2.1 Generator och belastning
Generatorn är beroende av en spänningsregulator för att styra utspänningen. Spänningsregulatorn detekterar trefasutgångsspänningen och jämför sitt medelvärde med det önskade spänningsvärdet. Regulatorn drar energi från en hjälpkraftkälla inuti generatorn, typiskt en liten generator koaxiell med huvudgeneratorn, och levererar en likströmskälla till magnetfältets excitationsspole hos generatorrotorn. Spolströmmen stiger eller faller, styrning av det roterande magnetfältet hos generatorns statorspole eller magneten hos den elektromotoriska kraften EMF. Magnetflödet i statorspolen bestämmer generatorens utspänning.
Det inre motståndet hos generatorns statorspole betecknas med Z, inklusive de induktiva och resistiva delarna; generatorns elektromotoriska kraft styrd av rotor-exciteringsspolen betecknas med E med en växelspänningskälla. Om man antar att belastningen är rent induktiv, lagrar strömmen spänningen U med exakt 90 ° elektrisk fasvinkel i vektordiagrammet. Om lasten är ren resistiv, kommer vektorerna av U och jag att sammanfalla eller vara i fas. Faktum är att de flesta laster är mellan rena resistiva och rent induktiva. Spänningsfallet som orsakas av strömmen som passerar genom statorspolen representeras av en spänningsvektor I x Z. Det är faktiskt summan av två mindre spänningsvektorer, spänningsfallet i fas med I och spänningsfallet 90 ° framåt. I detta fall råkar det vara i fas med U. Eftersom den elektromotoriska kraften måste vara lika med summan av spänningsfallet hos generatorns inre motstånd och utgångsspänningen, det vill säga vektorsumman av vektorerna E = U och I × Z. Spänningsregulatorn ändrar E för att effektivt styra spänningen U.
Nu överväga vad som händer med generatorens interna förhållanden när en rent kapacitiv belastning används istället för en rent induktiv belastning. Strömmen vid denna tidpunkt är exakt motsatt av den induktiva belastningen. Nuvarande leder jag nu spänningsvektorn U, och den inre resistansspänningsfallvektorn I × Z är också exakt inverterad. Sedan är vektorsumman av U och I × Z mindre än U.
Eftersom samma elektromotoriska kraft E vid tiden för induktiv belastning alstrar en högre generatorutgångsspänning U vid den kapacitiva belastningen, måste spänningsregulatorn väsentligt reducera det roterande magnetfältet. Faktum är att spänningsregulatorn kanske inte har tillräckligt med utrymme för att helt reglera utspänningen. Den kontinuerliga exciteringen av rotorn hos alla generatorer i en riktning innehåller ett permanent magnetfält. Även om spänningsregulatorn är helt stängd, har rotorn fortfarande tillräckligt med magnetfält för att ladda den kapacitiva belastningen och generera en spänning. Detta fenomen kallas "själv-excitation". Resultatet av självuttryck är överspänningen eller spänningsregulatorns avstängning, och generatorns övervakningssystem anses vara ett spänningsregulatorfel (dvs. "avkopplad"). I båda fallen kommer generatorn att stanna. Lasten som är ansluten till generatorutgången kan vara oberoende eller parallell beroende på tid och inställningar för den automatiska omkopplaren. I vissa applikationer är UPS-systemet den första belastningen som ska anslutas till generatorn under ett strömavbrott. I andra fall ansluts UPS och mekanisk last samtidigt. Den mekaniska belastningen har vanligtvis en startkontaktor. Det tar viss tid att återsluta efter strömavbrott, och det är en fördröjning att kompensera den induktiva motorbelastningen på UPS-ingångsfilterkondensatorn. UPS-enheten har en tidsperiod som kallas "soft start" -cykeln, som skifter lasten från batteriet till generatorn, vilket ökar dess inmatningsfaktor. UPS-ingångsfiltrarna deltar emellertid inte i mjukstartsprocessen. De är anslutna till UPS-ingången som en del av UPS-enheten. I vissa fall är därför huvudbelastningen som först kopplas till generatorens utgång när strömmen är avstängd, UPS-ingångsfiltret. De är mycket kapacitiva (ibland rent kapacitiva).
Lösningen på detta problem är uppenbarligen att använda effektfaktorkorrigering. Det finns flera sätt att göra detta, enligt följande:
● Montera det automatiska omkopplaren så att motorbelastningen är ansluten före UPS. Vissa omkopplare kanske inte kan implementera den här metoden. Dessutom kan anläggningstekniker behöva separat kommunicera UPS och generatorer under underhåll.
• Lägg till en permanent reaktiv reaktans för att kompensera för den kapacitiva belastningen, vanligtvis med hjälp av en parallell sårreaktor ansluten till EG eller generatorns utgående parallella kort. Detta är lätt att implementera och kostar mindre. Men vid hög belastning eller låg belastning absorberar reaktorn alltid ström och påverkar belastningsfaktorn. Och oberoende av antalet UPS, är antalet reaktorer alltid fixat.
● Lägg till en induktiv reaktor till varje UPS för att kompensera för UPS-kapacitiva reaktans. Reaktorns ingång (tillval) styr reaktorns ingång under låga belastningsförhållanden. Denna metod är mer exakt, men numret är stort och kostnaden för installation och kontroll är hög.
● Montera kontaktorn före filterkondensatorn och koppla loss den vid låg belastning. Eftersom kontaktorns tid måste vara exakt, är kontrollen komplicerad och kan bara installeras på fabriken.
Vilken metod som är optimal beror på situationen på platsen och utrustningen.
2.2 Resonansproblem
Kondensatorens självuttrycksproblem kan förvärras eller maskeras av andra elektriska tillstånd, såsom serieresonans. När det ohmiska värdet av generatorens induktiva reaktans och det ohmiska värdet av ingångsfiltrets kapacitiva reaktans ligger nära varandra och systemets resistansvärde är litet, kommer oscillation att uppstå och spänningen kan överstiga märkvärdet av elsystemet. Det nyutvecklade UPS-systemet är i huvudsak 100% kapacitiv ingångsimpedans. En 500kVA UPS kan ha en kapacitans på 150kvar och en effektfaktor nära noll. Parallella induktorer, seriekopplingar och ingångsisoleringstransformatorer är vanliga komponenter i UPS, och dessa komponenter är induktiva. I själva verket är UPS, tillsammans med kapacitansen hos filtret, generellt kapacitivt, och det kan vara viss oscillation inne i UPS-enheten. I kombination med de kapacitiva egenskaperna hos transmissionsledningen ansluten till UPS förbättras komplexiteten hos hela systemet, utöver omfattningen av analys som kan analyseras av generella ingenjörer.
Två ytterligare faktorer i nyckelapplikationer har nyligen gjort dessa problem vanligare. För det första ger tillverkare av datautrustning mer överflödig strömförsörjning i sin utrustning, beroende på kraven på användarens högsta tillförlitliga databehandling. Typiska datorkabinetter kommer nu med två eller flera nätsladdar. För det andra bad utrustningschefen att systemet skulle stödja underhåll på nätet, och de ville skydda den kritiska belastningen under UPS-avstängningsunderhåll. Dessa två faktorer ökar antalet installationer av typiska datacenter UPS och minskar belastningskapaciteten hos varje UPS. Ökningen i generatorer är dock inte förenlig med UPS. I utrustningshanterarens ögon är generatorn vanligtvis extra och lätt att ordna underhåll. Även i vissa stora projekt begränsar det ekonomiska trycket antalet dyra kraftaggregatssatser. Resultatet är att varje generator har fler UPS, vilket är en trend som gör UPS-tillverkare nöjda och generatörstillverkare problem.
Det bästa försvaret mot självuttryck och oscillation är den grundläggande kunskapen i fysiken. Ingenjörer ska noggrant bestämma effektfaktoregenskaperna hos UPS-systemet under alla belastningsförhållanden. När UPS-utrustningen är installerad ska ägaren hålla sig till det omfattande testet och noggrant mäta arbetsparametrarna för hela systemet vid justering av testet. När problem upptäcks är den bästa lösningen att skapa ett projektteam av leverantörer, ingenjörer, entreprenörer och ägare för att fullt ut testa systemet och hitta lösningar.
