概述
當(dāng)前的無變壓器UPS不僅比帶變壓器UPS系統(tǒng)要小巧輕便很多，而且更加高效、可靠、配備更出色，能夠限制故障電流。此外，它們使各公司能夠利用先進(jìn)功能，如ESS節(jié)能系統(tǒng)（Energy Saver System）和VMMS智能模塊休眠管理系統(tǒng)（Variable Module Management System）等，通過降低機(jī)械復(fù)雜性和減少電費(fèi)來提高可靠性。因此，在北美數(shù)據(jù)中心的新部署中，當(dāng)前的無變壓器UPS數(shù)量是傳統(tǒng)技術(shù)的兩倍。
本白皮書介紹了無變壓器UPS的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，并詳述了采用它們可獲得的收益。
無變壓器UPS技術(shù)的發(fā)展簡史
自從最初的小功率UPS問世以來，無變壓器UPS設(shè)計(jì)已經(jīng)歷了大約二十年的發(fā)展。如今，300 kVA以下的UPS絕大多數(shù)都采用無變壓器設(shè)計(jì)，這意味著UPS并不一定需要工頻磁場（變壓器或電感器）。這種無變壓器設(shè)計(jì)的趨勢在向著大功率段發(fā)展，因?yàn)楣ゎl磁場是原材料和勞動(dòng)力密集型產(chǎn)品。而高頻電力電子設(shè)備是技術(shù)密集型產(chǎn)品。一般來說，技術(shù)發(fā)展成熟時(shí)可以提高用戶價(jià)值而不必以犧牲可靠性為代價(jià)。一旦實(shí)現(xiàn)，技術(shù)密集型的設(shè)計(jì)就成為首選的領(lǐng)先方案，服務(wù)器、存儲設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中使用的開關(guān)電源等技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)證明了這一點(diǎn)。
無變壓器UPS：大勢所趨
對于功率范圍在30-1100 kVA的UPS來說，最大的挑戰(zhàn)就是在高電壓下快速通斷大電流，而沒有過多的損耗或過高的峰值電壓。在過去十年間，大功率IGBT已經(jīng)發(fā)展得非常成熟，能夠在這些較高功率段采用10 kHz以上的頻率變換，而不會(huì)影響效率。此外，因?yàn)閺南到y(tǒng)效率方面衡量，無變壓器UPS優(yōu)于傳統(tǒng)UPS，所以一些極具創(chuàng)意的新控制技術(shù)進(jìn)一步減少了開關(guān)損耗。
變壓器UPS與無變壓器UPS的比較
無變壓器UPS相對于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢
圖1分別提供了傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)和無變壓器UPS系統(tǒng)的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。相控整流器區(qū)別于IGBT整流器，效率不如后者高，并且會(huì)生成較大諧波輸入電流以及較低輸入功率因數(shù)，這在很多現(xiàn)場是不可接受的，且與部分發(fā)電機(jī)不兼容。為將總諧波失真（THD）減少5-10%，將功率因數(shù)提高到0.99 PF以上，需要大型輸入電感器和諧波濾波器。這些組件增加了成本和重量，加大了體積，而大量電容器則縮短了平均無故障時(shí)間(MTBF)。此外，它們無法在較大負(fù)載范圍內(nèi)使THD下降而PF上升。它們一般僅在60%以上負(fù)載率時(shí)才有效。如果負(fù)載率低于40%，則輸入PF會(huì)超前，導(dǎo)致與發(fā)電機(jī)不兼容。PF還會(huì)隨線電壓的變化而改變，但參數(shù)表只是標(biāo)稱值。
采用變壓器的傳統(tǒng)技術(shù)
不采用變壓器的新技術(shù)
圖1：傳統(tǒng)技術(shù)和新型無變壓器技術(shù)的簡化示圖
如圖2所示，采用IGBT整流器的無變壓器設(shè)計(jì)，在10-100%負(fù)載范圍內(nèi)，都能有效提高PF、降低THD。它與發(fā)電機(jī)高度兼容，避免了采用SCR時(shí)常出現(xiàn)的發(fā)電機(jī)超容量現(xiàn)象。這些出色的輸入特性在整個(gè)輸入電壓工作范圍內(nèi)都保持不變。
圖2：傳統(tǒng)UPS設(shè)計(jì)的典型輸入特性
負(fù)載%
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)
對于諧波失真，其嚴(yán)重程度取決于特定應(yīng)用和位置。例如，一個(gè)10%失真的組件在低頻時(shí)引起的電壓失真要比高頻時(shí)小。如果沒有適當(dāng)?shù)妮斎霝V波，SCR關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的快速di/dt（電流尖峰）將引起嚴(yán)重的線電壓缺口，干擾鄰近設(shè)備。事實(shí)上，在輸入PF僅因THD而降低到0.990以下之前，THD已超過14%（參見下方圖4）。
PF_true與THD
圖4：有效功率因數(shù)與THD間的關(guān)系
圖5：采用無變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的UPS的典型輸入和輸出波形
圖6中的電力系統(tǒng)顯示，無需變壓器，就能生成輸出中線和相電壓。UPS在線工作時(shí)只需要三線輸入，而為支持旁路或相對中性線負(fù)載，需要一條中性線連接。在傳統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，通常使用一個(gè)三角形-星形變壓器來生成輸出中線。
圖6：無需變壓器的電力系統(tǒng)
無變壓器UPS的電池管理優(yōu)點(diǎn)
無論總線電壓如何，都可以使用半橋轉(zhuǎn)換器來控制電池電壓，并支持更廣泛的電池電壓范圍（例如192到240個(gè)電池）。此轉(zhuǎn)換器還能使電池置于開路狀態(tài)，以避免長期使用高于開路電壓的電壓浮充，而造成的持續(xù)鏈波電流和加速老化現(xiàn)象（特別是在高溫環(huán)境）。借助這些功能，高級電池管理（ABM?）技術(shù)和其他充電技術(shù)可有效延長電池壽命。
IGBT整流極支持來自電網(wǎng)的輸入功率，而變頻極支持輸出電流。在輸入PF >0.99時(shí)，可提供90%額定kVA的負(fù)載功率，同時(shí)保持足夠儲備，為電池充電。線電壓降低期間，減少部分充電功率，以確保持續(xù)支持輸出負(fù)載。當(dāng)線電壓恢復(fù)，電池也恢復(fù)快速充電。
當(dāng)輸入端采用較小的電感電容(LC)低通濾波器時(shí)，即使輸入電感中di/dt的輕微變化也會(huì)被濾除，以防影響線電壓--同一LC濾波器也同樣進(jìn)行輸出電壓過濾。
磁性元件的尺寸和重量對比
圖1中顯示了使用無變壓器設(shè)計(jì)后實(shí)現(xiàn)的尺寸縮小與重量減輕情況示例，也顯示了傳統(tǒng)UPS的"磁性套件"(mag pak)。這其中包括輸出變壓器、輸入線電感器、直流總線電抗器、輸出濾波器電感和輸入諧波濾波器電感。它不僅十分沉重，而且體積巨大，影響整個(gè)設(shè)備的占地空間。當(dāng)這兩個(gè)設(shè)備并排擺放時(shí)，傳統(tǒng)組件與新無變壓器UPS的尺寸與重量差異非常明顯。
無變壓器磁性套件 基于變壓器的磁性套件
圖1：275 kVA UPS磁性套件(mag pak)尺寸對比圖。
圖2：電感器占據(jù)無變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)整個(gè)電力系統(tǒng)的一半
這些電感器焊接在印刷電路板(PCB)上，安裝在鋁質(zhì)U形支架上，其尺寸、重量和成本都比傳統(tǒng)UPS小得多。圖3為端視圖。
圖片3：無變壓器UPS中電感端視圖
在無變壓器UPS中，一般采用閉環(huán)磁芯設(shè)計(jì)。因?yàn)殡娏鞔蠖姼械�，常常�?huì)出現(xiàn)較大氣隙。去除磁芯全部支腿，僅留中心支腿，會(huì)造成凈透磁率較低，購買的磁芯材料也較少。僅限兩層線圈，在磁芯和線圈間留有空隙，能夠直接強(qiáng)制冷卻所有線圈。在大約10 KHz或以上，實(shí)心線會(huì)發(fā)生過多外皮和鄰近效應(yīng)損耗。因?yàn)槔鋮s效果極好，所以只需簡單的辮編線，其成本遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)多層辮編線成本。鐵氧體磁芯損耗極低，而且避免了線圈加熱。成對使用時(shí)，可減少遠(yuǎn)場，并通過采用反平行配置，獲得約15%有用電感（參見下方圖7）。
圖7：反平行場
圖8：平行場。因?yàn)闇p少了遠(yuǎn)場，且采用包含焊劑的鋁質(zhì)支架，避免了雜散磁場常常存在的干擾問題。
無變壓器UPS種類繁多，不盡相同
無變壓器UPS與基于變壓器的系統(tǒng)相比，提供很多優(yōu)勢，但它們也不盡相同。決策制定者在為其關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用選擇無變壓器UPS時(shí)，應(yīng)堅(jiān)持考慮以下因素：
1.小尺寸，輕分量。無變壓器UPS應(yīng)遠(yuǎn)較傳統(tǒng)變壓器UPS小巧、輕便，而這絕不僅是因?yàn)樗鼈儾话ň薮笞儔浩鞯木壒�。UPS還應(yīng)采用小巧磁性元件（如電感、電抗器和鐵氧體），并改進(jìn)了通風(fēng)，從而縮小了散熱片的尺寸與重量，減少了用于冷卻的風(fēng)扇數(shù)目。請注意，除了節(jié)約空間外，這些改進(jìn)還提高了機(jī)械可靠性。
2.能夠使用接地星形結(jié)構(gòu)甚至HRG供電運(yùn)行。中性線的正確處理應(yīng)在安裝文件中盡早介紹。應(yīng)特別關(guān)注上游和下游故障性能，無變壓器UPS應(yīng)該能夠支持4線負(fù)載，如208/120VAC和400/230VAC。
3.快速在高效和傳統(tǒng)運(yùn)行模式間切換。在高效和傳統(tǒng)運(yùn)行間切換時(shí)，無需磁化輸出變壓器，一個(gè)無變壓器UPS應(yīng)該只需大約2毫秒，就能完成此切換。如果切換時(shí)間超過10毫秒，下游靜態(tài)交換機(jī)或所支持的IT設(shè)備本身就可能發(fā)生問題。
結(jié)論
無變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用小巧輕便的濾波電感器，在逆變器和整流器中都使用高性能IGBT，并配備先進(jìn)控制戰(zhàn)略，能夠提高性能與價(jià)值。與傳統(tǒng)UPS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相比，無變壓器UPS一般要輕25%，體積僅為傳統(tǒng)UPS的60%1。在負(fù)載率低至10%左右的情況下，也支持低輸入THD（滿載時(shí)<4.5%）和高輸入功率因素（>0.99），無需再部署輸入濾波器。此外，滿載時(shí)效率可高達(dá)95%甚或更高。其包裝也經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，使得冷卻和布線都無需側(cè)邊或后邊操作或清理。借助這些新優(yōu)勢，此技術(shù)密集型設(shè)計(jì)將會(huì)成為首選拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
1 采用Eaton 9395 UPS進(jìn)行比較
附錄A：有關(guān)傳統(tǒng)變壓器UPS與無變壓器UPS的十個(gè)常見錯(cuò)誤見解
1.輸入和/或輸出變壓器保護(hù)整流器和/或逆變器SCR免遭電壓瞬變而造成的損壞。
過去需要變壓器來提供正確電壓，并作為串聯(lián)阻抗，用于基于SCR的整流器或逆變器。但是，目前采用IGBT的晶體管UPS無需電壓變更和瞬變保護(hù)。而且，盡管變壓器阻抗一度在發(fā)生故障時(shí)有助于SCR和較慢晶體管變頻控制，但隨著目前較快的UPS控制能夠在幾毫秒內(nèi)隔離UPS，保護(hù)關(guān)鍵負(fù)載，已不再需要變壓器了。
2.需要使用UPS中的輸入和輸出變壓器"浮充"機(jī)架安裝電池，這樣對于維修和可能會(huì)無意間碰觸到接線柱的人員來說，都更加安全。
無論"浮充"與否，接觸暴露在外的電池接線柱都不安全。實(shí)際上，浮充電池很容易給人造成安全的錯(cuò)覺。
例1：如果電池接線柱和金屬架間因電解液溢出而短路，浮充電池很容易會(huì)使技術(shù)人員觸電而亡。如果技術(shù)人員站在地面，碰觸電池接線柱，他們有可能遭到致命電擊。浮充電池與非浮充電池一樣危險(xiǎn)，UPS變壓器對此毫無助益。
而且，即使UPS中的輸入和輸出變壓器也無法使電池接線柱能夠安全觸摸。對于電池接線柱的操作方式，應(yīng)該與UPS中的交流輸入和輸出端子相同。無變壓器UPS生產(chǎn)商并非使用大量鐵和銅來使電池看起來安全，而是建議使用電池接線柱護(hù)套，它們較變壓器廉宜得多，而且允許您在電池?cái)嗦菲鞔蜷_時(shí)，執(zhí)行維護(hù)流程。
例2：如果一位技術(shù)人員將水潑到了浮充電池上，形成了2號電池到機(jī)架的電解液軌跡，那么，無意間碰觸220號電池的接線柱，就會(huì)感受到超過400 VDC的電壓，無論其皮膚電阻如何，都會(huì)導(dǎo)入地下。即使當(dāng)時(shí)您浮充電池系統(tǒng)，接觸接線柱仍會(huì)使您身亡。盡管技術(shù)人員很少會(huì)因?yàn)楦〕潆姵赜|電而亡，但它仍然非常危險(xiǎn)。
一個(gè)較好方法是，打開直流串聯(lián)斷路器，使用塑料或橡膠接線柱護(hù)套，避免數(shù)據(jù)中心工作人員偶然接觸到裸接線柱。
那么，數(shù)據(jù)中心操作人員究竟應(yīng)該如何防止人們接觸危險(xiǎn)的交流輸入端子呢？他們使用空接面和門，UL認(rèn)為這是一種安全方法。此方法也適用于電池－使用接線柱護(hù)套替代空接面，如果必須接觸接線柱，則打開斷路器，就如同進(jìn)行交流輸入端子操作一樣。
3.如果電池不浮充，就無法檢測到"電池接地故障"報(bào)警。
實(shí)際上，您可以做到，而且還能更為經(jīng)濟(jì)地做到。第三方接地故障檢測設(shè)備的成本基本上僅為一對變壓器的0.05%，重量也輕很多。而且，和變壓器不同，它不會(huì)影響效率。
4.變壓器自動(dòng)提供電流隔離。
一直有這樣一個(gè)誤區(qū)，認(rèn)為SCR和SCR/IGBT UPS中所需的內(nèi)置輸出及輸入變壓器能夠自動(dòng)為負(fù)載提供電流隔離，這是一項(xiàng)額外優(yōu)勢。
實(shí)際上，在大部分情況下并非如此。輸出電壓變壓器的主要用途是進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，而非中性線電流隔離。如圖9所示，一般來說，UPS的中性線將直通連接，簡化大多數(shù)站點(diǎn)對于接地中性線的要求，這其中MEN鏈接位于主饋線板UPS上游。因此，負(fù)載中性線不會(huì)進(jìn)行電流隔離。
而且，因?yàn)殪o態(tài)開關(guān)位于變壓器后，所以無法實(shí)現(xiàn)電流隔離，如圖9所示（請記住，靜態(tài)開關(guān)的作用是在UPS逆變器/變壓器輸出和輸入旁路之間切換）。每當(dāng)UPS切換到靜態(tài)旁路，就意味著兩個(gè)電源連接。如果采用的是離線或備用UPS，這就是正常操作。
通過在UPS輸出端放置一個(gè)雙繞變壓器，能夠?qū)崿F(xiàn)電流隔離。其目的是將逆變器輸出和靜態(tài)開關(guān)輸出與負(fù)載隔離。這通常會(huì)作為"旁路隔離變壓器"銷售，與UPS外部相連。實(shí)際上，它強(qiáng)調(diào)指出了旁路線路在內(nèi)部正常運(yùn)行時(shí)并不隔離的事實(shí)。
圖9：典型 SCR UPS的系統(tǒng)視圖
5.如果沒有輸出變壓器，意味著我無法將UPS中的中性線與地線相連，因此可能會(huì)有中線接地或共模雜訊問題。
我們不建議在無變壓器UPS中將中性線與地線相連。如果中性線已從旁路進(jìn)入U(xiǎn)PS，UPS中性線應(yīng)與電源中性線相連，而非與地線相連。也就是說，為了隔離雜模共訊，考慮以下因素是很重要的：
● 如果向UPS饋電的設(shè)施變壓器（N-G連接）位于UPS附近，則UPS中的另一變壓器就是冗余變壓器。
● 如果UPS和重要負(fù)載間有一個(gè)配電裝置(PDU)變壓器或配電變壓器，則UPS中的另一變壓器就是冗余變壓器。
● 實(shí)際上，過去二十年間生產(chǎn)的所有IT設(shè)備都配有濾波，輸入的共模雜訊衰減率為10,000,000:1左右。
6.UPS中有變壓器，意味著能夠更好地處理內(nèi)外故障或短路。
在20年前，這可能是對的，但當(dāng)今的無變壓器UPS配備內(nèi)部電路、熔斷保險(xiǎn)和快速DSP控制，使它們能夠處理內(nèi)部短路、外部下游故障和上游故障，而且同時(shí)保護(hù)負(fù)載及UPS內(nèi)部組件。測試結(jié)果、波形圖以及全世界數(shù)千數(shù)據(jù)中心操作人員的親身體驗(yàn)都能證明這一點(diǎn)。
7.UPS中的變壓器有助于限制故障電流，防止弧閃問題。
UPS變壓器的阻抗確實(shí)會(huì)限制故障電流和弧閃能級。但同時(shí)我們需要考慮以下問題：
● UPS是否被認(rèn)定為或作為弧閃保護(hù)設(shè)備銷售？
不是。設(shè)施應(yīng)進(jìn)行正確設(shè)計(jì)，來限制故障電流。輸出故障將會(huì)把UPS轉(zhuǎn)變?yōu)榕月吩O(shè)備。
● 處于旁路時(shí)，這兩種UPS是否會(huì)限制故障電流？
不會(huì)。UPS內(nèi)部旁路中無變壓器。
● 使用逆變器時(shí)，這兩種UPS是否會(huì)限制故障電流？
會(huì)，這被稱為"電流限制"。
● 什么設(shè)備向UPS饋電？
機(jī)構(gòu)變壓器。
● UPS一般向什么設(shè)備饋電？
一個(gè)包含變壓器或無變壓器的PDU。
● 那么如果UPS前后都已被變壓器包圍，那么UPS為什么還需要內(nèi)部變壓器來限制故障電流呢？
確實(shí)，它不需要。
8.為了防止UPS內(nèi)部故障時(shí)，UPS輸出中出現(xiàn)"直流組件"，UPS的輸出變壓器是必不可少的。
無變壓器UPS的設(shè)計(jì)采用了快速半導(dǎo)體熔斷，在某些情況下采用旋轉(zhuǎn)矢量傳感算法，立即隔離和保護(hù)UPS，無論是正常運(yùn)行還是故障，都不允許直流組件出現(xiàn)在輸出端。在包括輸入整流器短路故障、逆變器IGBT故障以及正負(fù)直流總線均故障的測試中，記錄表明，UPS始終無損，負(fù)載持續(xù)得到妥善保護(hù)。
9.如果電池總線發(fā)生故障，無變壓器UPS無法保護(hù)負(fù)載。
請參見上面錯(cuò)誤見解7中有關(guān)直流故障測試的部分。
10.傳統(tǒng)變壓器UPS的效率高于無變壓器UPS。
傳統(tǒng)變壓器UPS的效率要低于無變壓器設(shè)計(jì)。變壓器會(huì)生成熱能，而熱損耗降低了效率：
效率 = 輸出功率 / (輸入功率 + 功率損耗)
功率損耗包括：
● IGBT 開關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗
● 磁性元件銅和磁芯損耗，以及變壓器損耗 |
