UPS系统运行方式与输入滤波器（2）

5. ＵＰＳ输入滤波器

不间断电源系统由于整流器产生的谐波电流，对ＵＰＳ的同步电路产生的不良影响非常明显。因此，ＵＰＳ系统在其输入端设计了滤波器，有效地抑制了ＵＰＳ应用中产生的谐波电流。在输入端设计的滤波器对ＵＰＳ的兼容性起到了关键作用。
　　事实上所有的输入滤波器都使用电容器和电感来吸收ＵＰＳ输入端的谐波电流。因此在输入滤波器设计中考虑了ＵＰＳ电路固有的和在满载情况下的最大可能的全部谐波畸变的百分比。有效的提高了ＵＰＳ的输入功率因数，而输入滤波器的应用带来的不利因素是使ＵＰＳ整体效率降低，绝大多数滤波器消耗１％左右的ＵＰＳ功率。
　　为了尽可能提高ＵＰＳ系统的效率，在输入滤波器设计中功耗是一个重要的技术指标，以降低滤波器的功耗来提高整个UPS系统效率。将ＩＧＢＴ绝缘门级晶体管技术应用到ＵＰＳ设计中，是有效提高了ＵＰＳ的效率的技术措施。虽然UPS输入滤波器可以吸收某些谐波电流，同时吸收很小一部分有功功率。总之，滤波器中感性因素对容性因素的比率降低了，ＵＰＳ的体积变小了，效率提高了。

5.1UPS功率因数
　　UPS设计了输入滤波器，在减少谐波电流及提高满载情况下的功率因数方面有了较好的效果。但是在空载或很小负载情况下却衍生出一个电容性超前的极低的功率因数，特别是那些为了满足５％最大电流失真度的滤波器。一般情况下，当负载低于２５％时大多数ＵＰＳ系统的输入滤波器会导致明显的功率因数降低。尽管如此，输入功率因数却很少会低于３０％，有些新的系统甚至已达到空载功率因数低于２％，接近于理想的容性负载。
　　这种情况不影响ＵＰＳ输出和关键负载，市电变压器和输配电系统也不受影响，但发电机就不同了，因发电机带大容性负载时工作会不正常，当接入较低功率因数负载典型的低于１５％～２０％容性时，由于系统失调，可能导致发电机停机。在市电停电后出现这种应急发电机系统停机，将给ＵＰＳ系统所带负载造成灾难性事故。如在停机前发电机可能引起系统的“过压”，它可能损坏通信设备、火警系统、监控网络甚至ＵＰＳ模块。
5.2发电机与负载
　　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，以其平均值与要求的电压值相比较。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旋转磁场或称为电动势ＥＭＦ的大小。定子线圈的磁通量决定发电机的输出电压。
　　发电机定子线圈的内阻以Ｚ表示，包括感性和阻性部分；由转子励磁线圈控制的发电机电动势用交流电压源以Ｅ表示。假设负载是纯感性的，在向量图中电流Ｉ滞后电压Ｕ正好９０°电相位角。如果负载是纯阻性的，Ｕ和Ｉ的矢量将重合或同相。实际上多数负载介于纯阻性和纯感性之间。电流通过定子线圈引起的电压降用电压矢量Ｉ×Ｚ表示。它实际上是两个较小的电压矢量之和，与Ｉ同相的电阻压降和超前９０°的电感压降。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，即矢量Ｅ＝Ｕ和Ｉ×Ｚ的矢量和。电压调节器改变Ｅ可以有效地控制电压Ｕ。
　　现在考虑用纯容性负载代替纯感性负载时，发电机的内部情况会发生什么变化。这时的电流和感性负载时正好相反。电流Ｉ现在超前电压矢量Ｕ，内阻电压降矢量Ｉ×Ｚ，也正好反相。则Ｕ和Ｉ×Ｚ的矢量和小于Ｕ。
　　由于和感性负载时相同的电动势Ｅ在容性负载时产生了较高的发电机输出电压Ｕ，所以电压调节器必须明显地减小旋转磁场。实际上，电压调节器可能没有足够的范围来完全调节输出电压。即使电压调节器全关，转子仍有足够的磁场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，而自动停止发电机运行。
　　发电机输出端所接的负载，可能是独立的，也可能是并联的，决定于自动切换柜工作的定时和设置。在某些应用中，停电时ＵＰＳ系统是发电机接入的第一个负载。ＵＰＳ的负载也是同时接入，但因启动接触器机械常数，停电后重新闭合需要一定时间，补偿ＵＰＳ输入滤波电容器的感性电动机负载要有延时。ＵＰＳ本身有一段时间称为“软启动”周期，将负载从电池转向发电机，使其输入功率因数提高。然而，ＵＰＳ的输入滤波器并不参与软启动过程，他们连接在ＵＰＳ的输入端是ＵＰＳ的一部分，因此，在某些情况下，停电时首先接到发电机输出端的主要负载是ＵＰＳ的输入滤波器，它们是高容性的有时是纯容性的。解决这一问题的方法的措施是：

5.2.1安装自动切换柜，使电动机负载先于ＵＰＳ接入。
　　5.2.2增加一个永久性反应电抗来补偿容性负载，通常使用并联缠绕电抗器，在低负载时接入，其缺点是电抗器总是在吸收电流并影响负载功率因数。

5.2.3在每一台ＵＰＳ中加装感性电抗器，正好补偿ＵＰＳ的容抗。在低负载情况下由接触器控制电抗器的投入。此方法电抗器较精确，但数量较大且安装和控制的成本高。
　　5.2.4在滤波电容前安装接触器，在低负载时断开。由于接触器的时间必须精确，控制比较复杂。
5.3共振问题
　　电容自激问题可能被其他电气状态所加重或掩盖，如串联共振。是典型的带有交流电源的电感—电阻—电容Ｌ—Ｒ—Ｃ串联电路，给Ｌ和Ｃ合适的值，电压Ｕ能振荡到极高的值。当发电机的感抗的欧姆值和输入滤波器容抗的欧姆值相互接近，并联电感、串联扼流圈和输入隔离变压器是ＵＰＳ的常规部件，这些部件都是感性的。事实上他们和滤波器的电容一起使ＵＰＳ总体表现为容性，可能在ＵＰＳ内部已经存在一些振荡。加上连到ＵＰＳ的输电线的电容特性，整个系统的复杂性大为提高。
　　在实际应用中两个附加因素使得这些问题更加普遍。一是根据用户高可靠数据处理的要求，计算机设备厂商在其设备中更多地提供冗余电源输入。现在典型的计算机柜都带有两个或更多电源线。二是设备用户要求系统支持在线维护，他们希望在ＵＰＳ关机维护时关键负载也有保护。这两个因素使得典型数据中心ＵＰＳ的安装数量增加，每台ＵＰＳ的负载容量减少。但是发电机的增加没有与ＵＰＳ保持一致。解决共振问题的基本措施是，要从综合整个系统的特点来规划UPS的容量、台数、运行方式，在保证系统可靠性的前提下，降低系统的复杂性。