UPS应用中的案例分析——一例发电机与UPS匹配供电案例

1 案情介绍
    在UPS中输入滤波器对于减小电流谐波及提高满载情况下的功率因数有好的效果，但是在空载和小载情况下会衍生出一个电容性超前的极低的功率因数。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出现明显的功率因数降低。UPS空载时的工作参数特别是输入功率因数，对于UPS与发电机的兼容性相当重要。
    用户使用雅马哈10kVA的三相发电机，使用的A UPS模块数为3个，总容量为12kVA。因为UPS输入滤波器的设计考虑了UPS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，对于UPS和发电机配合使用时，发电机的容量应为UPS容量的1．5～3倍。所以用户的发电机容量和AUPS的配置不合理。
    考虑到用户的负载很小，约为2kVA，现场发现将滤波电容减小后单模块开机时，BUS电压在旁路状态下可以达到410V之高，且有上升趋势。用户现场的测试相关波形如图l和图2所示。

    从图1可知，未接入UPS时发电机的输出波形比较光滑，输出电压的RMS值和峰值均在正常范围内。从图2可以看出，在接入UPS的瞬间，发电机的输出电压马上被抬高，其中R相电压的峰值约为600V，S相电压峰值略有增大。但此时R、S、T三相电压的RMS值均超过240V。三相的电压峰值全部变大，此时输入电压的峰值达到了425V左右，相应的UPS的BUS电压值此时超过410V，为确保机器不被损坏，马上关机。

2 故障分析
    通过上述几个波形可以看出，UPS模块的插入使得发电机的输出电压被抬高，下面简述一下发电机电压被抬高的原因。
    发电机依靠电压调节器控制输出电压。电压调节器检测出三相输出电压，以其平均值与要求的电压值比较。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E表示。
    1)假设负载是纯感性的
    图3和图4分别是发电机带感性负载时的等效电路简图和对应的矢量图。

    由图4可以看出，当发电机带感性载时，其输出电压U小于E，电压调节器改变E可以有效的控制电压U。
    2)假设负载是容性负载
    图5和图6分别是发电机带容性负载时的等效电路简图和对应的矢量图。

    从图6可以看出发电机带容性负载后，其输出电压U大于E，出现输出电压抬高的情况。

3 解决方法
    解决发电机带容性负载后将输出电压抬高有几种办法：
    1)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。
    2)增加一个永久性电抗来补偿电容性负载，通常使用电抗器，并接在发电机的输出端。此方法比较容易实现，且成本较低。但无论是高负载还是低负载的情况下，电抗器总是在吸收电流并影响负载功率因数。
    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成本高。
    4)安装自动切换柜，使电动机负载先于UPS接入。此方法成本较高，且调试较为复杂。
    在用户现场，采用了第一和第二两种方法，因考虑用户负载较低，故减小滤波电容。将滤波电容减小后，UPS输入端电压峰值仍然较大。因日光灯为感性负载。在现场时在发电机的输出端每相并入3根灯管，单模块开机时的波形如图7所示，图8为双模块并入时的波形。
    从图7可以看出，并入灯管后，UPS的输入端电压峰值小于400V，其BUS电压正常，选择开机命令后，UPS开机正常。

    从图7可以看出，两个模块并入后，UPS的输入端电压略有上升，通过IPOMS可以观测到BUS电压正常，但选择开机命令后，UPS的输入端电压波形会被再次抬高，原因为市电输入RLY闭合后，在每相对N之间并有滤波电容。同时还可以看出，R相电压的变化很大，S相电压被抬高的幅度很小。研究电路可以发现，R相电压除了送入功率板PFC电路外，同时给CHARGER板和通讯模块供电，此两部分电路中均有滤波电容的存在。
    为进一步改善发电机接入UPS后的输入电压，采用如下方式：将charger板上的滤波电容减小，同时在发电机R相输出端并入5根灯管，S和T相分别并入2根灯管。再次开机观测波形如图10和图11所示。

    从图9可以看出，三相按照5／2／2的灯管配比后，单模块开机时输入电压的RMS值和峰值在正常范围之内。从图lO可以看出，两模块开机时，UPS输入端的电压波形峰值为404V，RMS值为235V。UPS工作正常。

4 结束语
    根据用户现场现有条件，通过并联灯管(感性负载)来实现将发电机输出电压峰值降低，最终保证用户系统的正常工作。此方案还存在不周全的地方，如采用灯管不是十分安全，担心在发电机运行时灯管损坏；将滤波电容减小后，对于机器的EMC有影响。最好的解决方法是为用户设计适合此台发电机容量的电抗器来实现，但是此方法成本过高。