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无变压器UPS技术全解析

双击自动滚屏 发布者:精密空调 发布时间:2015-09-15 08:59:30 阅读:次【字体:

作为新型的UPS技术,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。

本文介绍了无变压器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负载%

无变压器UPS在提高性能同时缩尺寸、减重量

  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,*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*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。

关键词:ups电源报价/list-3-1.html


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