供配电系统是数据中心的基础设施,它直接为IT设备供电。但往往会出现供电容量入不敷出的现象,究其原因还是基本概念不清。这种概念的误区来源于两个方面:一个是从已有的文章论述或某个书本上获得,一个是功率因数表的测量结果。于是就认为从实验结果印证了IT设备的电容性理论。是的,在很多情况下,功率因数表的测量结果显示电容性,测量结果是对的,关键是理解是错误的。

　　1 从几种基本元器件的特性谈起

在构成电路的电子器件中,除有源器件外便是电阻R、电容C和电感L,如图1所示。众所周知,只有电阻是消耗功率的,而电容和电感都是储存功率的,电容以电场的形式储存,而电感则以磁场的形式储存。

懂电路的人都知道电容和电感有互补的关系,它们都是惯性器件。电容上的电压不能突变,在交流电中,电容中的电流超前电压90°,电感中的电流滞后电压90°,二者的阻抗可以直接相减。它们的阻抗表达式为

容抗(1)

感抗         (2)

式中:π=3.1416;

f—工作频率,单位Hz;

C—电容量,单位是F,这是一个不变的值(不包括器件衰减特性);

L—电感量,单位是H,但此值在磁饱和的情况下,根据饱和程度而变;

XC和XL—分别为容抗和感抗,单位是Ω。

从两个电抗表达式中可以看出,容抗XC值的大小和工作频率成反比,即频率越高,电抗值越低;感抗XL值的大小和工作频率成正比,即频率越高,电抗值越高。

二者全补偿的条件是:XC-XL=0

电压源(包括发电机)就是根据这个原理设计的。一般情况下,带负载的电子电路,除特殊用途的射极跟随器外,要求输出阻抗越小越好,而输入阻抗越高越好。

　　2 电压源的特点

电源分电压源和电流源,也称作稳压源和稳流源,由于数据中心所用的电源大都属于稳压源范畴,故在这里只讨论稳压源。图2为稳压源原理方框图。其中E是电源的电动势,r是电源的内阻,R是负载电阻(或阻抗),U1为负载两端的电压,I是回路电流。

从图中可以看出,负载两端的电压为

(3)

从图2中也可以看出,若负载R是一个变量,就会导致电流I的变化,从而导致电压U1的变化,这样就不稳压了。但如果式(3)中

　　(4)

即r(Zu)→0(5)

就是说如果电源的内阻等于零,就会使负载端的电压永远是

U1=E(6)

这就达到了输出端稳压的目的。

什么器件放在输出端能实现在负载变化时(这里指的是快速变化),内阻呈零效果而电压不变呢?那只有电容器,因为电容上的电压不能突变,这是它的特性。所以电源的输出阻抗都呈容性。

那么后面的负载是什么性质呢?如果不是专门制造,后面的负载都是感性的。一个实际的例子:

在一些用电大户可以看到,市电进入后首先碰到的是一个电容补偿柜,有谁见过电感补偿柜?这不是说明用电容补偿柜的容抗去补偿负载端的感抗吗。

　　3 IT设备的输入特性

任何设备的性质是由输入功率因数决定的,而输入功率因数的符号又是由输入阻抗决定的。由于机房中大部分用电设备都是220Vac输入,现就以输入电压为220Vac的电子设备为例来讨论输入正弦波失真原理。讨论这个问题的目的在于鉴别用电设备的负载特性。因为电阻和电容都是线性负载,不会产生波形失真。如图3所示。

图3(a)表示的是线性负载的特性,从这里可以看出,它的阻抗是一条直线,电压和电流的比值是一个定值,即

(7)

同样,电容的电抗也是一个不变的值,当然不排除它是惯性器件,并且由于它的惯性特点会产生电压电流相移,导致产生无功功率,但这不会影响它的线性特点。

看来只有非线性负载才会使波形失真,如图3(d)所示。但如果工作在线性区如图3(c)所示的ΔU1以下区域就不会导致波形失真。那么输入电压为220Vac(380Vac也同理)的电子设备为什么具有非线性特性呢?从图3(d)可以看出,电感性负载工作在非线性区域时,不但有电压电流相移产生的无功功率,还会有非线性区域导致的无功功率。总之,导致波形失真的只有感性负载才具备这样的条件。

现在来看一下如图4所示的输入电压为220Vac的电子设备,目前这样的设备都有本身的供电电源。如图4(a)所示。从图中可以看出,220Vac输入后,就有整流器整流成脉动电压波形,为了得到平稳的直流电压就必须用电容器C滤波,一般滤波电压为300V。这样一来,就出现了一种现象,即在没有电容器C时,通过整流器的电流是正弦半波,但有了电容器C后,通过整流器的电流则是幅度很高的脉冲波。众所周知,这是因为整流电压必须高于电容上电压UCD,整流二极管才允许电流通过,可见这个通导区域很窄,一般不超过30°。由于脉冲电流的面积必须等于其相应的正弦半波面积才能满足负载的要求,所以需要非常高的脉冲幅度,如图4(b)中黑色脉冲所示,一般是平均电流AB幅度的5倍左右,这样一来就会在输入电源内阻和线路上造成很大的压降,由于它正好对应正弦波的峰值,所以就造成了输入电压峰顶的凹陷,这就是失真,如图4(b)最上面的波形所示,这就导致了输入220Vac用电设备的输入功因数只有0.6～0.7,是典型的电感性负载。

4 为什么UPS带的IT设备时呈电容性呢?

这正是造成人们误解的关键。不仅要问:既然UPS与IT设备连接都是如图5所示,那么为什么UPS带IT设备时,UPS输出端(也是IT设备输入端)呈电容性呢?UPS后面的负载就是IT设备,当然IT负载是容性的。这就是误解的来源,尤其是具有测量手段的测量者就更会是深信不疑了。真相到底是什么样的,这又作何解释呢?真相就在图6中。图6表示的是UPS与IT设备的匹配原理方框图,虚线圈内XC表示UPS的输出容性阻抗,而圈内XL表示的是IT设备的输入感性阻抗,如果XC=XL,就表示二达到了完全匹配,此时用功率因数表测得的结果就是线性1。

　但实际应用中,又有几个能够实现这样的最优组合呢!几乎没有。比如一台负载功率因数为-0.8、容量为100kVA的UPS,其输出能力是有功功率80kW,无功功率60kvar,如果IT负载的输入功率因数也是-0.8,而且也要求满负荷,即要求输入有功功率80kW和无功功率60kvar。这是一种理想情况!即使IT负载的输入功率因数也是-0.8,一般最多也就是80%的负载量,即要求输入有功功率64kW和无功功率48kvar。那么就有

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

如果此时用功率因数表去测量UPS的输出端,表上显示的是容性还是感性?显然是显示容性。

当今高频机UPS的负载功率因数都在0.9以上,假如为0.9,也就是说100kVA的UPS输出能力

为有功功率PUPS=100kVA×0.9=90kW(9)

无功功率

(10)

而现在的IT设备的输入功率因数都在0.95以上,暂且认为是0.95,那么100kVA的IT负载所需有功功率（11)

无功功率

(12)

可以看出,即使将负载的无功功率全部补偿,即

　  　(13)

这37.6kvar难道不是容性的吗!这就是为什么功率因数表上显示UPS负载端是容性的原因。

　　5 结束语

综上所述,可以得出如下结论:

①UPS输出阻抗是容性的,IT负载输入阻抗是感性的。

②UPS的容性输出阻抗是为了匹配IT负载的感性输入阻抗。

③UPS输出端所以显示容性,是因为UPS容性输出阻抗大于被补偿的IT负载的感性输入阻抗。不能达到完全补偿时,剩余的容性部分使得测量仪表显示电容性。

编辑：Harris

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