產(chǎn)品容量：3KVA（2.7KW）系列：艾默生Adapt(1-40K)UPS電壓的輸入輸出：三進(jìn)單出(380V:22V)外接電池?cái)?shù)量：6塊重量：12 kg（ 公斤）尺寸（LWH）：430*575*85 MM（毫米）U形狀分類：機(jī)架式UPS
較之此前的基于變壓器的UPS系統(tǒng)，今天的無變壓器UPS不僅規(guī)格更小、重量更輕，而且更有效，更可靠，進(jìn)而得以能夠更好地限制故障電流。此外，它們還使企業(yè)組織能夠利用諸如節(jié)能系統(tǒng)和可變模塊管理系統(tǒng)等復(fù)雜功能，通過降低機(jī)械復(fù)雜性，降低能耗成本來增強(qiáng)可靠性。因此，在當(dāng)前北美地區(qū)的企業(yè)數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)上，對(duì)于無變壓器UPS設(shè)計(jì)的采用較之舊技術(shù)要出多一倍。
無變壓器UPS技術(shù)簡(jiǎn)史
無變壓器UPS設(shè)計(jì)最早出現(xiàn)在較低的功率水平，大概已經(jīng)有二十多年的歷史了?，F(xiàn)在，絕大多數(shù)低于300kVA的無變壓器UPS設(shè)計(jì)都是無變壓器的，這意味著這類UPS不包含電力線頻率磁性材料(變壓器或電感器)。這種無變壓器設(shè)計(jì)趨勢(shì)涵蓋更高的功率水平，因?yàn)殡娏€磁性材料既耗費(fèi)材料又耗費(fèi)人力。另一方面，所需的高頻功率處理屬于技術(shù)密集型?？偟膩碚f，這方面技術(shù)的進(jìn)步已經(jīng)足夠成熟，可以在不犧牲所需可靠性的情況下為企業(yè)客戶提供更高的價(jià)值。而一旦達(dá)到這一點(diǎn)，技術(shù)密集型設(shè)計(jì)就成為了價(jià)值優(yōu)先者的首選。技術(shù)的進(jìn)步對(duì)諸如用于服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的切換式電源供應(yīng)器也產(chǎn)生了類似的影響。
無變壓器UPS：增長(zhǎng)勢(shì)頭迅猛
在功率達(dá)到30kVA以上，現(xiàn)在高達(dá)1100kVA的情況下，企業(yè)數(shù)據(jù)中心所面臨的挑戰(zhàn)是：如何在高電壓下快速的切換高電流，而不會(huì)造成高損耗或過高的峰值電壓。在過去的十年中，大功率IGBT已經(jīng)足夠成熟，允許企業(yè)數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)10kHz以上的頻率轉(zhuǎn)換，而不會(huì)在這些更高的功率水平下犧牲效率。此外，在系統(tǒng)效率方面進(jìn)行測(cè)量時(shí)，一些創(chuàng)新的控制策略允許進(jìn)一步減少交換機(jī)的損耗，使無變壓器UPS大大優(yōu)于舊式的UPS。
無變壓器UPS較之傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)
下圖1顯示了傳統(tǒng)和無變壓器技術(shù)UPS動(dòng)力系統(tǒng)的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。相位控制整流器雖然效率高，且性價(jià)比高，但會(huì)產(chǎn)生較大的諧波輸入電流，并降低的輸入功率因數(shù)，這對(duì)于許多企業(yè)數(shù)據(jù)中心站點(diǎn)而言是不可接受的，并且與某些發(fā)電機(jī)不兼容。
需要大量的輸入電感器及諧波濾波器，以使得諧波降至總諧波失真(TotalHarmonicDistortion，THD)的5%至10%，而功率因數(shù)(PF)則最高可降至達(dá)>0.99PF。這些組件增加了成本和重量，并增加了占地面積，而大量的電容器減少了平均故障間隔時(shí)間(MTBF)。另外，它們不會(huì)在較寬的負(fù)載范圍內(nèi)保持THD下降和PF上升。通常僅在滿載的60%以上才有效。在低于大約40%的輕負(fù)載下，輸入PF實(shí)際上可能領(lǐng)先，并且會(huì)導(dǎo)致與發(fā)電機(jī)的不兼容。PF也會(huì)隨線路電壓而變化，但僅限于標(biāo)稱線路。
圖1：傳統(tǒng)和現(xiàn)代無變壓器技術(shù)的簡(jiǎn)化原理圖
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如下圖2所示，采用IGBT整流器的無變壓器設(shè)計(jì)固有地保持PF上升，THD從10%降至100%。其與發(fā)電機(jī)高度兼容，避免了SCR通常需要的額外的超大規(guī)格發(fā)電機(jī)。這些卓越的輸入特性在輸入電壓工作范圍內(nèi)保持不變。
圖2：傳統(tǒng)UPS設(shè)計(jì)的典型輸入特性
圖3：無變壓器UPS設(shè)計(jì)的典型輸入特性。
THD和無變壓器UPS設(shè)計(jì)
關(guān)于諧波失真，其重要程度取決于特定的應(yīng)用程序及其位置。
例如，低頻10%的失真分量比高頻分量產(chǎn)生的電壓失真小得多。如果沒有足夠的輸入濾波，由SCR觸發(fā)引起的快速di/dt(電流高峰)可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的線路電壓陷波，并*鄰近的設(shè)備。事實(shí)上，在THP單獨(dú)輸入PF降至0.990以下之前，THD需要超過14%的THD。(見下圖4)
圖4：真正的功率因數(shù)vs.THD
典型的6個(gè)SCR輸入電流的THD為30%或更高,di/dt受輸入電感器的限制。
無變壓器中使用的更高開關(guān)頻率允許使用更小的濾波電感和更快的響應(yīng)時(shí)間，并提高波形完整性：
圖5：無變壓器拓?fù)銾PS的典型輸入和輸出波形。
下圖6中的動(dòng)力系統(tǒng)顯示，中性點(diǎn)輸出可以與相電壓一起產(chǎn)生，而無需變壓器。雖然在線操作只需要三線輸入，但需要中性連接以支持旁路操作或相對(duì)中性點(diǎn)電壓(phase-to-neutral)負(fù)載。在傳統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，三角波變壓器通常用于生成中性點(diǎn)輸出。
圖6：不需要變壓器的動(dòng)力控制系統(tǒng)
無變壓器UPS的電池管理優(yōu)勢(shì)
請(qǐng)注意，半橋轉(zhuǎn)換器可以獨(dú)立于總線電壓控制電池電壓，并且還允許適應(yīng)一定范圍的電池電壓(例如192至240個(gè)電池單元)。該轉(zhuǎn)換器還可使電池處于開路狀態(tài)，以避免持續(xù)的紋波電流以及因明顯高于開路電壓的電壓漂移而導(dǎo)致的加速老化(特別是在高溫下)。借助這些附加功能，先進(jìn)的電池管理技術(shù)和其他充電技術(shù)可以更有效地延長(zhǎng)電池使用壽命。
IGBT整流器級(jí)別支持從線路提取的功率，而逆變器級(jí)別則支持輸出電流。輸入PF>0.99時(shí)，可以支持高達(dá)額定千伏安90%的負(fù)載功率，同時(shí)保持充足的電池充電儲(chǔ)備。在線電壓降低期間，放棄一些再充電功率以確保繼續(xù)支持輸出負(fù)載。當(dāng)線路電平恢復(fù)充滿狀態(tài)/快速充電時(shí)，其功能將恢復(fù)。
通過在輸入端使用小型電感/電容(LC)低通濾波器，即使輸入電感中的適度di/dt變化也不會(huì)*線路電壓，只需通過同一個(gè)LC濾波器在輸出電壓下對(duì)其進(jìn)行濾波即可。
磁性元件材料的規(guī)格和重量比較
下圖7顯示了使用無變壓器設(shè)計(jì)所實(shí)現(xiàn)的規(guī)格和重量減輕的示例，該圖顯示了常規(guī)拓?fù)銾PS的“磁性材料封裝”(magpak)。包括輸出變壓器、輸入線路電感器、直流母線扼流圈、輸出濾波電感器和輸入諧波濾波電感器。其不僅非常重，而且還造成了整個(gè)單元的規(guī)格尺寸非常大。當(dāng)進(jìn)行相互比較時(shí)，傳統(tǒng)組件與新型無變壓器技術(shù)的規(guī)格尺寸和重量差異在視覺上相當(dāng)明顯。
圖7：用于275kVAUPS系統(tǒng)的磁性封裝材料(magpak)的相對(duì)規(guī)格尺寸實(shí)例。
圖8：用于無變壓器拓?fù)涞耐暾麆?dòng)力系統(tǒng)的一半的電感器。
這些電感器被焊接到功率印刷電路板(PCB)上，并以一小部分的規(guī)格尺寸、重量和成本安裝到鋁制的U型通道機(jī)箱。圖9顯示了一個(gè)終端視圖。
圖9：無變壓器UPS中電感器的終端視圖。
在無變壓器UPS中，經(jīng)常使用閉芯設(shè)計(jì)。在高電流和低電感的情況下，通常會(huì)產(chǎn)生大的氣隙。消除除核心中心以外的所有部分，也會(huì)導(dǎo)致凈透過率低，以及低核心材料采購(gòu)。將繞組限制為只有兩層，并在磁芯和繞組之間引入空間，可以直接強(qiáng)制冷卻所有繞組。在?10KHz及以上時(shí)，實(shí)線會(huì)遭受過度的擦破和鄰近效應(yīng)損失。憑借如此卓越的冷卻效果，只需簡(jiǎn)單的絞合線即可，而成本僅僅只是傳統(tǒng)多層絞合線的一小部分。鐵氧體磁芯產(chǎn)生非常低的損耗，并避免被繞組加熱。成對(duì)使用時(shí)，遠(yuǎn)場(chǎng)可以減少，同時(shí)通過反平行配置定向獲得約15%的有用電感。
無變壓器UPS并不完全相同
與基于變壓器的系統(tǒng)相比，無變壓器UPS具有許多優(yōu)點(diǎn)，但它們并不完全相同。當(dāng)選擇一款無變壓器UPS用于其關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用時(shí)，企業(yè)數(shù)據(jù)中心的決策者們應(yīng)堅(jiān)持該款無變壓器UPS必須具備以下特點(diǎn)：
1、體積小，重量輕。
無變壓器的UPS應(yīng)該比基于變壓器的產(chǎn)品體積小得多，重量輕，不僅因?yàn)樗鼈儾话恐氐淖儔浩鳌PS還應(yīng)具備小型磁性材料元件(如電感器、扼流圈和鐵氧體)以及氣流改進(jìn)功能，以盡量減少散熱片的尺寸和重量，并減少冷卻所需的風(fēng)扇數(shù)量。請(qǐng)注意，除了節(jié)省空間之外，這些增強(qiáng)的功能也可以提高機(jī)械的可靠性。
2、能夠從停止的Y型甚至HRG源操作。
應(yīng)在安裝文檔中明確描述中性點(diǎn)的正確處理方式。應(yīng)特別注意上游和下游的故障性能，并且UPS應(yīng)能夠供給給諸如208/120VAC和400/230VAC的4線負(fù)載。
3、從高效率到傳統(tǒng)操作模式的短暫過渡時(shí)間。
由于在高效率和傳統(tǒng)操作之間轉(zhuǎn)換時(shí)不需要磁化輸出變壓器，所以無變壓器UPS應(yīng)該能夠在大約2毫秒內(nèi)完成轉(zhuǎn)換。大于10毫秒的轉(zhuǎn)換時(shí)間可能會(huì)對(duì)下游靜態(tài)交換機(jī)或受支持的IT設(shè)備本身造成問題。
結(jié)論
帶有小型輕量級(jí)濾波電感器的無變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，逆變器和整流器中的高性能IGBT以及先進(jìn)的控制策略可帶來更高的性能和價(jià)值。
與傳統(tǒng)的UPS拓?fù)湓O(shè)計(jì)相比，無變壓器的UPS通常只有25%的重量，并占地面積僅為前者的60%。低輸入THD(滿載時(shí)小于4.5%)和高輸入功率因數(shù)(>0.99)支持低至近10%的負(fù)載，無需額外的輸入濾波器。另外，滿載效率可以達(dá)到95%以上。包裝可以設(shè)計(jì)成冷卻和接線不需要側(cè)面或后面的通道或間隙。有了這些新的優(yōu)勢(shì)，這種技術(shù)密集型設(shè)計(jì)將成為企業(yè)數(shù)據(jù)中心的首選拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
