVA、500 kVA,甚至更大容量的不间断电源(UPS),在通信领域上应用。

2 大功率通信用在线式不间断电源(UPS)测试环境的搭建

2.1不间断电源(UPS)测试连接电路图

图2 测试连接电路框图

建设一个专业化强的电源检验测试室,必须有良好散热的测试场地,足够大的市电供电能力,完善地电能回收系统。实验室拥有齐全的、专业的测试用仪表设备等手段。

2.2 通信用在线式不间断电源(UPS)产品的关键指标要求、测试所涉及仪表设备

表1 按YD/T1095-2008标准的关键指标要求及测试用仪表设备一览表

表2 按照YD/T2165-2010标准的关键指标要求及测试用仪表设备一览表

3 大功率通信用在线式不间断电源(UPS)关键参数的测试、数据分析

影响UPS产品质量的关键,在于采用的整流器、逆变器、静态开关的技术和其他关键器件的质量。目前,UPS产品采用的整流器有6位脉冲、12位脉冲的工频整流器和IGBT整流器(高频整流器)。

影响UPS输入端技术参数的因素,主要是整流器和滤波器。其中,6脉冲、12脉冲的整流器,即SCR(晶闸管)整流器,为相控调制,输入功率因素较低,输入电流畸变较大。而IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)整流器可以通过控制其门极的驱动来控制IGBT的开通与关闭,开关频率高。通过调制,IGBT整流器可以保持输入电流与电压相位一致,且输入电流波形接近于正弦波,具有非常高的输入功率因数和非常低的输入电流谐波畸变。

3.1输入功率因数测试

输入功率因数定义公式:

功率因数(PF),输入有功功率(P),电压真有效值(URMS),电流真有效值(IRMS)。

在带上额定非线性负载时,6脉冲整流器的UPS输入功因,普遍指标在0.80~0.90范围;12脉冲整流器的UPS输入功因,普遍指标在0.90~0.95范围;IGBT整流器的UPS输入功因,指标可达到0.95~0.99范围。

模块化的UPS,采用集成化高的IGBT整流技术,产品的输入功率因数,指标都达到0.95以上。YD/T2165-2010标准的指标要求:在100%非线性负载时的输入功率因数应大于等于0.99,在50%非线性负载时的输入功率因数应大于等于0.95。

表3 大功率UPS的输入功率因数实测数据统计

3.2输入谐波测试(电压和电流谐波)

总谐波失真(THD)定义公式,可选择下列两种计算方法。

按IEC,公式如下:

按CSA,公式如下:

上两式中,C1:基波(1次谐波)有效值。

Ck:k次谐波有效值;k:谐波次数;n:最大谐波次数,n=50。

输入电流谐波产生的原因,6脉冲整流器的谐波,为5、7、9、11、。。。、6k±1各次谐波的总和;12脉冲整流器的谐波,为11、13、15、17、。。。、12k±1各次谐波的总和;所以,12脉冲整流器的输入谐波,要比6脉冲整流器的小很多。采用IGBT整流技术的输入谐波,比上述二者都小。

表4 大功率UPS输入谐波实测数据

表5 大功率UPS输入谐波实测数据(带输入滤波器)

谐波总含量:6脉冲整流器+5次滤波谐波总含量:≤20%;12脉冲整流器+11次滤波谐波总含量:≤15%;IGBT整流器谐波总含量:≤10%。

3.3 输出波形失真(输出电压谐波)

定义公式,跟输入谐波一样。只是测量端口放在输出端。

如图3所示,是用日本HIOKI公司,型号3196 电能质量分析仪,测量200kVA容量的UPS,测量数据。三相电压,U1的输出电压谐波(THD)2.7%,U2的输出电压谐波(THD)2.8%,U3的输出电压谐波(THD)2.7%。

图3 输出波形失真测试数据

3.4 输出稳压精度

输出稳压精度定义公式:

公式中,ua(b)为调节输入电压上限(或下限)时,测量出的输出电压;

u0为UPS的额定输出电压。

影响UPS输出稳压的因素,主要是源效应和负载效应。合格的UPS,输出稳压精度几乎都可达到≤±1%。

3.5输出电流峰值系数比

电流峰值系数比定义公式:

Icf为输出电流峰值系数比,IMax为输出电流峰值,波峰和波谷中较大的一个,IRms为输出电流有效值。

输出电流峰值系数比考核UPS的带载能力。输出电流峰值系数比值越大,UPS带载能力越强,耐负载波动性的能力越强。

图4是输出电流峰值系数比的实测数据。从C 4波形看出,输出电流的有效值(Rms)306.507A,峰值(Max)920A。输出电流峰值系数比达标(大于3:1)。测试中发现,如果没有大功率的、标准的非线性负载,容性与阻性比例不匹配的负载,输出功率因数很难达到0.8。从而,影响电流峰值系数比测量的数值。

图4 输出电流峰值系数比测试

3.6动态电压瞬变范围

在下列两种情况下,进行动态电压瞬变范围测试。第一种情况,UPS在正常工作方式时,输出接阻性负载,用断路器或接触器使输出电流由零突加至额定值,再由额定值突减至零。用存储示波器分别测量两次电流突变时的输出电压的瞬变值,与输出电压额定值之比;第二种情况,UPS在正常工作方式时,输出接阻性负载,用存储示波器分别测量UPS正常工作方式与电池逆变方式相互转换时输出电压的瞬变值,与输出电压额定值之比。

图5是用断路器使输出电流由零突加至额定值,再由额定值突减至零。用存储示波器分别测量两次电流突变时的输出电压的瞬变值,与输出电压额定值之比。动态电压瞬变范围测量结果优于1.3%。

图5 动态电压瞬变范围的测试

3.7切换时间

逆变转旁路的切换时间,模块化UPS的切换时间,普遍能达到<1 ms;工频UPS的切换时间,能在≤3 ms范围内。标准要求≤4 ms范围内。

图6,300 kVA工频UPS的转换时间测试数据。转换时间为3.9 ms。

图6 逆变转旁路的切换时间测试

3.8噪音

UPS功率越大,散热风扇的噪声就越大。噪音小,UPS的能效比高,才能满足环保要求。测试结果显示,1 kVA~10 kVA 的工频UPS噪声在50 dB(A)以下;10 kVA~100 kVA 的工频UPS噪声在55 dB(A)以下;200 kVA~400 kVA 的工频UPS噪声在65 dB(A)以下。相比之下,高频机和模块化UPS,同等容量对应的噪声,比工频UPS的小。

3.9效率

UPS效率定义公式:

η为UPS效率,Pin为UPS输入有功功率,Po为UPS输出有功功率。

举例:一台容量400kAV的在线式UPS(采用工频整流技术的),用日本HIOKI公司的型号3196 电能质量分析仪进行测试,测量数据:(1)100%阻性负载下,Pin=395.2 kW,Po=360 kW,算出UPS效率为91.1%;(2)50%阻性负载下,Pin=198.9 kW,Po=180 kW,算出UPS效率为90.5%。

另一台容量500 kAV的在线式UPS(采用高频整流技术的),用日本HIOKI公司的型号3196 电能质量分析仪进行测试,测量数据:(1)100%阻性负载下,Pin=421.9 kW,Po=400 kW,算出UPS效率为94.8%;(2)50%阻性负载下,Pin=209.9 kW,Po=200 kW,算出UPS效率为95.3%。

高频在线式UPS的效率,普遍比工频在线式UPS的效率高。

4 功率因数校正器(PFC)介绍

前面提过,UPS输入端采用有效的滤波技术,可以降低输入谐波含量。

PFC(Power Factor Corrector),是功率因数校正器。它可以在交流转换为直流时提高电源对市电的利用率,减小转换过程的电能损耗,达到节能的目的。此外,PFC还能减少电源对市电电网的干扰,尤其是避免它在突然启动时对其他电器的影响。

大功率UPS,采用主动式PFC。主动式PFC电路,由电感线圈配合IC控制芯片组成。PFC电路可以提高UPS的功率因数(高达0.99);优良的电路设计,PFC能适应更高的输入电压范围。PFC可以使电流电压实现同相位,从而,提高输入功率因数,减少电流谐波分量。

图7 PFC控制电路

5 小结

通信用在线式UPS,从工频整流技术,发展到高频整流技术,产品技术不断地改革和提升。工频UPS特点,带载适应性强,适用于各种不同情况的负载;缺点,效率不高(能效比不高)。高频UPS特点,采用集成电路技术,体积小、能效高,维护方便,适用于现在的大数据处理中心和大型服务器的供电。

随着整流、逆变技术的不断提高,UPS越来越多采用有功率因数校正的IGBT整流、IGBT逆变功率组件,数字信号处理技术DSP(Digital Signal Processing)应用到UPS里。从而,使得UPS产品越来越臻至完美。目前,很多技术含量高的UPS的关键器件,例如集成化程度高的IGBT和PFC(功率因数校正器)器件,主要在技术发达的欧美国家研制生产。

1IEC 61850-2:术语

2申忠如、郭福田、丁晖,《电气测量技术》,科学出版社,2003年1月1日

3YD/T1095-2008《通信用不间断电源-UPS》

4YD/T2165-2010《通信用模块化不间断电源》

5杨建华,电源模块输出效率测量不确定度评估,广东通信技术,2010年01期

10.3969/j.issn.1006-6403.2016.10.018

(2016-10-12)

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