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淺談電量傳感器在UPS電源中的應用
來源:未知 發(fā)布時間:2020-02-05 14:35 點擊:
隨著互聯(lián)網(wǎng)技術與應用的快速發(fā)展,云計算,云存儲,大數(shù)據(jù)等相關新型互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務規(guī)模與日俱增,數(shù)據(jù)中心進入規(guī);ㄔO階段。數(shù)據(jù)中心巨大規(guī)模的建設與應用,導致數(shù)據(jù)中心對供電需求快速增長,根據(jù)預測,2016年的中國數(shù)據(jù)中心耗電量已逾1000億千瓦時,相當于三峽水電站年發(fā)電總量。于此同時,全球數(shù)據(jù)中心用電量也已超過10000億千瓦時。據(jù)調(diào)查,全球各大網(wǎng)站僅數(shù)據(jù)中心的用電功率,就相當于30個核電站的供電功率,巨大的用電容量給數(shù)據(jù)中心的建設和運營都帶來了全新的挑戰(zhàn)。

 
目前在數(shù)據(jù)中心運營過程中,由于電力故障,設備故障,雷擊事件等導致的數(shù)據(jù)中心用電安全事故時有發(fā)生。事實上,數(shù)據(jù)中心的用電故障帶來的損失不僅僅是數(shù)百上千萬美元的直接經(jīng)濟損失,對于眾多國際知名品牌與上市公司來說,品牌和股價等隱形價值的負面影響難以估量。

隨著新型功率半導體器件的發(fā)展,新型電力電子電能變化拓撲的發(fā)明與應用,以及現(xiàn)代控制理論與數(shù)字控制技術的發(fā)展,數(shù)據(jù)中心不間斷供電技術得到了顯著的提升,對供電系統(tǒng)的可靠性,成本與技能,配置靈活性和可擴展性等提供了有效的技術支撐。

 

大型數(shù)據(jù)中心供電的任何故障都可能給業(yè)主和客戶帶來重大的經(jīng)濟損失或者災難性的后果。因此,數(shù)據(jù)中心能否可靠運營的關鍵之一是IT設備的不間斷供電。在保證不間斷供電的前提下,不斷提升不間斷供電架構的可靠性,是數(shù)據(jù)中心用戶一直以來的核心需求。

 

通常數(shù)據(jù)中心不間斷供電系統(tǒng)一般包括高壓配電系統(tǒng)、變壓器、柴油發(fā)電機組、低壓配電系統(tǒng)、防雷器、UPS、電池組、列頭柜、機架分配單元(PDU)、連接器等組成環(huán)節(jié)。其中UPS作為不間斷供電系統(tǒng)的核心部件,起到舉足輕重的作用。為了使不間斷供電系統(tǒng)始終保持高效的運作,在特定環(huán)境下,選擇雙轉換在線式可能更為合適。特別是在AC電源高度失真和/或具有極大電壓變化的地理區(qū)域,雙轉換在線式UPS無需頻繁轉換到電池供電即可維持正常輸出。較低的電池使用率可以保存電池容量以應對長時間的斷電事故,并延長電池使用壽命。此外,降低電池更換成本可以抵消在線互動式UPS低初始成本和低運營成本的優(yōu)勢。在某些特殊的情況下可能需要使用雙轉換在線式UPS,比如對于某些醫(yī)療設備或儀器,需要進行功率因數(shù)校正(PFC)、要求較小的物理尺寸或需要進行頻率轉換等等。前文提到的高效包括:


2轉換效率高(Po/Pin>96%)  
2輸入電流波形的正弦波畸變率。<5%)  
2優(yōu)異的動態(tài)負載跟隨相應  
2N+X的冗余工作模式

為使UPS工作在上述的高效模式,這其中離不開電量傳感器對一些關鍵位置的電壓和電流信息的量測。通常情況下,一個典型的雙變換在線式UPS的拓撲結構。

 

雙轉換在線式UPS會進行兩次電源轉換。首先,將AC輸入(包括所有電壓尖峰脈沖、失真和其他異常)轉換為DC。然后,在UPS的精密調(diào)控下將DC重新轉換為AC。這種AC輸出甚至可以具有與AC輸入不同的頻率。在存在AC輸入時,為負載設備提供的所有電源都經(jīng)過這種雙轉換過程。當AC輸入超出指定范圍時,UPS會從電池獲取電能,這樣UPS輸出就不會受到影響。

 

在大多數(shù)雙轉換在線式設計方案中,這種發(fā)生在UPS內(nèi)部的AC輸入和電池之間的轉換需要數(shù)毫秒的時間。同樣,在這些轉換過程中,也是由“DC鏈路”中的電容將存儲的能量提供給逆變器。因此,即使進入“DC鏈路”的電源出現(xiàn)短暫中斷,UPS輸出電壓也不會受到影響,可以持續(xù)供電。
 

在上述電能轉換過程中,在AC輸入和DC鏈路以及最后的AC輸出等諸多環(huán)節(jié)上都會需要電量傳感器去監(jiān)測輸入輸出的電壓或者電流,主要因素如下:

 

1.根據(jù)監(jiān)測的電壓值或者電流值去判斷當前電網(wǎng)或者負載的狀態(tài)然后決定UPS需要哪種模式工作。

 

2.根據(jù)監(jiān)測的電壓值或者電流值去進行精準的閉環(huán)控制,以滿足苛刻負載的要求。

 

另外,需要特別注意的是,在UPSAC輸入和AC輸出端,針對于電流傳感器的選型需要根據(jù)不同的應用特性加以區(qū)分。

 

用在UPSAC輸入端的電流傳感器在選型時主要依照原邊電流為正弦波去考慮,再按照設計的過載系數(shù)和紋波系數(shù)去確定電流傳感器的最大可量測峰值范圍即可。

 

用于UPSAC輸出端的電流傳感器在選型時需要關注到UPS帶非線性負載的另一個關鍵指標—諧波因子(CF=Crest Factor),通常UPS的CF值范圍選取根據(jù)不同的負載選擇也有所不同,通常會設定在2.1-3.0之間,因此在選擇電流傳感器的可量測范圍時需要特別注意到這一點,否則就會導致因采樣量程不夠而造成控制上的盲區(qū)使得最終UPSAC輸出電壓發(fā)生畸變。

 

還有一點需要注意的是:通常作為電壓源輸出的UPS設備都會具備抗瞬時的輸出短路能力,這需要UPS的控制單元能夠對輸出電流的檢測做出快速響應,因此作為檢測環(huán)節(jié)的電流傳感器,對于響應時間的參數(shù)要求,也應當在考慮范圍之內(nèi),否則就可能造成保護的延遲失調(diào)。

 

所以,選擇一款合適的電量傳感器對于數(shù)據(jù)中心不間斷電源的整體性能提升至關重要,從而保證設備的高效運行。


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