2.1 Generatore e carico
Il generatore si basa su un regolatore di tensione per controllare la tensione di uscita. Il regolatore di tensione rileva la tensione di uscita trifase e confronta il suo valore medio con il valore di tensione richiesto. Il regolatore assorbe energia da una fonte di alimentazione ausiliaria all'interno del generatore, tipicamente un piccolo generatore coassiale con il generatore principale, e fornisce una fonte di energia continua alla bobina di eccitazione del campo magnetico del rotore del generatore. La corrente della bobina aumenta o diminuisce, controllando il campo magnetico rotante della bobina dello statore del generatore o l'entità della forza elettromotrice EMF. Il flusso magnetico della bobina dello statore determina la tensione di uscita del generatore.
La resistenza interna della bobina dello statore del generatore è indicata da Z, incluse le porzioni induttive e resistive; la forza elettromotrice del generatore controllata dalla bobina di eccitazione del rotore è indicata da E con una sorgente di tensione CA. Supponendo che il carico sia puramente induttivo, la corrente I ritarda la tensione U di un angolo di fase elettrico esattamente 90 ° nel diagramma vettoriale. Se il carico è puramente resistivo, i vettori di U e I coincideranno o saranno in fase. In effetti, la maggior parte dei carichi è tra puro resistivo e puramente induttivo. La caduta di tensione causata dalla corrente che passa attraverso la bobina dello statore è rappresentata da un vettore di tensione I x Z. In realtà è la somma di due vettori di tensione più piccoli, la caduta di tensione in fase con I e la caduta di tensione dell'induttore di 90 ° avanti. In questo caso, sembra essere in fase con U. Poiché la forza elettromotrice deve essere uguale alla somma della caduta di tensione della resistenza interna del generatore e della tensione di uscita, cioè la somma vettoriale dei vettori E = U e I × Z. Il regolatore di tensione modifica E per controllare efficacemente la tensione U.
Consideriamo ora cosa succede alle condizioni interne del generatore quando viene utilizzato un carico puramente capacitivo invece di un carico puramente induttivo. La corrente in questo momento è esattamente l'opposto del carico induttivo. La corrente I ora conduce il vettore di tensione U e anche il vettore di caduta di tensione di resistenza interna I × Z è esattamente invertito. Quindi la somma vettoriale di U e I × Z è inferiore a U.
Poiché la stessa forza elettromotrice E al momento del carico induttivo produce una tensione di uscita U più elevata al carico capacitivo, il regolatore di tensione deve ridurre significativamente il campo magnetico rotante. In effetti, il regolatore di tensione potrebbe non avere un raggio sufficiente per regolare completamente la tensione di uscita. L'eccitazione continua del rotore di tutti i generatori in una direzione contiene un campo magnetico permanente. Anche se il regolatore di tensione è completamente chiuso, il rotore ha ancora un campo magnetico sufficiente per caricare il carico capacitivo e generare una tensione. Questo fenomeno è chiamato "autoeccitazione". Il risultato dell'autoeccitazione è la sovratensione o l'arresto del regolatore di tensione e il sistema di monitoraggio del generatore è considerato un guasto del regolatore di tensione (cioè "diseccitato"). In entrambi i casi, il generatore si fermerà. Il carico collegato all'uscita del generatore può essere indipendente o parallelo, in base ai tempi e alle impostazioni del funzionamento automatico del quadro elettrico. In alcune applicazioni, il sistema UPS è il primo carico da collegare al generatore durante un'interruzione di corrente. In altri casi, l'UPS e il carico meccanico sono collegati contemporaneamente. Il carico meccanico di solito ha un contattore di avviamento. Ci vuole un certo tempo per richiudersi dopo un'interruzione di corrente, e c'è un ritardo nella compensazione del carico del motore induttivo del condensatore del filtro di ingresso dell'UPS. L'UPS stesso ha un periodo di tempo chiamato ciclo "soft start", che sposta il carico dalla batteria al generatore, aumentando il suo fattore di potenza in ingresso. Tuttavia, i filtri di input dell'UPS non partecipano al processo di avvio software. Sono collegati all'ingresso dell'UPS come parte dell'UPS. Pertanto, in alcuni casi, il carico principale collegato per la prima volta all'uscita del generatore quando viene interrotta l'alimentazione è il filtro di ingresso dell'UPS. Sono altamente capacitivi (a volte puramente capacitivi).
La soluzione a questo problema è ovviamente quella di utilizzare la correzione del fattore di potenza. Ci sono diversi modi per farlo, come segue:
● Installare l'armadio elettrico automatico in modo che il carico del motore sia collegato prima dell'UPS. Alcuni switcher potrebbero non essere in grado di implementare questo metodo. Inoltre, gli ingegneri dell'impianto potrebbero aver bisogno di commissionare separatamente UPS e generatori durante la manutenzione.
• Aggiungere una reattanza reattiva permanente per compensare il carico capacitivo, in genere utilizzando un reattore a carica parallela collegato all'EG o alla scheda parallela di uscita del generatore. Questo è facile da implementare e costa meno. Ma nel caso di carico elevato o basso carico, il reattore assorbe sempre la corrente e influenza il fattore di potenza del carico. E indipendentemente dal numero di UPS, il numero di reattori è sempre fisso.
● Aggiungere un reattore induttivo a ciascun UPS per compensare la reattanza capacitiva dell'UPS. L'ingresso del reattore (opzione) controlla l'ingresso del reattore in condizioni di basso carico. Questo metodo è più accurato, ma il numero è elevato e il costo di installazione e controllo è elevato.
● Installare il contattore prima del condensatore del filtro e scollegarlo a basso carico. Poiché il tempo del contattore deve essere preciso, il controllo è complicato e può essere installato solo in fabbrica.
Quale metodo è ottimale dipende dalla situazione sul posto e dalle prestazioni dell'attrezzatura.
2.2 Problema di risonanza
I problemi di autoeccitazione del condensatore possono essere aggravati o mascherati da altri stati elettrici, come la risonanza in serie. Quando il valore ohmico della reattanza induttiva del generatore e il valore ohmico della reattanza capacitiva del filtro di ingresso sono vicini l'uno all'altro, e il valore di resistenza del sistema è piccolo, si verificherà un'oscillazione e la tensione potrebbe superare il valore nominale di il sistema di alimentazione. Il nuovo sistema UPS è essenzialmente un'impedenza di ingresso capacitivo al 100%. Un UPS da 500 kVA può avere una capacità di 150 kvar e un fattore di potenza vicino allo zero. Induttori paralleli, bobine di serie e trasformatori di isolamento in ingresso sono componenti comuni dell'UPS e questi componenti sono induttivi. Infatti, insieme alla capacità del filtro, l'UPS è generalmente capacitivo e potrebbe esserci qualche oscillazione all'interno dell'UPS. Accoppiato con le caratteristiche capacitive della linea di trasmissione collegata all'UPS, la complessità dell'intero sistema è notevolmente migliorata, al di là dell'ambito di analisi che può essere analizzato dagli ingegneri generali.
Due ulteriori fattori nelle applicazioni chiave hanno recentemente reso questi problemi più comuni. In primo luogo, i produttori di apparecchiature informatiche forniscono più alimentazione in ingresso ridondante nelle loro apparecchiature, a seconda dei requisiti dell'elaborazione dei dati altamente affidabile dell'utente. Tipici armadi per computer ora sono dotati di due o più cavi di alimentazione. In secondo luogo, il responsabile dell'apparecchiatura chiedeva al sistema di supportare la manutenzione in linea e desiderava proteggere il carico critico durante la manutenzione dello spegnimento dell'UPS. Questi due fattori aumentano il numero di installazioni di tipici UPS di data center e riducono la capacità di carico di ciascun UPS. Tuttavia, l'aumento dei generatori non è coerente con l'UPS. Agli occhi del responsabile dell'apparecchiatura, il generatore è solitamente di riserva e facile da organizzare per la manutenzione. Anche in alcuni grandi progetti la pressione finanziaria limita il numero di costosi gruppi elettrogeni ad alta potenza. Il risultato è che ogni generatore ha più UPS, una tendenza che rende i produttori di UPS felici e produttori di generatori di problemi.
La migliore difesa contro l'autoeccitazione e l'oscillazione è la conoscenza di base della fisica. Gli ingegneri devono determinare attentamente le caratteristiche del fattore di potenza del sistema UPS in tutte le condizioni di carico. Dopo aver installato l'apparecchiatura UPS, il proprietario deve aderire al test completo e misurare attentamente i parametri di funzionamento dell'intero sistema durante la regolazione del test. Quando vengono rilevati problemi, la soluzione migliore consiste nell'impostare un team di progetto di fornitori, ingegneri, appaltatori e proprietari per testare completamente il sistema e trovare soluzioni.
