作為新型的UPS技術(shù)，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，通過降低機械復(fù)雜性和減少電費來提高可靠性。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。

本文介紹了無變壓器UPS的技術(shù)優(yōu)點，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，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)計的趨勢在向著大功率段發(fā)展，因為工頻磁場是原材料和勞動力密集型產(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)展成熟時可以提高用戶價值而不必以犧牲可靠性為代價。一旦實現(xiàn)，技術(shù)密集型的設(shè)計就成為首選的領(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。

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，而不會影響效率。此外，因為從系統(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)的基本拓撲結(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間(MTBF)。此外，它們無法在較大負載范圍內(nèi)使THD下降而PF上升。它們一般僅在60%以上負載率時才有效。如果負載率低于40%，則輸入PF會超前，導(dǎo)致與發(fā)電機不兼容。PF還會隨線電壓的變化而改變，但參數(shù)表只是標稱值。

　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，在10-100%負載范圍內(nèi)，都能有效提高PF、降低THD。它與發(fā)電機高度兼容，避免了采用SCR時常出現(xiàn)的發(fā)電機超容量現(xiàn)象。這些出色的輸入特性在整個輸入電壓工作范圍內(nèi)都保持不變。 

　圖2：傳統(tǒng)UPS設(shè)計的典型輸入特性負載%

　　圖3：無變壓器UPS設(shè)計的典型輸入特性

THD和無變壓器UPS設(shè)計

對于諧波失真，其嚴重程度取決于特定應(yīng)用和位置。例如，一個10%失真的組件在低頻時引起的電壓失真要比高頻時小。如果沒有適當(dāng)?shù)妮斎霝V波，SCR關(guān)斷時產(chǎn)生的快速di/dt（電流尖峰）將引起嚴重的線電壓缺口，*鄰近設(shè)備。事實上，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：采用無變壓器拓撲結(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在線工作時只需要三線輸入，而為支持旁路或相對中性線負載，需要一條中性線連接。在傳統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)中，通常使用一個三角形-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

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，可提供90%額定kVA的負載功率，同時保持足夠儲備，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，即使輸入電感中di/dt的輕微變化也會被濾除，以防影響線電壓--同一LC濾波器也同樣進行輸出電壓過濾。

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)計后實現(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，影響整個設(shè)備的占地空間。當(dāng)這兩個設(shè)備并排擺放時，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)無變壓器拓撲結(jié)構(gòu)整個電力系統(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。因為電流大而電感低，常常會出現(xiàn)較大氣隙。去除磁芯全部支腿，僅留中心支腿，會造成凈透磁率較低，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，能夠直接強制冷卻所有線圈。在大約10 KHz或以上，實心線會發(fā)生過多外皮和鄰近效應(yīng)損耗。因為冷卻效果極好，所以只需簡單的辮編線，其成本遠低于傳統(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，可減少遠場，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。因為減少了遠場，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*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，應(yīng)堅持考慮以下因素：

1.小尺寸，輕分量。無變壓器UPS應(yīng)遠較傳統(tǒng)變壓器UPS小巧、輕便，而這絕不僅是因為它們不包括巨大變壓器的緣故。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，這些改進還提高了機械可靠性。

2.能夠使用接地星形結(jié)構(gòu)甚至HRG供電運行。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線負載，如208/120VAC和400/230VAC。

3.快速在高效和傳統(tǒng)運行模式間切換。在高效和傳統(tǒng)運行間切換時，無需磁化輸出變壓器，一個無變壓器UPS應(yīng)該只需大約2毫秒，就能完成此切換。如果切換時間超過10毫秒，下游靜態(tài)交換機或所支持的IT設(shè)備本身就可能發(fā)生問題。

結(jié)論

無變壓器拓撲結(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，并配備先進控制戰(zhàn)略，能夠提高性能與價值。與傳統(tǒng)UPS拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計相比，無變壓器UPS一般要輕25%，體積僅為傳統(tǒng)UPS的60%1。在負載率低至10%左右的情況下，也支持低輸入THD（滿載時<4.5%）和高輸入功率因素（>0.99），無需再部署輸入濾波器。此外，滿載時效率可高達95%甚或更高。其包裝也經(jīng)過精心設(shè)計，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)計將會成為首選拓撲結(jié)構(gòu)。

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