高功率上海UPS不间断电源的性能提升
时间：2024-10-22 阅读：3
与以往基于变压器的上海UPS不间断电源系统相比，如今的无变压器UPS不*体积更小、重量更轻，而且更加有效可靠，从而能够更好地限制故障电流。此外，它们还使企业能够使用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和能耗成本来提高可靠性。因此，在目前的北美，企业数据中心市场中，采用无变压器不间断电源的设计是旧技术的两倍。
无变压器不间断电源技术简史
无变压器UPS设计*早出现在较低功率水平，大概有二十多年的历史。目前大多数300千伏安以下的无变压器UPS设计都是无变压器的，这意味着这类UPS不含电力线频率磁性材料(变压器或电感)。这种无变压器设计的趋势涵盖了更高的功率水平，因为电力线磁性材料既消耗材料又消耗人力。另一方面，所需的高频功率处理是技术密集型的。一般来说，这方面的技术进步已经足够成熟，可以在不**所需可靠性的情况下，为企业客户提供更高的价值。一旦实现这一目标，技术密集型设计就成为价值优先的**。的技术进步对开关电源也有类似的影响，例如用于服务器、存储设备和网络设备的开关电源。
无变压器UPS:增长势头迅猛。
功率高达30kVA，现在高达1100kVA，企业数据中心面临的挑战是如何在高压下快速切换大电流，而不会造成高损耗或过高的峰值电压。在过去的十年中，高功率IGBT已经成熟到足以允许企业数据中心实现10kHz以上的频率转换，而不会**这些更高功率水平的效率。此外，在测量系统效率时，一些创新的控制策略允许进一步降低开关损耗，使无变压器不间断电源比旧不间断电源好得多。
无变压器不间断电源相对于传统设计的优势
图1显示了采用传统和无变压器技术的不间断电源系统的基本拓扑。相控整流器虽然效率高、性价比高，但会产生较大的谐波输入电流和较低的输入功率因数，这是很多企业数据中心站点无法接受的，也与一些发电机不兼容。
需要大量输入电感和谐波滤波器将谐波降至总谐波失真(THD)的5%至10%，而功率因数(PF)**可降至0.99PF以上。这些元件增加了成本、重量和占地面积，而大量电容器减少了平均故障间隔时间(MTBF)。此外，它们不会在很宽的负载范围内保持THD下降和PF上升。它通常只在满负荷的60%以上有效。在小于约40%的轻负载下，输入PF实际上可能会导致，这将导致与发电机不兼容。PF也随线路电压而变化，但*适用于标称线路。图1:传统和现代无变压器技术的简化示意图
采用IGBT整流器的无变压器设计固有地保持了功率因数上升和总谐波失真从10%下降到99%。它与发电机高度兼容，避免了可控硅通常需要的超大型发电机。这些出色的输入特性在输入电压工作范围内保持不变。
传统不间断电源设计的典型输入特性
无变压器不间断电源设计的典型输入特性。
总谐波失真和无变压器不间断电源设计
谐波失真的重要性取决于具体应用及其位置。
例如，低频10%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，可控硅触发引起的快速di/dt(电流高峰)可能导致严重的线路电压陷波，干扰相邻设备。事实上，在THP的个人输入功率因数降至0.990以下之前，总谐波失真需要超过总谐波失真的14%。(见下图4)
真实功率因数与总谐波失真的关系
典型的6可控硅输入电流的总谐波失真为30%或更高，di/dt受到输入电感的限制。
变压器中使用的更高开关频率允许更小的滤波器电感和更快的响应时间，并改善波形完整性：
不带变压器拓扑的UPS典型输入输出波形。
电力系统显示，中性点输出可以与相电压一起产生，无需变压器。虽然在线操作*需要三线输入，但需要中性连接来支持旁路操作或相到中性负载。在传统拓扑中，三角波变压器通常用于产生中性点输出。
不带变压器的电源控制系统
无变压器不间断电源电池管理的优势
注意，半桥转换器可以**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)。转换器还可以使电池保持开路状态，以避免因电压漂移明显高于开路电压(尤其是在高温下)而导致的持续纹波电流和加速老化。有了这些附加功能，的电池管理技术和其他充电技术可以有效延长电池的使用寿命。
IGBT整流器电平支持从线路提取的功率，而逆变器电平支持输出电流。当输入功率因数大于0.99时，它可以支持高达90%额定KVA的负载功率，同时保持足够的电池充电储备。在线压降时，放弃部分再充电电源，以保证输出负载的持续支持。当线路电平恢复到满状态/快充时，其功能将恢复。通过在输入端使用小电感/电容(LC)低通滤波器，即使输入电感在di/dt中适度变化，也不会干扰线路电压，只需在输出电压处由相同的LC滤波器进行滤波即可。
磁性元件材料规格和重量的比较
通过使用无变压器设计实现的规格和重量减轻的示例，其示出了具有传统拓扑的UPS的“magpak”。包括输出变压器、输入线电感、DC母线扼流圈、输出滤波电感和输入谐波滤波电感。它不*非常重，而且导致整个单元的规格和尺寸非常大。当相互比较时，传统组件和新的无变压器技术在尺寸和重量上的差异在视觉上是相当明显的。
275千伏系统磁性封装材料(magpak)的相关规格和尺寸示例。
在没有变压器拓扑的完整电力系统中使用的一半电感。
这些电感焊接到电源印刷电路板(PCB)上，并安装到铝U形通道底盘上，尺寸、重量和成本都很小。图9显示了终端视图。
无变压器不间断电源中电感的端视图。
无变压器不间断电源通常采用闭芯设计。在高电流和低电感的情况下，通常会出现大的气隙。剔除**中心以外的所有零件，也会导致净透过率低，**材料采购量低。通过将绕组限制为两层，并在磁芯和绕组之间引入空间，可以强制所有绕组直接冷却。在10KHz及以上，实线将遭受过度磨损和邻近效应损失。有了如此出色的冷却效果，只需要一个简单的绞合线，成本也只是传统多层绞合线铁氧体磁芯的一小部分，产生的损耗非常低，避免被绕组加热。当成对使用时，远场可以减小，并且通过反平行配置定向可以获得大约15%的有用电感。
不带变压器的UPS不一样。
与基于变压器的系统相比，无变压器不间断电源有许多优点，但它们并不相同。在为关键任务应用选择无变压器不间断电源时，企业数据中心的决策者应坚持无变压器不间断电源必须具备以下特征：
1.体积小，重量轻。
无变压器不间断电源应该比基于变压器的产品更小更轻，这不*是因为它们不包含笨重的变压器。不间断电源还应具有小型磁性组件(如电感器、扼流圈和铁氧体)和气流改善功能，以*小化散热器的尺寸和重量，并减少冷却所需的风扇数量。请注意，除了节省空间，这些增强的功能还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。
中性点的正确处理应在安装文件中明确说明。应特别注意上游和下游故障性能，不间断电源应能够提供4线负载，如208/120伏交流电和400/230伏交流电。
3.从高效率到传统运营模式的过渡时间短。
由于在高效率和传统操作之间切换时不需要磁化输出变压器，因此无变压器UPS应该能够在大约2毫秒内完成切换。切换时间超过10ms可能会给下游静态交换机或支持的IT设备本身带来问题。
综上所诉，采用小型轻质滤波电感的无变压器拓扑、逆变器和整流器中的高性能IGBT以及的控制策略可以带来更高的性能和价值。
与传统的UPS拓扑设计相比，不带变压器的上海UPS不间断电源系统通常只有前者的25%重量，*占前者的60%。低输入总谐波失真(满载时小于4.5%)和高输入功率因数(大于0.99)支持低至近10%的负载，无需额外的输入滤波器。此外，满载效率可达95%以上。包装可以设计成冷却和布线不需要侧面或后面的通道或间隙。凭借这些新优势，这种技术密集型设计将成为企业数据中心的**拓扑。
无变压器不间断电源技术简史
无变压器UPS设计*早出现在较低功率水平，大概有二十多年的历史。目前大多数300千伏安以下的无变压器UPS设计都是无变压器的，这意味着这类UPS不含电力线频率磁性材料(变压器或电感)。这种无变压器设计的趋势涵盖了更高的功率水平，因为电力线磁性材料既消耗材料又消耗人力。另一方面，所需的高频功率处理是技术密集型的。一般来说，这方面的技术进步已经足够成熟，可以在不**所需可靠性的情况下，为企业客户提供更高的价值。一旦实现这一目标，技术密集型设计就成为价值优先的**。的技术进步对开关电源也有类似的影响，例如用于服务器、存储设备和网络设备的开关电源。
无变压器UPS:增长势头迅猛。
功率高达30kVA，现在高达1100kVA，企业数据中心面临的挑战是如何在高压下快速切换大电流，而不会造成高损耗或过高的峰值电压。在过去的十年中，高功率IGBT已经成熟到足以允许企业数据中心实现10kHz以上的频率转换，而不会**这些更高功率水平的效率。此外，在测量系统效率时，一些创新的控制策略允许进一步降低开关损耗，使无变压器不间断电源比旧不间断电源好得多。
无变压器不间断电源相对于传统设计的优势
图1显示了采用传统和无变压器技术的不间断电源系统的基本拓扑。相控整流器虽然效率高、性价比高，但会产生较大的谐波输入电流和较低的输入功率因数，这是很多企业数据中心站点无法接受的，也与一些发电机不兼容。
需要大量输入电感和谐波滤波器将谐波降至总谐波失真(THD)的5%至10%，而功率因数(PF)**可降至0.99PF以上。这些元件增加了成本、重量和占地面积，而大量电容器减少了平均故障间隔时间(MTBF)。此外，它们不会在很宽的负载范围内保持THD下降和PF上升。它通常只在满负荷的60%以上有效。在小于约40%的轻负载下，输入PF实际上可能会导致，这将导致与发电机不兼容。PF也随线路电压而变化，但*适用于标称线路。图1:传统和现代无变压器技术的简化示意图
采用IGBT整流器的无变压器设计固有地保持了功率因数上升和总谐波失真从10%下降到99%。它与发电机高度兼容，避免了可控硅通常需要的超大型发电机。这些出色的输入特性在输入电压工作范围内保持不变。
传统不间断电源设计的典型输入特性
无变压器不间断电源设计的典型输入特性。
总谐波失真和无变压器不间断电源设计
谐波失真的重要性取决于具体应用及其位置。
例如，低频10%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，可控硅触发引起的快速di/dt(电流高峰)可能导致严重的线路电压陷波，干扰相邻设备。事实上，在THP的个人输入功率因数降至0.990以下之前，总谐波失真需要超过总谐波失真的14%。(见下图4)
真实功率因数与总谐波失真的关系
典型的6可控硅输入电流的总谐波失真为30%或更高，di/dt受到输入电感的限制。
变压器中使用的更高开关频率允许更小的滤波器电感和更快的响应时间，并改善波形完整性：
不带变压器拓扑的UPS典型输入输出波形。
电力系统显示，中性点输出可以与相电压一起产生，无需变压器。虽然在线操作*需要三线输入，但需要中性连接来支持旁路操作或相到中性负载。在传统拓扑中，三角波变压器通常用于产生中性点输出。
不带变压器的电源控制系统
无变压器不间断电源电池管理的优势
注意，半桥转换器可以**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)。转换器还可以使电池保持开路状态，以避免因电压漂移明显高于开路电压(尤其是在高温下)而导致的持续纹波电流和加速老化。有了这些附加功能，的电池管理技术和其他充电技术可以有效延长电池的使用寿命。
IGBT整流器电平支持从线路提取的功率，而逆变器电平支持输出电流。当输入功率因数大于0.99时，它可以支持高达90%额定KVA的负载功率，同时保持足够的电池充电储备。在线压降时，放弃部分再充电电源，以保证输出负载的持续支持。当线路电平恢复到满状态/快充时，其功能将恢复。通过在输入端使用小电感/电容(LC)低通滤波器，即使输入电感在di/dt中适度变化，也不会干扰线路电压，只需在输出电压处由相同的LC滤波器进行滤波即可。
磁性元件材料规格和重量的比较
通过使用无变压器设计实现的规格和重量减轻的示例，其示出了具有传统拓扑的UPS的“magpak”。包括输出变压器、输入线电感、DC母线扼流圈、输出滤波电感和输入谐波滤波电感。它不*非常重，而且导致整个单元的规格和尺寸非常大。当相互比较时，传统组件和新的无变压器技术在尺寸和重量上的差异在视觉上是相当明显的。
275千伏系统磁性封装材料(magpak)的相关规格和尺寸示例。
在没有变压器拓扑的完整电力系统中使用的一半电感。
这些电感焊接到电源印刷电路板(PCB)上，并安装到铝U形通道底盘上，尺寸、重量和成本都很小。图9显示了终端视图。
无变压器不间断电源中电感的端视图。
无变压器不间断电源通常采用闭芯设计。在高电流和低电感的情况下，通常会出现大的气隙。剔除**中心以外的所有零件，也会导致净透过率低，**材料采购量低。通过将绕组限制为两层，并在磁芯和绕组之间引入空间，可以强制所有绕组直接冷却。在10KHz及以上，实线将遭受过度磨损和邻近效应损失。有了如此出色的冷却效果，只需要一个简单的绞合线，成本也只是传统多层绞合线铁氧体磁芯的一小部分，产生的损耗非常低，避免被绕组加热。当成对使用时，远场可以减小，并且通过反平行配置定向可以获得大约15%的有用电感。
不带变压器的UPS不一样。
与基于变压器的系统相比，无变压器不间断电源有许多优点，但它们并不相同。在为关键任务应用选择无变压器不间断电源时，企业数据中心的决策者应坚持无变压器不间断电源必须具备以下特征：
1.体积小，重量轻。
无变压器不间断电源应该比基于变压器的产品更小更轻，这不*是因为它们不包含笨重的变压器。不间断电源还应具有小型磁性组件(如电感器、扼流圈和铁氧体)和气流改善功能，以*小化散热器的尺寸和重量，并减少冷却所需的风扇数量。请注意，除了节省空间，这些增强的功能还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。
中性点的正确处理应在安装文件中明确说明。应特别注意上游和下游故障性能，不间断电源应能够提供4线负载，如208/120伏交流电和400/230伏交流电。
3.从高效率到传统运营模式的过渡时间短。
由于在高效率和传统操作之间切换时不需要磁化输出变压器，因此无变压器UPS应该能够在大约2毫秒内完成切换。切换时间超过10ms可能会给下游静态交换机或支持的IT设备本身带来问题。
综上所诉，采用小型轻质滤波电感的无变压器拓扑、逆变器和整流器中的高性能IGBT以及的控制策略可以带来更高的性能和价值。
与传统的UPS拓扑设计相比，不带变压器的上海UPS不间断电源系统通常只有前者的25%重量，*占前者的60%。低输入总谐波失真(满载时小于4.5%)和高输入功率因数(大于0.99)支持低至近10%的负载，无需额外的输入滤波器。此外，满载效率可达95%以上。包装可以设计成冷却和布线不需要侧面或后面的通道或间隙。凭借这些新优势，这种技术密集型设计将成为企业数据中心的**拓扑。