供配電系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施,它直接為IT設(shè)備供電。但往往會(huì)出現(xiàn)供電容量入不敷出的現(xiàn)象,究其原因還是基本概念不清。這種概念的誤區(qū)來源于兩個(gè)方面:一個(gè)是從已有的文章論述或某個(gè)書本上獲得,一個(gè)是功率因數(shù)表的測(cè)量結(jié)果。于是就認(rèn)為從實(shí)驗(yàn)結(jié)果印證了IT設(shè)備的電容性理論。是的,在很多情況下,功率因數(shù)表的測(cè)量結(jié)果顯示電容性,測(cè)量結(jié)果是對(duì)的,關(guān)鍵是理解是錯(cuò)誤的。

　　1 從幾種基本元器件的特性談起

在構(gòu)成電路的電子器件中,除有源器件外便是電阻R、電容C和電感L,如圖1所示。眾所周知,只有電阻是消耗功率的,而電容和電感都是儲(chǔ)存功率的,電容以電場(chǎng)的形式儲(chǔ)存,而電感則以磁場(chǎng)的形式儲(chǔ)存。

懂電路的人都知道電容和電感有互補(bǔ)的關(guān)系,它們都是慣性器件。電容上的電壓不能突變,在交流電中,電容中的電流超前電壓90°,電感中的電流滯后電壓90°,二者的阻抗可以直接相減。它們的阻抗表達(dá)式為

容抗(1)

感抗         (2)

式中:π=3.1416;

f—工作頻率,單位Hz;

C—電容量,單位是F,這是一個(gè)不變的值(不包括器件衰減特性);

L—電感量,單位是H,但此值在磁飽和的情況下,根據(jù)飽和程度而變;

XC和XL—分別為容抗和感抗,單位是Ω。

從兩個(gè)電抗表達(dá)式中可以看出,容抗XC值的大小和工作頻率成反比,即頻率越高,電抗值越低;感抗XL值的大小和工作頻率成正比,即頻率越高,電抗值越高。

二者全補(bǔ)償?shù)臈l件是:XC-XL=0

電壓源(包括發(fā)電機(jī))就是根據(jù)這個(gè)原理設(shè)計(jì)的。一般情況下,帶負(fù)載的電子電路,除特殊用途的射極跟隨器外,要求輸出阻抗越小越好,而輸入阻抗越高越好。

　　2 電壓源的特點(diǎn)

電源分電壓源和電流源,也稱作穩(wěn)壓源和穩(wěn)流源,由于數(shù)據(jù)中心所用的電源大都屬于穩(wěn)壓源范疇,故在這里只討論穩(wěn)壓源。圖2為穩(wěn)壓源原理方框圖。其中E是電源的電動(dòng)勢(shì),r是電源的內(nèi)阻,R是負(fù)載電阻(或阻抗),U1為負(fù)載兩端的電壓,I是回路電流。

從圖中可以看出,負(fù)載兩端的電壓為

(3)

從圖2中也可以看出,若負(fù)載R是一個(gè)變量,就會(huì)導(dǎo)致電流I的變化,從而導(dǎo)致電壓U1的變化,這樣就不穩(wěn)壓了。但如果式(3)中

　　(4)

即r(Zu)→0(5)

就是說如果電源的內(nèi)阻等于零,就會(huì)使負(fù)載端的電壓永遠(yuǎn)是

U1=E(6)

這就達(dá)到了輸出端穩(wěn)壓的目的。

什么器件放在輸出端能實(shí)現(xiàn)在負(fù)載變化時(shí)(這里指的是快速變化),內(nèi)阻呈零效果而電壓不變呢?那只有電容器,因?yàn)殡娙萆系碾妷翰荒芡蛔?這是它的特性。所以電源的輸出阻抗都呈容性。

那么后面的負(fù)載是什么性質(zhì)呢?如果不是專門制造,后面的負(fù)載都是感性的。一個(gè)實(shí)際的例子:

在一些用電大戶可以看到,市電進(jìn)入后首先碰到的是一個(gè)電容補(bǔ)償柜,有誰見過電感補(bǔ)償柜?這不是說明用電容補(bǔ)償柜的容抗去補(bǔ)償負(fù)載端的感抗嗎。

　　3 IT設(shè)備的輸入特性

任何設(shè)備的性質(zhì)是由輸入功率因數(shù)決定的,而輸入功率因數(shù)的符號(hào)又是由輸入阻抗決定的。由于機(jī)房中大部分用電設(shè)備都是220Vac輸入,現(xiàn)就以輸入電壓為220Vac的電子設(shè)備為例來討論輸入正弦波失真原理。討論這個(gè)問題的目的在于鑒別用電設(shè)備的負(fù)載特性。因?yàn)殡娮韬碗娙荻际蔷€性負(fù)載,不會(huì)產(chǎn)生波形失真。如圖3所示。

圖3(a)表示的是線性負(fù)載的特性,從這里可以看出,它的阻抗是一條直線,電壓和電流的比值是一個(gè)定值,即

(7)

同樣,電容的電抗也是一個(gè)不變的值,當(dāng)然不排除它是慣性器件,并且由于它的慣性特點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生電壓電流相移,導(dǎo)致產(chǎn)生無功功率,但這不會(huì)影響它的線性特點(diǎn)。

看來只有非線性負(fù)載才會(huì)使波形失真,如圖3(d)所示。但如果工作在線性區(qū)如圖3(c)所示的ΔU1以下區(qū)域就不會(huì)導(dǎo)致波形失真。那么輸入電壓為220Vac(380Vac也同理)的電子設(shè)備為什么具有非線性特性呢?從圖3(d)可以看出,電感性負(fù)載工作在非線性區(qū)域時(shí),不但有電壓電流相移產(chǎn)生的無功功率,還會(huì)有非線性區(qū)域?qū)е碌臒o功功率?？傊?導(dǎo)致波形失真的只有感性負(fù)載才具備這樣的條件。

現(xiàn)在來看一下如圖4所示的輸入電壓為220Vac的電子設(shè)備,目前這樣的設(shè)備都有本身的供電電源。如圖4(a)所示。從圖中可以看出,220Vac輸入后,就有整流器整流成脈動(dòng)電壓波形,為了得到平穩(wěn)的直流電壓就必須用電容器C濾波,一般濾波電壓為300V。這樣一來,就出現(xiàn)了一種現(xiàn)象,即在沒有電容器C時(shí),通過整流器的電流是正弦半波,但有了電容器C后,通過整流器的電流則是幅度很高的脈沖波。眾所周知,這是因?yàn)檎麟妷罕仨毟哂陔娙萆想妷篣CD,整流二極管才允許電流通過,可見這個(gè)通導(dǎo)區(qū)域很窄,一般不超過30°。由于脈沖電流的面積必須等于其相應(yīng)的正弦半波面積才能滿足負(fù)載的要求,所以需要非常高的脈沖幅度,如圖4(b)中黑色脈沖所示,一般是平均電流AB幅度的5倍左右,這樣一來就會(huì)在輸入電源內(nèi)阻和線路上造成很大的壓降,由于它正好對(duì)應(yīng)正弦波的峰值,所以就造成了輸入電壓峰頂?shù)陌枷?這就是失真,如圖4(b)最上面的波形所示,這就導(dǎo)致了輸入220Vac用電設(shè)備的輸入功因數(shù)只有0.6～0.7,是典型的電感性負(fù)載。

4 為什么UPS帶的IT設(shè)備時(shí)呈電容性呢?

這正是造成人們誤解的關(guān)鍵。不僅要問:既然UPS與IT設(shè)備連接都是如圖5所示,那么為什么UPS帶IT設(shè)備時(shí),UPS輸出端(也是IT設(shè)備輸入端)呈電容性呢?UPS后面的負(fù)載就是IT設(shè)備,當(dāng)然IT負(fù)載是容性的。這就是誤解的來源,尤其是具有測(cè)量手段的測(cè)量者就更會(huì)是深信不疑了。真相到底是什么樣的,這又作何解釋呢?真相就在圖6中。圖6表示的是UPS與IT設(shè)備的匹配原理方框圖,虛線圈內(nèi)XC表示UPS的輸出容性阻抗,而圈內(nèi)XL表示的是IT設(shè)備的輸入感性阻抗,如果XC=XL,就表示二達(dá)到了完全匹配,此時(shí)用功率因數(shù)表測(cè)得的結(jié)果就是線性1。

　但實(shí)際應(yīng)用中,又有幾個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)這樣的最優(yōu)組合呢!幾乎沒有。比如一臺(tái)負(fù)載功率因數(shù)為-0.8、容量為100kVA的UPS,其輸出能力是有功功率80kW,無功功率60kvar,如果IT負(fù)載的輸入功率因數(shù)也是-0.8,而且也要求滿負(fù)荷,即要求輸入有功功率80kW和無功功率60kvar。這是一種理想情況!即使IT負(fù)載的輸入功率因數(shù)也是-0.8,一般最多也就是80%的負(fù)載量,即要求輸入有功功率64kW和無功功率48kvar。那么就有

XC-XL=60kvar-48kvar=12kvar (8)

如果此時(shí)用功率因數(shù)表去測(cè)量UPS的輸出端,表上顯示的是容性還是感性?顯然是顯示容性。

當(dāng)今高頻機(jī)UPS的負(fù)載功率因數(shù)都在0.9以上,假如為0.9,也就是說100kVA的UPS輸出能力

為有功功率PUPS=100kVA×0.9=90kW(9)

無功功率

(10)

而現(xiàn)在的IT設(shè)備的輸入功率因數(shù)都在0.95以上,暫且認(rèn)為是0.95,那么100kVA的IT負(fù)載所需有功功率（11)

無功功率

(12)

可以看出,即使將負(fù)載的無功功率全部補(bǔ)償,即

　  　(13)

這37.6kvar難道不是容性的嗎!這就是為什么功率因數(shù)表上顯示UPS負(fù)載端是容性的原因。

　　5 結(jié)束語

綜上所述,可以得出如下結(jié)論:

①UPS輸出阻抗是容性的,IT負(fù)載輸入阻抗是感性的。

②UPS的容性輸出阻抗是為了匹配IT負(fù)載的感性輸入阻抗。

③UPS輸出端所以顯示容性,是因?yàn)閁PS容性輸出阻抗大于被補(bǔ)償?shù)腎T負(fù)載的感性輸入阻抗。不能達(dá)到完全補(bǔ)償時(shí),剩余的容性部分使得測(cè)量儀表顯示電容性。

編輯：Harris

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