數(shù)據(jù)中心輸入配電系統(tǒng)及整流器淺析

UPS輸入功率因數(shù)低的主要原因在于輸入部分的電路結(jié)構(gòu)和工作方式?，F(xiàn)代的整流充電器分降壓型和升壓型兩種，降壓型主要用于UPS電池組電壓低于輸入交流峰值電壓一定值的情況，而升壓型主要用于UPS電池組電壓高于輸入交流峰值電壓的情況。

一、 輸入配電系統(tǒng)

在數(shù)據(jù)中心的UPS供電系統(tǒng)中，輸入電路一個(gè)最重要的指標(biāo)就是輸入功率因數(shù)。輸入功率因數(shù)低會(huì)造成成下面的不利影響：

(1) 導(dǎo)致輸入供電線路上各環(huán)節(jié)的早期老畫(huà)

輸入功率因數(shù)低的原因是輸入諧波電流成分含量大，諧波電流經(jīng)過(guò)輸入電纜時(shí)，使電纜產(chǎn)生附加發(fā)熱量，導(dǎo)致電纜外皮材料長(zhǎng)期發(fā)熱、變軟、變脆、變酥、變碎;諧波電流經(jīng)過(guò)輸入斷路器(開(kāi)關(guān))時(shí)，開(kāi)關(guān)出點(diǎn)由于長(zhǎng)期發(fā)熱而導(dǎo)致接觸不良，一個(gè)正反饋的效應(yīng)是開(kāi)關(guān)過(guò)早時(shí)效;諧波電流經(jīng)過(guò)輸入保險(xiǎn)絲時(shí)，由于長(zhǎng)期的附加發(fā)熱而導(dǎo)致熔絲變軟、下垂(使整個(gè)保險(xiǎn)絲粗細(xì)變得不均與)、自然斷裂而引起斷電。

(2) 不能充分利用輸入功率

由于輸入功率中含有大量的無(wú)功分量，有功功率被吸收，無(wú)功功率在電纜中往復(fù)流動(dòng)，使正常的有效電流通道變窄，由于線路的“擁擠”而使單位截面積傷的電流密度加大，功耗加大。根據(jù)歐姆定律。導(dǎo)線上的功耗P為

P=I2R

由上式可以看出，線路上的功耗和電流I的平方值成正比，與導(dǎo)線的電阻R成正比，而發(fā)熱量又是功耗P和時(shí)間T的函數(shù)，即

Q=0.24Pt

這樣一個(gè)長(zhǎng)期效應(yīng)造成了電力的浪費(fèi)。

(3) 對(duì)供電電網(wǎng)產(chǎn)生干擾

輸入電路是可控硅(閘流管)整流器時(shí)，由于可控硅的開(kāi)啟往往伴隨著高壓電和大電流，不但破壞了輸入電壓波形，而且還形成很強(qiáng)的傳到干擾和輻射干擾，應(yīng)系那個(gè)了同一線路上其他用電設(shè)備的正常運(yùn)行。

(4) 使前置發(fā)電機(jī)的裝機(jī)功率成幾倍增大

輸入功率因數(shù)低(一般未經(jīng)補(bǔ)償?shù)闹禐楣β视脝蜗喽O管整流器的0.6，較大功率用三相可控硅全波整流——6脈沖整流的0.8)，可導(dǎo)致前置發(fā)電機(jī)的裝機(jī)功率至少3倍于UPS的額定功率。

二、工頻整流器與高頻整流器

由前面的討論可以看出，UPS輸入功率因數(shù)低的主要原因在于輸入部分的電路結(jié)構(gòu)和工作方式。現(xiàn)代的整流充電器分降壓型和升壓型兩種，降壓型主要用于UPS電池組電壓低于輸入交流峰值電壓一定值的情況，而升壓型主要用于UPS電池組電壓高于輸入交流峰值電壓的情況。

1. 工頻降壓整流器

降壓整流器有工頻和高頻之分，而工頻又有穩(wěn)壓和不穩(wěn)壓之分。下面以UPS中應(yīng)用最廣的穩(wěn)壓工頻電路為例進(jìn)行討論。一般采用三相整流，是因?yàn)槿嗾鞯拿}動(dòng)系數(shù)和紋波系數(shù)都低。一個(gè)三相可控硅全橋整流電路中用了6只可控硅整流器，需要6個(gè)脈沖進(jìn)行分別控制，也俗稱(chēng)其為6脈沖整流。三相全橋整流電路是按線電壓工作的，在市電為額定值380V/220V時(shí)的最高整數(shù)流出電壓可達(dá)到

UDC=380V×√2=537V

一般電池組額定電壓為12V×32只=384V的浮充電壓(約438V)已足夠了。由于這種電路是按照市電的頻率(所謂工頻)節(jié)奏而工作的，成為工頻整流器。由于可控硅的電流容量和耐壓都可以做的很高，因此它在中大功率傳統(tǒng)雙變換UPS中得到了廣泛的應(yīng)用。又由于這種電路整流器件的開(kāi)啟(相位)是可控的，因此它就具有了輸出穩(wěn)壓的功能。但這個(gè)輸出穩(wěn)壓的功能不能作為輸入市電大范圍變化的根據(jù)，原因是可控硅存在著在一定條件下失控的隱患。

例如，一個(gè)電池組額定電壓為384V，在正常情況下的浮充電壓低于440V，如果認(rèn)為及時(shí)是電線電壓額定值Un上升到135%Un時(shí)也可保證整流電壓低于450V，就可把這時(shí)的輸入電壓(135%Un)作為改UPS的優(yōu)點(diǎn)提供給用戶(hù)，就會(huì)給用戶(hù)的使用埋下隱患。當(dāng)然，按照相控原理，即使輸入市電電壓上升到150%Un，在正常情況下也可使電池浮充電壓穩(wěn)定在440V以下，但萬(wàn)一在135%Un時(shí)可控硅失控，這時(shí)可控硅整流器就變成了普通二極管整流器，此時(shí)的輸出整流電壓UDC就變成了

UDC=380V×1.35×√2=725V

這時(shí)就出現(xiàn)了兩個(gè)危險(xiǎn)情況：一種情況是，整流器后面的濾波電容是否可耐此高壓，否則必炸無(wú)疑;另一種情況是，原來(lái)12V一節(jié)的電池，現(xiàn)在變?yōu)槊抗?jié)電壓UB=725/32=2.6V，這就意味著電池也因此而報(bào)廢!甚至還會(huì)帶來(lái)其他的危險(xiǎn)，如因電池炸裂而噴出的硫酸傷人和傷物。

另一方面，由于6脈沖整流電路的工作是脈沖式的，對(duì)市電輸入電壓博興的破壞作用非常顯著，使輸入電流諧波成分達(dá)到30%以上，輸入功率因數(shù)僅為0.8左右，為了實(shí)現(xiàn)“綠色”電源的目標(biāo)，還必須進(jìn)行功率因數(shù)校正。

采用普通二極管的整流器就不具備穩(wěn)壓功能，它一般用于小功率UPS電路中，充電器另外設(shè)置。

2. 高頻降壓整流器

在一般小功率UPS電源中，為了簡(jiǎn)化電路的復(fù)雜程度而采用了二極管整流器，但二極管整流器無(wú)穩(wěn)壓功能，為了濾波電容和逆變器的安全，有的采用了BUCK型高頻降壓整流器。

BUCK(降壓)型高頻降壓整流器工作原理：

控制信號(hào)以高頻脈沖(一般式20kHz的固定脈沖寬度)

加到開(kāi)關(guān)功率管的控制極，當(dāng)一個(gè)控制脈沖到來(lái)時(shí)，VT打開(kāi)，電流由整流器二極管經(jīng)VT流向負(fù)載和濾波電容，這是電感L儲(chǔ)能;控制信號(hào)結(jié)束后，VT截至，電感L產(chǎn)生的反電勢(shì)繼續(xù)維持原來(lái)的電流流向?qū)⒋迥茚尫?，其路徑是：Lb→C、R→VD→La，使輸入形成連續(xù)的電流。電感上的能量釋放完或達(dá)到一定程度后，功率管又被下一個(gè)觸發(fā)脈沖打開(kāi)，再重復(fù)上面的過(guò)程。

這個(gè)電路的有點(diǎn)是簡(jiǎn)單，送到負(fù)載的電流是連續(xù)的，但輸入電流仍然是脈動(dòng)的。