概述

當前的無變壓器UPS不僅比帶變壓器UPS系統要小巧輕便很多，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節能系統（Energy Saver System）和VMMS智能模塊休眠管理系統（Variable Module Management System）等，通過降低機械復雜性和減少電費來提高可靠性。因此，在北美數據中心的新部署中，當前的無變壓器UPS數量是傳統技術的兩倍。

本白皮書介紹了無變壓器UPS的技術優點，并詳述了采用它們可獲得的收益。

無變壓器UPS技術的發展簡史

自從最初的小功率UPS問世以來，無變壓器UPS設計已經歷了大約二十年的發展。如今，300 kVA以下的UPS絕大多數都采用無變壓器設計，這意味著UPS并不一定需要工頻磁場（變壓器或電感器）。這種無變壓器設計的趨勢在向著大功率段發展，因為工頻磁場是原材料和勞動力密集型產品。而高頻電力電子設備是技術密集型產品。一般來說，技術發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，技術密集型的設計就成為首選的領先方案，服務器、存儲設備和網絡設備中使用的開關電源等技術的發展已經證明了這一點。

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已經發展得非常成熟，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，因為從系統效率方面衡量，無變壓器UPS優于傳統UPS，所以一些極具創意的新控制技術進一步減少了開關損耗。

變壓器UPS與無變壓器UPS的比較

　　無變壓器UPS相對于傳統設計的優勢

圖1分別提供了傳統UPS系統和無變壓器UPS系統的基本拓撲結構。相控整流器區別于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，這在很多現場是不可接受的，且與部分發電機不兼容。為將總諧波失真（THD）減少5-10%，將功率因數提高到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，導致與發電機不兼容。PF還會隨線電壓的變化而改變，但參數表只是標稱值。

　　

采用變壓器的傳統技術

　　

不采用變壓器的新技術

圖1：傳統技術和新型無變壓器技術的簡化示圖

如圖2所示，采用IGBT整流器的無變壓器設計，在10-100%負載范圍內，都能有效提高PF、降低THD。它與發電機高度兼容，避免了采用SCR時常出現的發電機超容量現象。這些出色的輸入特性在整個輸入電壓工作范圍內都保持不變。

　　圖2：傳統UPS設計的典型輸入特性

　　負載%

　圖3：無變壓器UPS設計的典型輸入特性

THD和無變壓器UPS設計

對于諧波失真，其嚴重程度取決于特定應用和位置。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。如果沒有適當的輸入濾波，SCR關斷時產生的快速di/dt（電流尖峰）將引起嚴重的線電壓缺口，干擾鄰近設備。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：有效功率因數與THD間的關系

　　

　　

圖5：采用無變壓器拓撲結構的UPS的典型輸入和輸出波形

圖6中的電力系統顯示，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。在傳統拓撲結構中，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

無變壓器UPS的電池管理優點

無論總線電壓如何，都可以使用半橋轉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）。此轉換器還能使電池置于開路狀態，以避免長期使用高于開路電壓的電壓浮充，而造成的持續鏈波電流和加速老化現象（特別是在高溫環境）。借助這些功能，高級電池管理（ABM?）技術和其他充電技術可有效延長電池壽命。

IGBT整流極支持來自電網的輸入功率，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，以確保持續支持輸出負載。當線電壓恢復，電池也恢復快速充電。

當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計后實現的尺寸縮小與重量減輕情況示例，也顯示了傳統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，影響整個設備的占地空間。當這兩個設備并排擺放時，傳統組件與新無變壓器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：電感器占據無變壓器拓撲結構整個電力系統的一半

這些電感器焊接在印刷電路板(PCB)上，安裝在鋁質U形支架上，其尺寸、重量和成本都比傳統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，一般采用閉環磁芯設計。因為電流大而電感低，常常會出現較大氣隙。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，實心線會發生過多外皮和鄰近效應損耗。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支架，避免了雜散磁場常常存在的干擾問題。

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相比，提供很多優勢，但它們也不盡相同。決策制定者在為其關鍵任務應用選擇無變壓器UPS時，應堅持考慮以下因素：

1.小尺寸，輕分量。無變壓器UPS應遠較傳統變壓器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還應采用小巧磁性元件（如電感、電抗器和鐵氧體），并改進了通風，從而縮小了散熱片的尺寸與重量，減少了用于冷卻的風扇數目。請注意，除了節約空間外，這些改進還提高了機械可靠性。

2.能夠使用接地星形結構甚至HRG供電運行。中性線的正確處理應在安裝文件中盡早介紹。應特別關注上游和下游故障性能，無變壓器UPS應該能夠支持4線負載，如208/120VAC和400/230VAC。

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

結論

無變壓器拓撲結構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，并配備先進控制戰略，能夠提高性能與價值。與傳統UPS拓撲結構設計相比，無變壓器UPS一般要輕25%，體積僅為傳統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。其包裝也經過精心設計，使得冷卻和布線都無需側邊或后邊操作或清理。借助這些新優勢，此技術密集型設計將會成為首選拓撲結構。

1 采用Eaton 9395 UPS進行比較

附錄A：有關傳統變壓器UPS與無變壓器UPS的十個常見錯誤見解

1.輸入和/或輸出變壓器保護整流器和/或逆變器SCR免遭電壓瞬變而造成的損壞。

過去需要變壓器來提供正確電壓，并作為串聯阻抗，用于基于SCR的整流器或逆變器。但是，目前采用IGBT的晶體管UPS無需電壓變更和瞬變保護。而且，盡管變壓器阻抗一度在發生故障時有助于SCR和較慢晶體管變頻控制，但隨著目前較快的UPS控制能夠在幾毫秒內隔離UPS，保護關鍵負載，已不再需要變壓器了。

2.需要使用UPS中的輸入和輸出變壓器"浮充"機架安裝電池，這樣對于維修和可能會無意間碰觸到接線柱的人員來說，都更加安全。

無論"浮充"與否，接觸暴露在外的電池接線柱都不安全。實際上，浮充電池很容易給人造成安全的錯覺。

例1：如果電池接線柱和金屬架間因電解液溢出而短路，浮充電池很容易會使技術人員觸電而亡。如果技術人員站在地面，碰觸電池接線柱，他們有可能遭到致命電擊。浮充電池與非浮充電池一樣危險，UPS變壓器對此毫無助益。

而且，即使UPS中的輸入和輸出變壓器也無法使電池接線柱能夠安全觸摸。對于電池接線柱的操作方式，應該與UPS中的交流輸入和輸出端子相同。無變壓器UPS生產商并非使用大量鐵和銅來使電池看起來安全，而是建議使用電池接線柱護套，它們較變壓器廉宜得多，而且允許您在電池斷路器打開時，執行維護流程。

例2：如果一位技術人員將水潑到了浮充電池上，形成了2號電池到機架的電解液軌跡，那么，無意間碰觸220號電池的接線柱，就會感受到超過400 VDC的電壓，無論其皮膚電阻如何，都會導入地下。即使當時您浮充電池系統，接觸接線柱仍會使您身亡。盡管技術人員很少會因為浮充電池觸電而亡，但它仍然非常危險。

一個較好方法是，打開直流串聯斷路器，使用塑料或橡膠接線柱護套，避免數據中心工作人員偶然接觸到裸接線柱。

那么，數據中心操作人員究竟應該如何防止人們接觸危險的交流輸入端子呢？他們使用空接面和門，UL認為這是一種安全方法。此方法也適用于電池－使用接線柱護套替代空接面，如果必須接觸接線柱，則打開斷路器，就如同進行交流輸入端子操作一樣。

3.如果電池不浮充，就無法檢測到"電池接地故障"報警。

實際上，您可以做到，而且還能更為經濟地做到。第三方接地故障檢測設備的成本基本上僅為一對變壓器的0.05%，重量也輕很多。而且，和變壓器不同，它不會影響效率。

4.變壓器自動提供電流隔離。

一直有這樣一個誤區，認為SCR和SCR/IGBT UPS中所需的內置輸出及輸入變壓器能夠自動為負載提供電流隔離，這是一項額外優勢。

實際上，在大部分情況下并非如此。輸出電壓變壓器的主要用途是進行電壓轉換，而非中性線電流隔離。如圖9所示，一般來說，UPS的中性線將直通連接，簡化大多數站點對于接地中性線的要求，這其中MEN鏈接位于主饋線板UPS上游。因此，負載中性線不會進行電流隔離。

而且，因為靜態開關位于變壓器后，所以無法實現電流隔離，如圖9所示（請記住，靜態開關的作用是在UPS逆變器/變壓器輸出和輸入旁路之間切換）。每當UPS切換到靜態旁路，就意味著兩個電源連接。如果采用的是離線或備用UPS，這就是正常操作。

通過在UPS輸出端放置一個雙繞變壓器，能夠實現電流隔離。其目的是將逆變器輸出和靜態開關輸出與負載隔離。這通常會作為"旁路隔離變壓器"銷售，與UPS外部相連。實際上，它強調指出了旁路線路在內部正常運行時并不隔離的事實。

　　圖9：典型 SCR UPS的系統視圖

5.如果沒有輸出變壓器，意味著我無法將UPS中的中性線與地線相連，因此可能會有中線接地或共模雜訊問題。

我們不建議在無變壓器UPS中將中性線與地線相連。如果中性線已從旁路進入UPS，UPS中性線應與電源中性線相連，而非與地線相連。也就是說，為了隔離雜模共訊，考慮以下因素是很重要的：

● 如果向UPS饋電的設施變壓器（N-G連接）位于UPS附近，則UPS中的另一變壓器就是冗余變壓器。

● 如果UPS和重要負載間有一個配電裝置(PDU)變壓器或配電變壓器，則UPS中的另一變壓器就是冗余變壓器。

● 實際上，過去二十年間生產的所有IT設備都配有濾波，輸入的共模雜訊衰減率為10,000,000:1左右。

6.UPS中有變壓器，意味著能夠更好地處理內外故障或短路。

在20年前，這可能是對的，但當今的無變壓器UPS配備內部電路、熔斷保險和快速DSP控制，使它們能夠處理內部短路、外部下游故障和上游故障，而且同時保護負載及UPS內部組件。測試結果、波形圖以及全世界數千數據中心操作人員的親身體驗都能證明這一點。

7.UPS中的變壓器有助于限制故障電流，防止弧閃問題。

UPS變壓器的阻抗確實會限制故障電流和弧閃能級。但同時我們需要考慮以下問題：

● UPS是否被認定為或作為弧閃保護設備銷售？

不是。設施應進行正確設計，來限制故障電流。輸出故障將會把UPS轉變為旁路設備。

● 處于旁路時，這兩種UPS是否會限制故障電流？

不會。UPS內部旁路中無變壓器。

● 使用逆變器時，這兩種UPS是否會限制故障電流？

會，這被稱為"電流限制"。

● 什么設備向UPS饋電？

機構變壓器。

● UPS一般向什么設備饋電？

一個包含變壓器或無變壓器的PDU。

● 那么如果UPS前后都已被變壓器包圍，那么UPS為什么還需要內部變壓器來限制故障電流呢？

確實，它不需要。

8.為了防止UPS內部故障時，UPS輸出中出現"直流組件"，UPS的輸出變壓器是必不可少的。

無變壓器UPS的設計采用了快速半導體熔斷，在某些情況下采用旋轉矢量傳感算法，立即隔離和保護UPS，無論是正常運行還是故障，都不允許直流組件出現在輸出端。在包括輸入整流器短路故障、逆變器IGBT故障以及正負直流總線均故障的測試中，記錄表明，UPS始終無損，負載持續得到妥善保護。

9.如果電池總線發生故障，無變壓器UPS無法保護負載。

請參見上面錯誤見解7中有關直流故障測試的部分。

10.傳統變壓器UPS的效率高于無變壓器UPS。

傳統變壓器UPS的效率要低于無變壓器設計。變壓器會生成熱能，而熱損耗降低了效率：

效率 = 輸出功率 / (輸入功率 + 功率損耗)

功率損耗包括：

● IGBT 開關損耗和傳導損耗

● 磁性元件銅和磁芯損耗，以及變壓器損耗