【技术分析】论数据中心测试验证中保证UPS同步切换的重要性

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由于UPS系统在数据中心的特殊地位,保证UPS安全、可靠运行,一直是数据中心运维部门的重中之重。而在UPS的运行生命周期中,保证UPS始终处于同步切换状态是非常重要的,不同步切换会带来一些严重后果。

 

在论述同步切换重要性前,就必须研究UPS静态开关同步切换的逻辑关系。先给出数据中心UPS测试验证中UPS同步参数设置需要注意的事项。

 

UPS供应商在UPS出厂时一般会把UPS逆变器和市电同步范围设定在0.5%(高精度) ,即49.75HZ-50.25HZ之间,在正常情况下这是没有问题的,但是当一路市电供电出现故障时,由另一路市电供电或由柴油机供电时,频率会出现较大的变动(特别是柴油机运行,频率波动会更大),从而使市电供电频率超出0.5%的范围,使UPS的逆变器输出频率和市电频率不同步,它们之间的相位差就会不断地变化。如此时UPS静态开关出现切换,就是不同步切换,不同步切换存在巨大隐患,这里主要指变压器的励磁涌流冲击以及感性负载下切换时可能出现的电压波形间断的问题,所以应尽量避免不同步切换。

 

在测试验证大型UPS前,会对用户IT负载作全面了解,只要在用户IT负载容许的工作频率范围内,测试工程师会要求UPS厂家把逆变器跟踪市电电源的频率范围设定为2%(49HZ-51HZ),相对于0.5%的同步范围,2%的同步范围就不会出现不同步切换,从而保障数据中心中最重要的UPS系统安全可靠运行。

 

论述UPS静态开关同步切换的逻辑关系。
静态开关是将来自逆变器的交流电源或市电交流电源送至负载的静止式开关。它根据所检测到的输出参数,是否超过预先规定的允许值及输入的电源是否正常来确定选哪一个电源作为UPS装置的输出。因而它既要有反应迅速准确的检测装置,又要有动作迅速的开关,还必须以合理的切换动作顺序来保证切换过程中不出现输出的间断。除此之外,静态开关是UPS装置的最终输出关口,要求它非常可靠,否则事故是难免的。
 

 

静态开关一次电路结构(单相)比起逆变器来要简单得多。(如下图)

 

 

图中所示:单相静态开关主回路结构图,以及四个可控硅的高频触发脉冲逻辑图。对于三相式静态开关,是由同样的三个电路组合而成的。图中可控硅元件K1K2, K3K4分别反向并联,作为电子开关的一对接点。

 

正常情况下,受控的逆变器输出电源和市电电源锁相,如上图所示同频同相,只是逆变器是受控电源,输出电压为稳定220V,而市电电源输出电压是变动的。逆变器正常工作情况下,K1K2得到高频触发脉冲,逆变器输出通过静态开关向负载提供稳频稳压净化电源,K3K4没有高频触发脉冲,市电电源处于备用状态。

 

静态开关所谓的切换是指:由逆变器供电转换至市电电源供电。

 

静态开关所谓的复位是指:由市电电源供电转换至逆变器供电。

 

静态开关一次电路的正确切换工作方式如下:

 

第一种切换状况:在T1时刻(负半周),静态开关检测到逆变器出现故障,逆变器输出电压超限(逆变器输出电压大于6%额定电压),K1K2高频触发脉冲被立刻切断,由于是负半周,K4在T1时刻立刻得到高频触发脉冲。

 

 

如果T1时刻:a:市电电源电压比逆变器输出电压高(更负),K4导通,市电电源向负载提供电力,K2受到反向电压不导通;

 

如果T1时刻:b:市电电源电压比逆变器输出电压低,K2继续导通,K4受到反向电压不导通,逆变器继续向负载提供电力;

 

到T2过零点时,K4被切断高频触发脉冲,到T3时刻K3K4再次得到高频触发脉冲,逆变器故障切换到市电电源过程全部完成。T3-T2的时间为0.2MS,主要作用是让导通可控硅彻底断开,避免环流的出现。

 

第二种切换状况:在T1时刻,静态开关检测到逆变器出现断电故障,K1K2高频触发脉冲被立刻切断,由于是负半周,K4得到高频触发脉冲,市电电源向负载提供电力,到T2过零点时,K4被切断高频触发脉冲,到T3时刻K3K4再次得到高频触发脉冲,逆变器故障切换到市电电源过程全部完成。T3-T2的时间为0.2MS,主要作用是让可控硅彻底断开,

 

这里讨论的是静态开关在逆变器电源和市电电源同步情况下切换的逻辑关系,静态开关在逆变器和市电电源相位同步条件下的切换过程是最理想的,一般来说,静态开关的输出既不会产生电压的畸变,也不会出现电流的冲击。如果仔细观察切换过程示波图,可以看到,只是在交流电流的过零点附近,最多有约0.2MS的间断。所以逆变器电源与市电电源同步非常重要,在UPS系统测试验证过程中,只要在IT负载容许的工作频率范围内,逆变器跟踪市电电源的频率应设定范围宽一点为好,一般设定2%(49HZ-51HZ),这样出现不同步的概率就低。如逆变器跟踪市电电源的频率范围太小,如设定0.5%(49.75HZ-50.25HZ),在这种情况下,出现不同步的概率就大,逆变器与备用电源不同频,它们之间的相位差就会不断地变化。此时若静态开关切换,则必定是不同步切换。

 

实际上UPS的静态开关是容许逆变器电源和市电电源不同步切换的,只是逆变器电源和市电电源不同步时情况复杂,最恶劣时逆变器电源和市电电源正好相差180度,而切换点T1的时刻也是变量,可以在任何时候出现,不同切换点得到的输出正弦波有所不同,所以不同步切换会带来一些后果严重的影响,这里主要指变压器的励磁涌流冲击以及感性负载下切换时可能出现的电压波形间断的问题,所以应尽量避免不同步切换。

 

静态开关从接通逆变器电源输出切换至接通市电电源输出是被动行为,是逆变器故障而引起的,是由逆变器故障时间点来决定切换点。

 

静态开关的复位则比较简单,因为静态开关从接通市电电源输出复位至接通逆变器电源输出是主动行为,所以静态开关的复位点可以选择在过零点进行,从而对负载几乎没有影响。

 

下图来源:中科仙络工程师在某大型数据中心运维中拍摄图片:

 

 

上图是大型UPS面板显示器内容,说明在市电波动超出范围,蓄电池放电时,逆变器和旁路电源存在不同步情况,这应该是普遍现象,不同步切换对大型数据中心危害极大,而不同步切换正是我们在运维中要极力避免的。

 

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中科仙络咨询顾问具备多年数据中心运维管理经验,同时咨询顾问拥有UPTIME ATD/ATS资质。充分理解UPTIME M&O运维管理标准,可结合人员组织架构、维护、培训、计划协调、运行条件五大领域建立完善运维管理体系。

 

2020年3月17日
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