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无变压器UPS在提高性能同时缩尺寸、减重量
发布:2014-10-29

概述

  当前的无变压器UPS不仅比带变压器UPS系统要小巧轻便很多,而且更加高效、可靠、配备更出色,能够限制故障电流。此外,它们使各公司能够利用先进功能,如ESS节能系统(Energy Saver System)和VMMS智能模块休眠管理系统(Variable Module Management System)等,通过降低机械复杂性和减少电费来提高可靠性。因此,在北美数据中心的新部署中,当前的无变压器UPS数量是传统技术的两倍。

  本白皮书介绍了无变压器UPS的技术优点,并详述了采用它们可获得的收益。

无变压器UPS技术的发展简史

  自从最初的小功率UPS问世以来,无变压器UPS设计已经历了大约二十年的发展。如今,300 kVA以下的UPS绝大多数都采用无变压器设计,这意味着UPS并不一定需要工频磁场(变压器或电感器)。这种无变压器设计的趋势在向着大功率段发展,因为工频磁场是原材料和劳动力密集型产品。而高频电力电子设备是技术密集型产品。一般来说,技术发展成熟时可以提高用户价值而不必以牺牲可靠性为代价。一旦实现,技术密集型的设计就成为首选的领先方案,服务器、存储设备和网络设备中使用的开关电源等技术的发展已经证明了这一点。

无变压器UPS:大势所趋

  对于功率范围在30-1100 kVA的UPS来说,最大的挑战就是在高电压下快速通断大电流,而没有过多的损耗或过高的峰值电压。在过去十年间,大功率IGBT已经发展得非常成熟,能够在这些较高功率段采用10 kHz以上的频率变换,而不会影响效率。此外,因为从系统效率方面衡量,无变压器UPS优于传统UPS,所以一些极具创意的新控制技术进一步减少了开关损耗。

变压器UPS与无变压器UPS的比较

无变压器UPS在提高性能同时缩尺寸、减重量

无变压器UPS相对于传统设计的优势

  图1分别提供了传统UPS系统和无变压器UPS系统的基本拓扑结构。相控整流器区别于IGBT整流器,效率不如后者高,并且会生成较大谐波输入电流以及较低输入功率因数,这在很多现场是不可接受的,且与部分发电机不兼容。为将总谐波失真(THD)减少5-10%,将功率因数提高到0.99 PF以上,需要大型输入电感器和谐波滤波器。这些组件增加了成本和重量,加大了体积,而大量电容器则缩短了平均无故障时间(MTBF)。此外,它们无法在较大负载范围内使THD下降而PF上升。它们一般仅在60%以上负载率时才有效。如果负载率低于40%,则输入PF会超前,导致与发电机不兼容。PF还会随线电压的变化而改变,但参数表只是标称值。

无变压器UPS在提高性能同时缩尺寸、减重量  

  采用变压器的传统技术

无变压器UPS在提高性能同时缩尺寸、减重量  

  不采用变压器的新技术

  图1:传统技术和新型无变压器技术的简化示图

  如图2所示,采用IGBT整流器的无变压器设计,在10-100%负载范围内,都能有效提高PF、降低THD。它与发电机高度兼容,避免了采用SCR时常出现的发电机超容量现象。这些出色的输入特性在整个输入电压工作范围内都保持不变。 

无变压器UPS在提高性能同时缩尺寸、减重量

  图2:传统UPS设计的典型输入特性

无变压器UPS在提高性能同时缩尺寸、减重量

  负载%

  图3:无变压器UPS设计的典型输入特性

THD和无变压器UPS设计

  对于谐波失真,其严重程度取决于特定应用和位置。例如,一个10%失真的组件在低频时引起的电压失真要比高频时小。如果没有适当的输入滤波,SCR关断时产生的快速di/dt(电流尖峰)将引起严重的线电压缺口,干扰邻近设备。事实上,在输入PF仅因THD而降低到0.990以下之前,THD已超过14%(参见下方图4)。

  PF_true与THD

无变压器UPS在提高性能同时缩尺寸、减重量  

  图4:有效功率因数与THD间的关系

无变压器UPS在提高性能同时缩尺寸、减重量
 

无变压器UPS在提高性能同时缩尺寸、减重量  

  图5:采用无变压器拓扑结构的UPS的典型输入和输出波形

  图6中的电力系统显示,无需变压器,就能生成输出中线和相电压。UPS在线工作时只需要三线输入,而为支持旁路或相对中性线负载,需要一条中性线连接。在传统拓扑结构中,通常使用一个三角形-星形变压器来生成输出中线。

无变压器UPS在提高性能同时缩尺寸、减重量

  图6:无需变压器的电力系统

无变压器UPS的电池管理优点

  无论总线电压如何,都可以使用半桥转换器来控制电池电压,并支持更广泛的电池电压范围(例如192到240个电池)。此转换器还能使电池置于开路状态,以避免长期使用高于开路电压的电压浮充,而造成的持续链波电流和加速老化现象(特别是在高温环境)。借助这些功能,高级电池管理(ABM?)技术和其他充电技术可有效延长电池寿命。

  IGBT整流极支持来自电网的输入功率,而变频极支持输出电流。在输入PF >0.99时,可提供90%额定kVA的负载功率,同时保持足够储备,为电池充电。线电压降低期间,减少部分充电功率,以确保持续支持输出负载。当线电压恢复,电池也恢复快速充电。

  当输入端采用较小的电感电容(LC)低通滤波器时,即使输入电感中di/dt的轻微变化也会被滤除,以防影响线电压--同一LC滤波器也同样进行输出电压过滤。

磁性元件的尺寸和重量对比

  图1中显示了使用无变压器设计后实现的尺寸缩小与重量减轻情况示例,也显示了传统UPS的"磁性套件"(mag pak)。这其中包括输出变压器、输入线电感器、直流总线电抗器、输出滤波器电感和输入谐波滤波器电感。它不仅十分沉重,而且体积巨大,影响整个设备的占地空间。当这两个设备并排摆放时,传统组件与新无变压器UPS的尺寸与重量差异非常明显。

无变压器UPS在提高性能同时缩尺寸、减重量

 无变压器磁性套件              基于变压器的磁性套件

  图1:275 kVA UPS磁性套件(mag pak)尺寸对比图。

无变压器UPS在提高性能同时缩尺寸、减重量   

  图2:电感器占据无变压器拓扑结构整个电力系统的一半

  这些电感器焊接在印刷电路板(PCB)上,安装在铝质U形支架上,其尺寸、重量和成本都比传统UPS小得多。图3为端视图。

无变压器UPS在提高性能同时缩尺寸、减重量

  图片3:无变压器UPS中电感端视图

  在无变压器UPS中,一般采用闭环磁芯设计。因为电流大而电感低,常常会出现较大气隙。去除磁芯全部支腿,仅留中心支腿,会造成净透磁率较低,购买的磁芯材料也较少。仅限两层线圈,在磁芯和线圈间留有空隙,能够直接强制冷却所有线圈。在大约10 KHz或以上,实心线会发生过多外皮和邻近效应损耗。因为冷却效果极好,所以只需简单的辫编线,其成本远低于传统多层辫编线成本。铁氧体磁芯损耗极低,而且避免了线圈加热。成对使用时,可减少远场,并通过采用反平行配置,获得约15%有用电感(参见下方图7)。

无变压器UPS在提高性能同时缩尺寸、减重量
 

  图7:反平行场

无变压器UPS在提高性能同时缩尺寸、减重量   

  图8:平行场。因为减少了远场,且采用包含焊剂的铝质支架,避免了杂散磁场常常存在的干扰问题。

无变压器UPS种类繁多,不尽相同

  无变压器UPS与基于变压器的系统相比,提供很多优势,但它们也不尽相同。决策制定者在为其关键任务应用选择无变压器UPS时,应坚持考虑以下因素:

1.小尺寸,轻分量。无变压器UPS应远较传统变压器UPS小巧、轻便,而这绝不仅是因为它们不包括巨大变压器的缘故。UPS还应采用小巧磁性元件(如电感、电抗器和铁氧体),并改进了通风,从而缩小了散热片的尺寸与重量,减少了用于冷却的风扇数目。请注意,除了节约空间外,这些改进还提高了机械可靠性。

2.能够使用接地星形结构甚至HRG供电运行。中性线的正确处理应在安装文件中尽早介绍。应特别关注上游和下游故障性能,无变压器UPS应该能够支持4线负载,如208/120VAC和400/230VAC。

3.快速在高效和传统运行模式间切换。在高效和传统运行间切换时,无需磁化输出变压器,一个无变压器UPS应该只需大约2毫秒,就能完成此切换。如果切换时间超过10毫秒,下游静态交换机或所支持的IT设备本身就可能发生问题。

结论

  无变压器拓扑结构采用小巧轻便的滤波电感器,在逆变器和整流器中都使用高性能IGBT,并配备先进控制战略,能够提高性能与价值。与传统UPS拓扑结构设计相比,无变压器UPS一般要轻25%,体积仅为传统UPS的60%1。在负载率低至10%左右的情况下,也支持低输入THD(满载时<4.5%)和高输入功率因素(>0.99),无需再部署输入滤波器。此外,满载时效率可高达95%甚或更高。其包装也经过精心设计,使得冷却和布线都无需侧边或后边操作或清理。借助这些新优势,此技术密集型设计将会成为首选拓扑结构。

1 采用Eaton 9395 UPS进行比较

附录A:有关传统变压器UPS与无变压器UPS的十个常见错误见解

1.输入和/或输出变压器保护整流器和/或逆变器SCR免遭电压瞬变而造成的损坏。

  过去需要变压器来提供正确电压,并作为串联阻抗,用于基于SCR的整流器或逆变器。但是,目前采用IGBT的晶体管UPS无需电压变更和瞬变保护。而且,尽管变压器阻抗一度在发生故障时有助于SCR和较慢晶体管变频控制,但随着目前较快的UPS控制能够在几毫秒内隔离UPS,保护关键负载,已不再需要变压器了。

2.需要使用UPS中的输入和输出变压器"浮充"机架安装电池,这样对于维修和可能会无意间碰触到接线柱的人员来说,都更加安全。

  无论"浮充"与否,接触暴露在外的电池接线柱都不安全。实际上,浮充电池很容易给人造成安全的错觉。

  例1:如果电池接线柱和金属架间因电解液溢出而短路,浮充电池很容易会使技术人员触电而亡。如果技术人员站在地面,碰触电池接线柱,他们有可能遭到致命电击。浮充电池与非浮充电池一样危险,UPS变压器对此毫无助益。

  而且,即使UPS中的输入和输出变压器也无法使电池接线柱能够安全触摸。对于电池接线柱的操作方式,应该与UPS中的交流输入和输出端子相同。无变压器UPS生产商并非使用大量铁和铜来使电池看起来安全,而是建议使用电池接线柱护套,它们较变压器廉宜得多,而且允许您在电池断路器打开时,执行维护流程。

  例2:如果一位技术人员将水泼到了浮充电池上,形成了2号电池到机架的电解液轨迹,那么,无意间碰触220号电池的接线柱,就会感受到超过400 VDC的电压,无论其皮肤电阻如何,都会导入地下。即使当时您浮充电池系统,接触接线柱仍会使您身亡。尽管技术人员很少会因为浮充电池触电而亡,但它仍然非常危险。

  一个较好方法是,打开直流串联断路器,使用塑料或橡胶接线柱护套,避免数据中心工作人员偶然接触到裸接线柱。

  那么,数据中心操作人员究竟应该如何防止人们接触危险的交流输入端子呢?他们使用空接面和门,UL认为这是一种安全方法。此方法也适用于电池-使用接线柱护套替代空接面,如果必须接触接线柱,则打开断路器,就如同进行交流输入端子操作一样。

3.如果电池不浮充,就无法检测到"电池接地故障"报警。

  实际上,您可以做到,而且还能更为经济地做到。第三方接地故障检测设备的成本基本上仅为一对变压器的0.05%,重量也轻很多。而且,和变压器不同,它不会影响效率。

4.变压器自动提供电流隔离。

  一直有这样一个误区,认为SCR和SCR/IGBT UPS中所需的内置输出及输入变压器能够自动为负载提供电流隔离,这是一项额外优势。

  实际上,在大部分情况下并非如此。输出电压变压器的主要用途是进行电压转换,而非中性线电流隔离。如图9所示,一般来说,UPS的中性线将直通连接,简化大多数站点对于接地中性线的要求,这其中MEN链接位于主馈线板UPS上游。因此,负载中性线不会进行电流隔离。

  而且,因为静态开关位于变压器后,所以无法实现电流隔离,如图9所示(请记住,静态开关的作用是在UPS逆变器/变压器输出和输入旁路之间切换)。每当UPS切换到静态旁路,就意味着两个电源连接。如果采用的是离线或备用UPS,这就是正常操作。

  通过在UPS输出端放置一个双绕变压器,能够实现电流隔离。其目的是将逆变器输出和静态开关输出与负载隔离。这通常会作为"旁路隔离变压器"销售,与UPS外部相连。实际上,它强调指出了旁路线路在内部正常运行时并不隔离的事实。

无变压器UPS在提高性能同时缩尺寸、减重量

  图9:典型 SCR UPS的系统视图

5.如果没有输出变压器,意味着我无法将UPS中的中性线与地线相连,因此可能会有中线接地或共模杂讯问题。

  我们不建议在无变压器UPS中将中性线与地线相连。如果中性线已从旁路进入UPS,UPS中性线应与电源中性线相连,而非与地线相连。也就是说,为了隔离杂模共讯,考虑以下因素是很重要的:

  ●  如果向UPS馈电的设施变压器(N-G连接)位于UPS附近,则UPS中的另一变压器就是冗余变压器。

  ●  如果UPS和重要负载间有一个配电装置(PDU)变压器或配电变压器,则UPS中的另一变压器就是冗余变压器。

  ●  实际上,过去二十年间生产的所有IT设备都配有滤波,输入的共模杂讯衰减率为10,000,000:1左右。

6.UPS中有变压器,意味着能够更好地处理内外故障或短路。

  在20年前,这可能是对的,但当今的无变压器UPS配备内部电路、熔断保险和快速DSP控制,使它们能够处理内部短路、外部下游故障和上游故障,而且同时保护负载及UPS内部组件。测试结果、波形图以及全世界数千数据中心操作人员的亲身体验都能证明这一点。

7.UPS中的变压器有助于限制故障电流,防止弧闪问题。

  UPS变压器的阻抗确实会限制故障电流和弧闪能级。但同时我们需要考虑以下问题:

  ●  UPS是否被认定为或作为弧闪保护设备销售?

     不是。设施应进行正确设计,来限制故障电流。输出故障将会把UPS转变为旁路设备。

  ●  处于旁路时,这两种UPS是否会限制故障电流?

     不会。UPS内部旁路中无变压器。

  ●  使用逆变器时,这两种UPS是否会限制故障电流?

     会,这被称为"电流限制"。

  ●  什么设备向UPS馈电?

     机构变压器。

  ●  UPS一般向什么设备馈电?

     一个包含变压器或无变压器的PDU。

  ●  那么如果UPS前后都已被变压器包围,那么UPS为什么还需要内部变压器来限制故障电流呢?

     确实,它不需要。

8.为了防止UPS内部故障时,UPS输出中出现"直流组件",UPS的输出变压器是必不可少的。

  无变压器UPS的设计采用了快速半导体熔断,在某些情况下采用旋转矢量传感算法,立即隔离和保护UPS,无论是正常运行还是故障,都不允许直流组件出现在输出端。在包括输入整流器短路故障、逆变器IGBT故障以及正负直流总线均故障的测试中,记录表明,UPS始终无损,负载持续得到妥善保护。

9.如果电池总线发生故障,无变压器UPS无法保护负载。

  请参见上面错误见解7中有关直流故障测试的部分。

10.传统变压器UPS的效率高于无变压器UPS。

  传统变压器UPS的效率要低于无变压器设计。变压器会生成热能,而热损耗降低了效率:

  效率 = 输出功率 / (输入功率 + 功率损耗)

  功率损耗包括:

  ●  IGBT 开关损耗和传导损耗

    磁性元件铜和磁芯损耗,以及变压器损耗

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