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大功率UPS性能得到改善,规格/重量大大降低

* 来源: * 作者: * 发表时间: 2020-07-18 0:44:36 * 浏览: 2
与以前的基于变压器的UPS系统相比,如今的无变压器UPS不仅体积更小,重量更轻,而且效率更高,更可靠,从而可以更好地限制故障电流。与以前的基于变压器的UPS系统相比,如今的无变压器UPS不仅体积更小,重量更轻,而且效率更高,更可靠,从而可以更好地限制故障电流。此外,它们使商业组织能够利用诸如节能系统和可变模块管理系统之类的复杂功能,通过降低机械复杂性和能耗成本来提高可靠性。因此,在北美当前的企业数据中心市场中,采用无变压器UPS设计的能力是旧技术的两倍以上。无变压器UPS技术的变压器历史无变压器UPS设计最初以较低的功率水平出现,可能已有20多年的历史了。如今,大多数300kVA以下的无变压器UPS设计都是无变压器的,这意味着此类UPS不包含电源线频率的磁性材料(变压器或电感器)。这种无变压器的设计趋势涵盖了更高的功率水平,因为电力线磁性材料会消耗材料和人力。另一方面,所需的高频功率处理是技术密集的。通常,该领域的技术进步已经足够成熟,可以在不牺牲所需可靠性的前提下为公司客户提供更高的价值。一旦达到这一点,技术密集型设计便成为当务之急。技术进步对开关电源(如服务器,存储设备和网络设备中使用的开关电源)具有类似的影响。无变压器UPS:增长势头迅猛。随着功率达到30kVA以上,现在达到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,而又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,可以使企业数据中心实现10kHz以上的频率转换而又不牺牲这些较高功率水平下的效率。另外,在测量系统效率时,一些创新的控制策略可以进一步减少开关损耗,从而使无变压器UPS大大优于旧的UPS。与传统设计相比,无变压器UPS的优势下图1显示了传统无变压器技术UPS电源系统的基本拓扑。尽管相控整流器高效且具有成本效益,但它们会产生大的谐波输入电流并降低输入功率因数,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。兼容。需要大量输入电感器和谐波滤波器,以将谐波降低至总谐波失真(THD)的5%至10%,功率因数(PF)降至gt,0.99PF。这些组件增加了成本和重量,并增加了占位面积,而大量电容器减少了平均故障间隔时间(MTBF)。此外,它们不会在更宽的负载范围内保持THD下降和PF上升。通常仅在满载的60%以上时才有效。在低于约40%的轻负载下,输入PF实际上可能超前,并会导致与发电机不兼容。 PF也将随线电压而变化,但仅适用于标称线。图1:传统和现代无变压器技术的简化示意图微信图片_20180524145424如下图2所示,使用IGBT整流器的无变压器设计固有地将PF上升和THD保持在10%至100%。它与发电机高度兼容,避免了SCR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。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,其重要性取决于特定的应用和位置。例如,低频10%失真分量远小于高频分量产生的电压失真。如果没有足够的输入过滤,SCR触发引起的快速di / dt(电流峰值)可能会导致严重的线路电压陷波和*附近的设备。实际上,在仅THP的输入TPF降至0.990以下之前,THD需要超过14%的THD。 (请参见下面的图4)图4:典型6个SCR输入电流的有功功率因数与THD THD为30%或更高,并且di / dt受输入电感器的限制。无变压器使用的较高开关频率允许使用较小的滤波器电感和更快的响应时间,并改善了波形完整性:图5:无变压器拓扑UPS的典型输入和输出波形。下图6中的电源系统显示,无需变压器即可产生中性点输出和相电压。尽管在线操作仅需要三线输入,但需要零线连接以支持旁路操作或相线到零线负载。在传统拓扑中,三角波变压器通常用于生成中性输出。图6:无变压器的电源控制系统无变压器的UPS电池管理优势请注意,半桥转换器可以独立于总线电压来控制电池电压,还可以适应各种电池电压(例如192至240电池)。转换器还可以使电池处于开路状态,以避免持续的纹波电流和由于电压漂移(明显高于开路电压)而导致的加速老化(尤其是在高温下)。通过这些附加功能,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寿命。 IGBT整流器级别支持从线路中提取的功率,而逆变器级别支持输出电流。当输入PFgt,0.99时,它可以支持高达90%的额定KVA负载功率,同时保持充足的电池电量储备。在线路电压下降期间,会放弃一些充电功率,以确保持续支持输出负载。当线路电平恢复到完全状态/快速充电时,其功能将恢复。通过在输入端使用一个小的电感器/电容器(LC)低通滤波器,即使输入电感中适度的di / dt变化也不会*产生线电压,只需通过同一LC滤波器以输出电压对其进行滤波即可。 。磁性元件材料的规格和重量的比较下图7显示了使用无变压器设计实现的规格和重量减轻的示例,该图显示了常规拓扑UPS的“ magpak”。包括输出变压器,输入线路电感,直流母线扼流圈,输出滤波电感和输入谐波滤波电感。它不仅很重,而且整个装置的尺寸也很大。相互比较时,传统组件和新的无变压器技术之间在尺寸和重量上的差异在视觉上非常明显。图7:275kVAUPS系统中使用的磁性包装材料(magpak)的相对规格示例。图8:整个电源系统一半的电感,无变压器拓扑。这些电感器焊接到功率印刷电路板(PCB)上,并以很小的尺寸,重量和成本安装到铝制U形通道机架上。图9显示了一个终端视图。图9:无变压器UPS中电感器的端子图。在无变压器UPS中,经常使用闭芯设计。在大电流和低电感的情况下,通常会产生较大的气隙。取消除核心中心以外的所有零件,也将导致较低的净传动和较低的核心材料采购。将绕组限制为仅两层,并在铁芯和绕组之间引入空间,可以直接迫使所有绕组冷却。在-10KHz及以上时,实线会遭受过度刮擦并失去邻近效应。凭借如此出色的冷却效果,仅需一根简单的多股绞线,而成本仅是传统多层多股绞线的一小部分。铁氧体磁心产生非常低的损耗,并避免绕组发热。当成对使用时,可以减小远场,并且通过反平行配置方向可以获得约15%的有用电感。无变压器UPS不完全相同与基于变压器的系统相比,无变压器UPS有很多优点,但并不完全相同。在为其任务关键型应用选择无变压器UPS时,企业数据中心的决策者应坚持无变压器UPS必须具有以下特征:1.体积小,重量轻。无变压器UPS应该比基于变压器的产品更小,更轻,这不仅是因为它们不包含笨重的变压器。 UPS还应具有较小的磁性材料组件(例如电感器,扼流圈和铁氧体),并具有改善气流的功能,以最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,除了节省空间外,这些增强功能还可以提高机器的可靠性。 2.可以从停止的Y型甚至HRG信号源进行操作。应在安装文档中清楚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,UPS应该能够提供4线负载,例如208 / 120VAC和400 / 230VAC。 3.从高效率到传统运行模式的过渡时间短。由于高效率和传统运行之间的转换不需要磁化输出变压器,因此无变压器的UPS应该能够在大约2毫秒内完成转换。转换时间大于10毫秒可能会导致下游静态交换机或受支持的IT设备本身出现问题。结论无变压器拓扑结构,小型,轻巧的滤波电感器,逆变器和整流器中的高性能IGBT和先进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,无变压器式UPS通常仅占重量的25%,而仅占前者的60%。低输入THD(满载时小于4.5%)和高输入功率因数(gt,0.99)可支持低至近10%的负载,而无需额外的输入滤波器。此外,满载效率可以达到95%以上。可以将包装设计为用于冷却和布线,而在侧面或后面不需要通道或间隙。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。