2.1 Generator und Last
Der Generator verwendet einen Spannungsregler zur Steuerung der Ausgangsspannung. Der Spannungsregler erfasst die dreiphasige Ausgangsspannung und vergleicht seinen Durchschnittswert mit dem erforderlichen Spannungswert. Der Regler bezieht Energie aus einer Hilfsenergiequelle im Generator, typischerweise einem kleinen Generator, der koaxial zum Hauptgenerator ist, und liefert eine Gleichstromquelle an die Magnetfeld-Erregerspule des Generatorrotors. Der Spulenstrom steigt oder fällt ab und steuert das rotierende Magnetfeld der Statorspule des Generators oder die Größe der elektromotorischen Kraft EMF. Der magnetische Fluss der Statorspule bestimmt die Ausgangsspannung des Generators.
Der Innenwiderstand der Generatorstatorwicklung ist mit Z bezeichnet, einschließlich der induktiven und der resistiven Teile; Die durch die Rotorerregungsspule gesteuerte elektromotorische Kraft des Generators ist mit E mit einer Wechselspannungsquelle bezeichnet. Unter der Annahme, dass die Last rein induktiv ist, folgt der Strom I der Spannung U im Vektordiagramm um genau 90 ° elektrischen Phasenwinkel. Wenn die Last rein resistiv ist, stimmen die Vektoren von U und I überein oder sind in Phase. Tatsächlich sind die meisten Lasten zwischen reinem Widerstand und rein induktiv. Der Spannungsabfall, der durch den durch die Statorspule fließenden Strom verursacht wird, wird durch einen Spannungsvektor I x Z dargestellt. Er ist tatsächlich die Summe zweier kleinerer Spannungsvektoren, der Spannungsabfall in Phase mit I und der Induktionsspannungsabfall von 90 °. In diesem Fall ist es zufällig in Phase mit U. Da die elektromotorische Kraft gleich der Summe des Spannungsabfalls des Innenwiderstands des Generators und der Ausgangsspannung sein muss, das heißt der Vektorsumme der Vektoren E = U und I × Z. Der Spannungsregler ändert E, um die Spannung U effektiv zu steuern.
Betrachten Sie nun, was mit den internen Bedingungen des Generators passiert, wenn eine rein kapazitive Last anstelle einer rein induktiven Last verwendet wird. Der Strom zu diesem Zeitpunkt ist genau das Gegenteil der induktiven Last. Der Strom I führt nun den Spannungsvektor U an, und auch der Spannungsvektor I × Z des inneren Widerstands ist genau invertiert. Dann ist die Vektorsumme von U und I × Z kleiner als U.
Da die gleiche elektromotorische Kraft E zum Zeitpunkt der induktiven Last eine höhere Generatorausgangsspannung U an der kapazitiven Last erzeugt, muss der Spannungsregler das rotierende Magnetfeld deutlich reduzieren. Tatsächlich hat der Spannungsregler möglicherweise nicht genügend Reichweite, um die Ausgangsspannung vollständig zu regeln. Die kontinuierliche Erregung des Rotors aller Generatoren in einer Richtung enthält ein permanentes Magnetfeld. Selbst wenn der Spannungsregler vollständig geschlossen ist, hat der Rotor noch genügend Magnetfeld, um die kapazitive Last zu laden und eine Spannung zu erzeugen. Dieses Phänomen wird als "Selbsterregung" bezeichnet. Das Ergebnis der Selbsterregung ist das Abschalten der Überspannung oder des Spannungsreglers, und das Überwachungssystem des Generators wird als Fehler des Spannungsreglers betrachtet (dh "stromlos"). In jedem Fall stoppt der Generator. Die an den Generatorausgang angeschlossene Last kann abhängig vom Zeitpunkt und den Einstellungen des automatischen Schaltschrankbetriebs unabhängig oder parallel sein. In einigen Anwendungen ist das USV-System die erste Last, die während eines Stromausfalls an den Generator angeschlossen wird. In anderen Fällen werden die USV und die mechanische Last gleichzeitig angeschlossen. Die mechanische Belastung hat normalerweise ein Startschütz. Es dauert eine gewisse Zeit, bis nach einem Stromausfall wieder geschlossen wird, und es kommt zu einer Verzögerung der Kompensation der induktiven Motorlast des USV-Eingangsfilterkondensators. Die USV selbst verfügt über eine Zeitdauer, die als "Sanftanlauf" bezeichnet wird und die Last von der Batterie zum Generator verlagert, wodurch der Eingangsleistungsfaktor erhöht wird. Die Eingangsfilter der USV nehmen jedoch nicht am Sanftanlauf teil. Sie sind als Teil der USV mit dem Eingang der USV verbunden. Daher ist in einigen Fällen die Hauptlast, die bei Stromausfall zuerst mit dem Generatorausgang verbunden ist, der Eingangsfilter der USV. Sie sind sehr kapazitiv (manchmal rein kapazitiv).
Die Lösung für dieses Problem ist offensichtlich die Verwendung der Leistungsfaktorkorrektur. Dafür gibt es mehrere Möglichkeiten:
● Installieren Sie den automatischen Schaltschrank so, dass die Motorlast vor der USV angeschlossen ist. Einige Switche können diese Methode möglicherweise nicht implementieren. Außerdem müssen Anlageningenieure USV und Generatoren während der Wartung möglicherweise separat in Betrieb nehmen.
• Fügen Sie eine permanente reaktive Reaktanz hinzu, um die kapazitive Last zu kompensieren, normalerweise unter Verwendung eines parallel gewickelten Reaktors, der an die Parallelplatine des EG- oder Generatorausgangs angeschlossen ist. Dies ist einfach zu implementieren und kostet weniger. Bei hoher Last oder niedriger Last nimmt der Reaktor jedoch immer Strom auf und beeinflusst den Lastleistungsfaktor. Und unabhängig von der Anzahl der USVs ist die Anzahl der Reaktoren immer fest.
● Fügen Sie jeder USV eine induktive Drossel hinzu, um die kapazitive Reaktanz der USV zu kompensieren. Der Reaktoreingang (Option) steuert den Eingang des Reaktors unter niedrigen Lastbedingungen. Diese Methode ist genauer, aber die Anzahl ist groß und die Kosten für Installation und Steuerung sind hoch.
● Installieren Sie das Schütz vor dem Filterkondensator und trennen Sie es bei geringer Last. Da die Zeit des Schützes genau sein muss, ist die Steuerung kompliziert und kann nur im Werk installiert werden.
Welche Methode optimal ist, hängt von der Situation vor Ort und der Leistung der Ausrüstung ab.
2.2 Resonanzproblem
Probleme der Kondensatorenerregung können durch andere elektrische Zustände, beispielsweise Serienresonanz, verstärkt oder maskiert werden. Wenn der ohmsche Wert der induktiven Reaktanz des Generators und der ohmsche Wert der kapazitiven Reaktanz des Eingangsfilters nahe beieinander liegen und der Widerstandswert des Systems klein ist, tritt eine Oszillation auf und die Spannung kann den Nennwert von übersteigen das Stromsystem. Das neu entwickelte USV-System hat im Wesentlichen eine kapazitive Eingangsimpedanz von 100%. Eine 500-kVA-USV kann eine Kapazität von 150 kvar und einen Leistungsfaktor nahe Null haben. Parallelinduktoren, Reihendrosseln und Eingangstransformatoren sind übliche Komponenten der USV, und diese Komponenten sind induktiv. Zusammen mit der Kapazität des Filters ist die USV im Allgemeinen kapazitiv, und innerhalb der USV kann es zu Schwingungen kommen. Zusammen mit den kapazitiven Eigenschaften der Übertragungsleitung, die an die USV angeschlossen ist, wird die Komplexität des Gesamtsystems erheblich verbessert, und zwar über den Umfang der Analyse hinaus, der von allgemeinen Ingenieuren analysiert werden kann.
Zwei zusätzliche Faktoren in Schlüsselanwendungen haben diese Probleme in letzter Zeit häufiger gemacht. Erstens bieten Computerausrüstungshersteller in Abhängigkeit von den Anforderungen der äußerst zuverlässigen Datenverarbeitung des Benutzers eine redundantere Leistungsaufnahme in ihre Ausrüstung. Typische Computerschränke werden jetzt mit zwei oder mehr Netzkabeln geliefert. Zweitens bat der Ausrüstungsmanager das System, die Online-Wartung zu unterstützen, und sie wollten die kritische Last während der USV-Wartungsarbeiten schützen. Diese beiden Faktoren erhöhen die Anzahl der Installationen typischer USVs im Rechenzentrum und verringern die Belastbarkeit jeder USV. Der Anstieg der Generatoren stimmt jedoch nicht mit der USV überein. In den Augen des Ausrüstungsmanagers ist der Generator normalerweise erspart und für die Wartung leicht zu arrangieren. Auch in einigen großen Projekten begrenzt der finanzielle Druck die Anzahl der teuren Hochleistungsgeneratorsätze. Das Ergebnis ist, dass jeder Generator über mehr USV verfügt. Dies ist ein Trend, der USV-Hersteller glücklich macht und Generatorhersteller in Schwierigkeiten bringt.
Die beste Verteidigung gegen Selbsterregung und Schwingung ist das Grundwissen der Physik. Ingenieure sollten die Leistungsfaktoren des USV-Systems unter allen Lastbedingungen sorgfältig ermitteln. Nachdem die USV-Ausrüstung installiert wurde, sollte der Besitzer den umfassenden Test durchführen und die Arbeitsparameter des gesamten Systems beim Anpassen des Tests sorgfältig messen. Wenn Probleme entdeckt werden, besteht die beste Lösung darin, ein Projektteam aus Anbietern, Ingenieuren, Auftragnehmern und Eigentümern einzurichten, um das System vollständig zu testen und Lösungen zu finden.
