供配電系統是數據中心的基礎設施,它直接為IT設備供電。但往往會出現供電容量入不敷出的現象,究其原因還是基本概念不清。這種概念的誤區來源于兩個方面:一個是從已有的文章論述或某個書本上獲得,一個是功率因數表的測量結果。于是就認為從實驗結果印證了IT設備的電容性理論。是的,在很多情況下,功率因數表的測量結果顯示電容性,測量結果是對的,關鍵是理解是錯誤的。

　　1 從幾種基本元器件的特性談起

在構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存功率的,電容以電場的形式儲存,而電感則以磁場的形式儲存。

懂電路的人都知道電容和電感有互補的關系,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,根據飽和程度而變;

XC和XL—分別為容抗和感抗,單位是Ω。

從兩個電抗表達式中可以看出,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。

二者全補償的條件是:XC-XL=0

電壓源(包括發電機)就是根據這個原理設計的。一般情況下,帶負載的電子電路,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

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

從圖中可以看出,負載兩端的電壓為

(3)

從圖2中也可以看出,若負載R是一個變量,就會導致電流I的變化,從而導致電壓U1的變化,這樣就不穩壓了。但如果式(3)中

　　(4)

即r(Zu)→0(5)

就是說如果電源的內阻等于零,就會使負載端的電壓永遠是

U1=E(6)

這就達到了輸出端穩壓的目的。

什么器件放在輸出端能實現在負載變化時(這里指的是快速變化),內阻呈零效果而電壓不變呢?那只有電容器,因為電容上的電壓不能突變,這是它的特性。所以電源的輸出阻抗都呈容性。

那么后面的負載是什么性質呢?如果不是專門制造,后面的負載都是感性的。一個實際的例子:

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

　　3 IT設備的輸入特性

任何設備的性質是由輸入功率因數決定的,而輸入功率因數的符號又是由輸入阻抗決定的。由于機房中大部分用電設備都是220Vac輸入,現就以輸入電壓為220Vac的電子設備為例來討論輸入正弦波失真原理。討論這個問題的目的在于鑒別用電設備的負載特性。因為電阻和電容都是線性負載,不會產生波形失真。如圖3所示。

圖3(a)表示的是線性負載的特性,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定值,即

(7)

同樣,電容的電抗也是一個不變的值,當然不排除它是慣性器件,并且由于它的慣性特點會產生電壓電流相移,導致產生無功功率,但這不會影響它的線性特點。

看來只有非線性負載才會使波形失真,如圖3(d)所示。但如果工作在線性區如圖3(c)所示的ΔU1以下區域就不會導致波形失真。那么輸入電壓為220Vac(380Vac也同理)的電子設備為什么具有非線性特性呢?從圖3(d)可以看出,電感性負載工作在非線性區域時,不但有電壓電流相移產生的無功功率,還會有非線性區域導致的無功功率。總之,導致波形失真的只有感性負載才具備這樣的條件。

現在來看一下如圖4所示的輸入電壓為220Vac的電子設備,目前這樣的設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電壓波形,為了得到平穩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,就出現了一種現象,即在沒有電容器C時,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,這是因為整流電壓必須高于電容上電壓UCD,整流二極管才允許電流通過,可見這個通導區域很窄,一般不超過30°。由于脈沖電流的面積必須等于其相應的正弦半波面積才能滿足負載的要求,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,這樣一來就會在輸入電源內阻和線路上造成很大的壓降,由于它正好對應正弦波的峰值,所以就造成了輸入電壓峰頂的凹陷,這就是失真,如圖4(b)最上面的波形所示,這就導致了輸入220Vac用電設備的輸入功因數只有0.6～0.7,是典型的電感性負載。

4 為什么UPS帶的IT設備時呈電容性呢?

這正是造成人們誤解的關鍵。不僅要問:既然UPS與IT設備連接都是如圖5所示,那么為什么UPS帶IT設備時,UPS輸出端(也是IT設備輸入端)呈電容性呢?UPS后面的負載就是IT設備,當然IT負載是容性的。這就是誤解的來源,尤其是具有測量手段的測量者就更會是深信不疑了。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設備的匹配原理方框圖,虛線圈內XC表示UPS的輸出容性阻抗,而圈內XL表示的是IT設備的輸入感性阻抗,如果XC=XL,就表示二達到了完全匹配,此時用功率因數表測得的結果就是線性1。

　但實際應用中,又有幾個能夠實現這樣的最優組合呢!幾乎沒有。比如一臺負載功率因數為-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負載的輸入功率因數也是-0.8,而且也要求滿負荷,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負載的輸入功率因數也是-0.8,一般最多也就是80%的負載量,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)

如果此時用功率因數表去測量UPS的輸出端,表上顯示的是容性還是感性?顯然是顯示容性。

當今高頻機UPS的負載功率因數都在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)

而現在的IT設備的輸入功率因數都在0.95以上,暫且認為是0.95,那么100kVA的IT負載所需有功功率（11)

無功功率

(12)

可以看出,即使將負載的無功功率全部補償,即

　  　(13)

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

　　5 結束語

綜上所述,可以得出如下結論:

①UPS輸出阻抗是容性的,IT負載輸入阻抗是感性的。

②UPS的容性輸出阻抗是為了匹配IT負載的感性輸入阻抗。

③UPS輸出端所以顯示容性,是因為UPS容性輸出阻抗大于被補償的IT負載的感性輸入阻抗。不能達到完全補償時,剩余的容性部分使得測量儀表顯示電容性。

編輯：Harris

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