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油机组与 UPS 的兼容

作者：admin 发表时间：2023/2/21 8:37:49 阅读：次

油机组与 UPS 的兼容

UPS 系统的制造商和用户很早就已经注意到发电机组和 UPS 之间的配合问题，特别是由

整流器产生的电流谐波对供电系统 (如发电机组的电压调节器、UPS 的同步电路)产生的不良

影响非常明显。由于 UPS 的输入 (整流器)是一个非线性负载，且发电机只能提供有限的电流，

两者结合就会产生多种问题。因此，在 UPS 系统设计中采用输入滤波器技术，这些滤波器对

保证 UPS 与发电机组的兼容性起到了关键作用。为此就 UPS 输入端功率因数和输入滤波器对

发电机的影响进行理论分析并以实际案例进行说明，阐明问题产生的原因，进而找出解决的

方法。

1.油机组的电流谐波“污染”问题

当 UPS 进入由油机组供电时所遇到的特殊问题是：由于油机组所送出的电源本身不但电

压畸变度大 (波形失真大)，而且油机组的额定输出功率有限，其内阻大的问题会显得更加突

出。当油机组带电阻性负载时，这种影响并不明显。然而，如果用油机组来带整流滤波型负

载 (例如计算机和通信设备)和各种可控硅相移调控设备，往往会发生各类不兼容的问题。其

原因是非线性负载会向油机组反射大量的高次谐波，其中尤以 5 次和 11 次谐波等对油机组运

行的危害最为严重。在规定的电压畸变下，各种非线性负载对发电机所允许带负载百分比的

允许的电压畸变度油机组所允许的负载百分比

12 脉冲通信设备

6 脉冲通信设备

日光灯

单相通信设备

6 脉冲通信设备

78%

42%

38%

22%

14%

100%

69%

54%

36%

23%

10%

100%

96%

82%

52%

35%

注：在此实验中所用的油机组的容量为 200kVA。

由表 4-3 可见，不同类型的用户负载对油机组输出电源电压畸变度的影响很大。对于要

求达到电压畸变度小于 5%的高质量供电标准的机房来说，如果用户采用的是 12 脉冲整流负

载，则允许使用到油机组额定容量的 78%，如果用户使用的是 6 脉冲整流负载，则要求这种

负载不得超过发电机组额定输出功率的 14%。显然，过热必会造成发电机组设备的利用率大

大降低。当然，如果将允许的电压畸变度的标准降低到一般的民用用电标准（10%），则可允

许带 100%的 12 脉冲整流滤波型用电设备。此时，即使带 6 脉冲整流负载也可允许用到发电

机组额定容量的 35%左右。

2.功率因数的问题

通常，人们把注意力放在 UPS 满载或接近满载情况下的工作状态。虽然它能表述满载情

况下 UPS 的工作特性，特别是输入滤波器的特性，然而很少能表述滤波器在空载或接近空载

时的状况，毕竟 UPS 及其电气系统在轻载状态下的电流谐波影响很小。然而，UPS 空载时的

工作参数，特别是输入功率因数对于 UPS 与发电机的兼容性来说相当重要。

最新设计的输入滤波器，在减少电流谐波及提高满载情况下的功率因数方面取得了较好

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更是如此。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明显导致功率因数降低。但有些新的系统的空载功率因数甚至已

低于 25，接近于理想的容性负载。在这种情况下，市电变压器和输配电系统也不受影响，但

油机组就不同了，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（如功率

因数低于 15%～20%的容性负载）时，由于系统失调，可能导致发电机停机。在市电停电后出

现这种停机现象（应急发电机系统带动 UPS 系统负载），将造成灾难性事故。

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。如带有交流电源的 LRC 串联电路，给

L 和 C 取合适的值，电压 U 能振荡到极高的值。当发电机感抗的欧姆值和输入滤波器容抗的

欧姆值相互接近，并且系统的电阻值较小时，将产生振荡，电压可能超出电力系统的定值。

新近设计的 UPS 系统实质上为 100%的电容性输入阻抗。一台 5OOkVA 的 UPS 可能有

150kVa，的电容和接近于零的功率因数。并联电感、串联扼流圈和输入隔离变压器是 UPS 常

规部件，这些部件都是感性的。事实上它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。

在实际应用中，当油机组与 UPS 选型不合理时，常发生以下现象。

①发电机组输出电压振荡。发电机组输出电压的振荡范围高达额定电压的-10%～20%，当

调整 AVR 达到最佳时，振荡仍大于 2%。

②电流振荡。在 UPS 负载稳定的情况下，发电机输出电流在±20%～±50%范围内振荡，

且电流振荡无法调整。

③频率 (转速)振荡。一般的情况下，频率振荡比电压、电流振荡范围小，但影响比较

大，导致 UPS 处于频繁切换及非正常工作状态。频率振荡一般在±5%以内，油机组曲于负载

有规律地忽大忽小，造成其不能比较稳定地运行，也忽强忽弱，从而使油机组振动加剧，加

速机械磨损，甚至机件严重损坏。频率振荡最明显的特征是油机组工作噪声有规律地忽大忽

小，因此必须引起高度重视。

④UPS 工作不正常。主要表现有两个：一是频繁切换，当频率、电压振荡变化超出 UPS

输入工作范围时，UPS 将转人由蓄电池供电，而发电机在无 UPS 负载时恢复正常，随即 UPS

又自动投入，以致这两种情况交错进行；二是容易使 UPS 旁路工作，对负载造成一定影响。

一、同步发电机的电枢反应

三、同步发电机的电枢反应

同步发电机运转，并接上三相对称负载后，定子饶组中会产生三相对称电流，及三相旋

转磁场，此磁场称为电枢磁场。这样在气隙中就同时存在着两个旋转磁场，一个是由直流励

磁电流产生的转子主磁场，另一个则是电枢磁场。这两个磁场以相同的转速，相同的方向旋

转，两者之间没有相对运动。它们叠加在一起形成同步发电机气隙中的合成磁场。这时同步

发电机的感应电势是由气隙中的合成磁场感应产生的。因此，定子绕组电势不仅决定于转子

磁场的强弱，而且还受电枢磁场的影响。由此可知，当同步发电机接负载运行时，由于电枢

磁场的出现，气隙中的磁场由空载时的主磁场(磁极磁场)变为合成磁场，无论大小和位置都

发生了变化，这种现象称为电枢反应。如果发电机所接的负载性质不同，那么定子绕组中的

电流和电势的相位也不同，所以同步发电机电枢反应的程度不仅和定子电流大小有关，而且

与负载性质有关。

下面以四种负载的不同情况，进一步来分析同步发电机的电枢反应。

1.纯电阻性负载时的电枢反应

为便于分析说明问题，设定子每相绕组只由一匝组成；三相绕组对称布置，励磁绕组磁势 Fl

在空间按正弦分布。在发动机的带动下，以同步转速 n 1

按逆时针方向旋转，图 4-1l(a) 所示。

(a)励磁磁势巧和电枢磁势八的方向@ (b)Eo

和 is 的正方向@

(c)B0 和 7s 的向 T 图; (d)由 Ff 和爪求出合成磁场砧

图 4-11 纯电阻性负载时的电枢反应

旋转的主磁场将在定子三相绕组中产生三相对称的感应电势 E0

，在图 4-1l(a)中转子所画

位置瞬间，A 相绕组内的感应电势最大，电势方向用右手定则确定。其三相感应电势的向量

图，如图 4-11(c)所示。由于接的是纯电阻性负载，电流和电势同相位，即=0，因此，三相定

子绕组各导体中的电流方向与电势方向一致，此时 A 相电流也达到最大值，图 4-1l(a)中⊙和

×同时表示电势和电流的方向。根据绕组中电流方向可以判断电枢旋转磁场磁势轴线的方向

与转子磁极轴线相垂直。又由于电枢磁场与转子磁场都以同步转速 n l

旋转，因此，它们之间

的相对位置在任一瞬间都维持不变。从图 4-1l(a)可见，电枢磁势 FS

在空间总是滞后于励磁磁

势 FF

90。，两者相叠加，得合成磁势 FR

，图 4 一 1l(d)所示。

由此可知，当发电机接纯电阻性负载时，FS

的轴线与 FF

的轴线互相垂直，故称为横轴(或

交轴)电枢磁势。由它产生的电枢反应叫做横轴电枢反应。电枢反应的结果，不但使气隙中的

合成磁势 FR

的轴线方向逆转子旋转方向偏转一个角度θ，而且因转子磁极的前一半(即前极

端)被电枢磁极削弱，转子磁极的后一半(即后极端)被电枢磁加强。

主磁极半边增强半边减弱，在发电机铁心末饱和时，增加的磁通等于减少的磁通，使总

的合成磁通保持不变。但是，通常同步发电机在正常运行时，其磁路总是呈饱和状态的，因

而就使得磁路增加的磁通稍小于减少的磁通，使总的合成磁通稍有减少，然而，更主要的是

使主磁场发生畸变(即歪扭)，使同步发电机造成一定的影响。

2.纯电感性负载时的电枢反应

当发电机接于电感性负载时，若不考虑电枢绕组的电阻，那么，在这种负载下的电枢电

流，必然在相位上将滞后电势 90。，即=900。其向量图如图 4-12(a)所示。在这种情况下，如

果转子磁极的位置仍和图 4-11 所示的瞬时位置一样，即仍然是 A 相绕组申的感应电势最大，

其电势方向如图 4-12(b)中线圈内层符号所示。但由于电流 I S

眠的相位比电势 EO

滞后 90。，所

以电流 Is 的最大值要向后(顺时针方向)移动 90。，此时绕组中电流的实际方向用图 4-12(b)，

线圈外层符号表示，A 相绕组中的电流为零，I S

所产生的电枢磁势 FS

的方向，用右手螺旋定

则来判断。可见 FS

的方向也是在主磁极的轴线上，但与 Ff

的方向相反，图 4-12(c)所示，男，

对主磁极产生去磁作用。显然合成磁势 FR

与励磁磁势 Ff

方向相同，但数值上减小了。这是

同步发电机接人电感性负载时，端电压下降的主要原因。这时的电枢反应叫做纵轴(或直轴)

去磁电枢反应。

(a)E。和 I

的向量图；(b)由定子电流产生的磁场与转子磁场方向相反;；

(c)F

和 F s

，求出合成磁场研 FR

图 4-12 纯电感性负载时的电枢反应

3.纯电容性负载时的电枢反应

在纯电容性负载的情况下，如果不考虑电枢绕组电阻的作用，那么 Is 在相位上就比 EO

超前

90。，即=－90。，如图 4-13(a)所示。和前面讨论情况一样，当 A 相绕组正好在转子主磁极轴线

上时，A 相绕组申感应电势最大。但由于电流 Is 超前于电势 EO

90。，所以三相电枢电流产生

的电枢磁势 FS

的轴线在空间前移 90。，如图 4-13(b)所示。于是，电枢磁势 FS

也与主磁极轴

线相重合，并且 FS

与 Ff

方向相同，如图 4-13(c)所示。对主磁极磁场产生助磁作用，这就是

同步发电机接电容性负载时，端电压上升的主要原因。这时的电枢反应叫做纵轴助磁电枢反

应。第 3 章交流不间断电源 UPS 36

图 4-13 纯电容性负载时的电枢反应

以上所描述的不是完全现实的情况，因为负载不可能是 100%纯感性或 100%纯容性。发

电机输出端所接的负载可能是独立的，也可能是并联的，这决定于自动切换柜工作的定时和

设置。在某些应用中，市电中断时 UPS 系统是发电机接入的第一个负载。UPS 本身需一段时

间（称为软启动周期），将负载从蓄电池转向发动机，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运过程，它们连接在 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）。纯电容负载代表了 UPS 软启动时的真实情况。

事实上所有输入滤波器都使用电容器和电感来吸收 UPS 输入端最具破坏性的电流谐波。

而绝大多数滤波器要消耗 1%左右的 UPS 功率。输入滤波器的设计一直在有利和不利因素之

间寻求平衡。

为了尽可能提高 UPS 系统的效率，目前 UPS 用输入滤波器的功耗问题随着技术进步得

以解决。滤波器效率的提高在很大程度上取决于 IGBT 技术在 UPS 设计中的应用。输入滤波

器可以吸收某些电流谐波，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

因素的比降低了，UPS 的体积变小了，效率提高了。

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