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高功率UPS性能提升,规格/重量显著降低
  • 较之此前的基于变压器的UPS系统,今天的无变压器UPS不仅规格更小、重量更轻,而且更有效,更可靠,进而得以能够更好地限制故障电流。

    较之此前的基于变压器的UPS系统,今天的无变压器UPS不仅规格更小、重量更轻,而且更有效,更可靠,进而得以能够更好地限制故障电流。此外,它们还使企业组织能够利用诸如节能系统和可变模块管理系统等复杂功能,通过降低机械复杂性,降低能耗成本来增强可靠性。因此,在当前北美地区的企业数据中心市场上,对于无变压器UPS设计的采用较之旧技术要出多一倍。
      
      无变压器UPS技术简史
      
      无变压器UPS设计最早出现在较低的功率水平,大概已经有二十多年的历史了。现在,绝大多数低于300kVA的无变压器UPS设计都是无变压器的,这意味着这类UPS不包含电力线频率磁性材料(变压器或电感器)。这种无变压器设计趋势涵盖更高的功率水平,因为电力线磁性材料既耗费材料又耗费人力。另一方面,所需的高频功率处理属于技术密集型。总的来说,这方面技术的进步已经足够成熟,可以在不牺牲所需可靠性的情况下为企业客户提供更高的价值。而一旦达到这一点,技术密集型设计就成为了价值优先者的首选。技术的进步对诸如用于服务器、存储设备和网络设备中的切换式电源供应器也产生了类似的影响。
      
      无变压器UPS:增长势头迅猛
      
      在功率达到30kVA以上,现在高达1100kVA的情况下,企业数据中心所面临的挑战是:如何在高电压下快速的切换高电流,而不会造成高损耗或过高的峰值电压。在过去的十年中,大功率IGBT已经足够成熟,允许企业数据中心实现10kHz以上的频率转换,而不会在这些更高的功率水平下牺牲效率。此外,在系统效率方面进行测量时,一些创新的控制策略允许进一步减少交换机的损耗,使无变压器UPS大大优于旧式的UPS。
      
      无变压器UPS较之传统设计的优势
      
      下图1显示了传统和无变压器技术UPS动力系统的基本拓扑结构。相位控制整流器虽然效率高,且性价比高,但会产生较大的谐波输入电流,并降低的输入功率因数,这对于许多企业数据中心站点而言是不可接受的,并且与某些发电机不兼容。
      
      需要大量的输入电感器及谐波滤波器,以使得谐波降至总谐波失真(TotalHarmonicDistortion,THD)的5%至10%,而功率因数(PF)则最高可降至达>0.99PF。这些组件增加了成本和重量,并增加了占地面积,而大量的电容器减少了平均故障间隔时间(MTBF)。另外,它们不会在较宽的负载范围内保持THD下降和PF上升。通常仅在满载的60%以上才有效。在低于大约40%的轻负载下,输入PF实际上可能领先,并且会导致与发电机的不兼容。PF也会随线路电压而变化,但仅限于标称线路。
      
      图1:传统和现代无变压器技术的简化原理图
      
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      如下图2所示,采用IGBT整流器的无变压器设计固有地保持PF上升,THD从10%降至100%。其与发电机高度兼容,避免了SCR通常需要的额外的超大规格发电机。这些卓越的输入特性在输入电压工作范围内保持不变。
      
      图2:传统UPS设计的典型输入特性
      
      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
      
      关于谐波失真,其重要程度取决于特定的应用程序及其位置。
      
      例如,低频10%的失真分量比高频分量产生的电压失真小得多。如果没有足够的输入滤波,由SCR触发引起的快速di/dt(电流高峰)可能会导致严重的线路电压陷波,并*邻近的设备。事实上,在THP单独输入PF降至0.990以下之前,THD需要超过14%的THD。(见下图4)
      
      图4:真正的功率因数vs.THD
      
      典型的6个SCR输入电流的THD为30%或更高,di/dt受输入电感器的限制。
      
      无变压器中使用的更高开关频率允许使用更小的滤波电感和更快的响应时间,并提高波形完整性:
      
      图5:无变压器拓扑UPS的典型输入和输出波形。
      
      下图6中的动力系统显示,中性点输出可以与相电压一起产生,而无需变压器。虽然在线操作只需要三线输入,但需要中性连接以支持旁路操作或相对中性点电压(phase-to-neutral)负载。在传统的拓扑结构中,三角波变压器通常用于生成中性点输出。
      
      图6:不需要变压器的动力控制系统
      
      无变压器UPS的电池管理优势
      
      请注意,半桥转换器可以独立于总线电压控制电池电压,并且还允许适应一定范围的电池电压(例如192至240个电池单元)。该转换器还可使电池处于开路状态,以避免持续的纹波电流以及因明显高于开路电压的电压漂移而导致的加速老化(特别是在高温下)。借助这些附加功能,先进的电池管理技术和其他充电技术可以更有效地延长电池使用寿命。
      
      IGBT整流器级别支持从线路提取的功率,而逆变器级别则支持输出电流。输入PF>0.99时,可以支持高达额定千伏安90%的负载功率,同时保持充足的电池充电储备。在线电压降低期间,放弃一些再充电功率以确保继续支持输出负载。当线路电平恢复充满状态/快速充电时,其功能将恢复。
      
      通过在输入端使用小型电感/电容(LC)低通滤波器,即使输入电感中的适度di/dt变化也不会*线路电压,只需通过同一个LC滤波器在输出电压下对其进行滤波即可。
      
      磁性元件材料的规格和重量比较
      
      下图7显示了使用无变压器设计所实现的规格和重量减轻的示例,该图显示了常规拓扑UPS的“磁性材料封装”(magpak)。包括输出变压器、输入线路电感器、直流母线扼流圈、输出滤波电感器和输入谐波滤波电感器。其不仅非常重,而且还造成了整个单元的规格尺寸非常大。当进行相互比较时,传统组件与新型无变压器技术的规格尺寸和重量差异在视觉上相当明显。
      
      图7:用于275kVAUPS系统的磁性封装材料(magpak)的相对规格尺寸实例。
      
      图8:用于无变压器拓扑的完整动力系统的一半的电感器。
      
      这些电感器被焊接到功率印刷电路板(PCB)上,并以一小部分的规格尺寸、重量和成本安装到铝制的U型通道机箱。图9显示了一个终端视图。
      
      图9:无变压器UPS中电感器的终端视图。
      
      在无变压器UPS中,经常使用闭芯设计。在高电流和低电感的情况下,通常会产生大的气隙。消除除核心中心以外的所有部分,也会导致净透过率低,以及低核心材料采购。将绕组限制为只有两层,并在磁芯和绕组之间引入空间,可以直接强制冷却所有绕组。在〜10KHz及以上时,实线会遭受过度的擦破和邻近效应损失。凭借如此卓越的冷却效果,只需简单的绞合线即可,而成本仅仅只是传统多层绞合线的一小部分。铁氧体磁芯产生非常低的损耗,并避免被绕组加热。成对使用时,远场可以减少,同时通过反平行配置定向获得约15%的有用电感。
      
      无变压器UPS并不完全相同
      
      与基于变压器的系统相比,无变压器UPS具有许多优点,但它们并不完全相同。当选择一款无变压器UPS用于其关键任务应用时,企业数据中心的决策者们应坚持该款无变压器UPS必须具备以下特点:
      
      1、体积小,重量轻。
      
      无变压器的UPS应该比基于变压器的产品体积小得多,重量轻,不仅因为它们不包含笨重的变压器。UPS还应具备小型磁性材料元件(如电感器、扼流圈和铁氧体)以及气流改进功能,以尽量减少散热片的尺寸和重量,并减少冷却所需的风扇数量。请注意,除了节省空间之外,这些增强的功能也可以提高机械的可靠性。
      
      2、能够从停止的Y型甚至HRG源操作。
      
      应在安装文档中明确描述中性点的正确处理方式。应特别注意上游和下游的故障性能,并且UPS应能够供给给诸如208/120VAC和400/230VAC的4线负载。
      
      3、从高效率到传统操作模式的短暂过渡时间。
      
      由于在高效率和传统操作之间转换时不需要磁化输出变压器,所以无变压器UPS应该能够在大约2毫秒内完成转换。大于10毫秒的转换时间可能会对下游静态交换机或受支持的IT设备本身造成问题。
      
      结论
      
      带有小型轻量级滤波电感器的无变压器拓扑结构,逆变器和整流器中的高性能IGBT以及先进的控制策略可带来更高的性能和价值。
      
      与传统的UPS拓扑设计相比,无变压器的UPS通常只有25%的重量,并占地面积仅为前者的60%。低输入THD(满载时小于4.5%)和高输入功率因数(>0.99)支持低至近10%的负载,无需额外的输入滤波器。另外,满载效率可以达到95%以上。包装可以设计成冷却和接线不需要侧面或后面的通道或间隙。有了这些新的优势,这种技术密集型设计将成为企业数据中心的首选拓扑结构。
      
      编辑:Harris
      
      

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