艾默生 UHA1R-0030L

產品容量：3KVA（2.7KW）系列：艾默生Adapt(1-40K)UPS電壓的輸入輸出：三進單出(380V:22V)外接電池數量：6塊重量：12 kg（ 公斤）尺寸（LWH）：430*575*85 MM（毫米）U形狀分類：機架式UPS

較之此前的基于變壓器的UPS系統，今天的無變壓器UPS不僅規格更小、重量更輕，而且更有效，更可靠，進而得以能夠更好地限制故障電流。此外，它們還使企業組織能夠利用諸如節能系統和可變模塊管理系統等復雜功能，通過降低機械復雜性，降低能耗成本來增強可靠性。因此，在當前北美地區的企業數據中心市場上，對于無變壓器UPS設計的采用較之舊技術要出多一倍。
  
  無變壓器UPS技術簡史
  
  無變壓器UPS設計最早出現在較低的功率水平，大概已經有二十多年的歷史了。現在，絕大多數低于300kVA的無變壓器UPS設計都是無變壓器的，這意味著這類UPS不包含電力線頻率磁性材料(變壓器或電感器)。這種無變壓器設計趨勢涵蓋更高的功率水平，因為電力線磁性材料既耗費材料又耗費人力。另一方面，所需的高頻功率處理屬于技術密集型。總的來說，這方面技術的進步已經足夠成熟，可以在不犧牲所需可靠性的情況下為企業客戶提供更高的價值。而一旦達到這一點，技術密集型設計就成為了價值優先者的首選。技術的進步對諸如用于服務器、存儲設備和網絡設備中的切換式電源供應器也產生了類似的影響。
  
  無變壓器UPS：增長勢頭迅猛
  
  在功率達到30kVA以上，現在高達1100kVA的情況下，企業數據中心所面臨的挑戰是：如何在高電壓下快速的切換高電流，而不會造成高損耗或過高的峰值電壓。在過去的十年中，大功率IGBT已經足夠成熟，允許企業數據中心實現10kHz以上的頻率轉換，而不會在這些更高的功率水平下犧牲效率。此外，在系統效率方面進行測量時，一些創新的控制策略允許進一步減少交換機的損耗，使無變壓器UPS大大優于舊式的UPS。
  
  無變壓器UPS較之傳統設計的優勢
  
  下圖1顯示了傳統和無變壓器技術UPS動力系統的基本拓撲結構。相位控制整流器雖然效率高，且性價比高，但會產生較大的諧波輸入電流，并降低的輸入功率因數，這對于許多企業數據中心站點而言是不可接受的，并且與某些發電機不兼容。
  
  需要大量的輸入電感器及諧波濾波器，以使得諧波降至總諧波失真(TotalHarmonicDistortion，THD)的5%至10%，而功率因數(PF)則最高可降至達>0.99PF。這些組件增加了成本和重量，并增加了占地面積，而大量的電容器減少了平均故障間隔時間(MTBF)。另外，它們不會在較寬的負載范圍內保持THD下降和PF上升。通常僅在滿載的60%以上才有效。在低于大約40%的輕負載下，輸入PF實際上可能領先，并且會導致與發電機的不兼容。PF也會隨線路電壓而變化，但僅限于標稱線路。
  
  圖1：傳統和現代無變壓器技術的簡化原理圖
  
  微信圖片_20180524145424
  
  如下圖2所示，采用IGBT整流器的無變壓器設計固有地保持PF上升，THD從10%降至100%。其與發電機高度兼容，避免了SCR通常需要的額外的超大規格發電機。這些卓越的輸入特性在輸入電壓工作范圍內保持不變。
  
  圖2：傳統UPS設計的典型輸入特性
  
  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
  
  關于諧波失真，其重要程度取決于特定的應用程序及其位置。
  
  例如，低頻10%的失真分量比高頻分量產生的電壓失真小得多。如果沒有足夠的輸入濾波，由SCR觸發引起的快速di/dt(電流高峰)可能會導致嚴重的線路電壓陷波，并*鄰近的設備。事實上，在THP單獨輸入PF降至0.990以下之前，THD需要超過14%的THD。(見下圖4)
  
  圖4：真正的功率因數vs.THD
  
  典型的6個SCR輸入電流的THD為30%或更高,di/dt受輸入電感器的限制。
  
  無變壓器中使用的更高開關頻率允許使用更小的濾波電感和更快的響應時間，并提高波形完整性：
  
  圖5：無變壓器拓撲UPS的典型輸入和輸出波形。
  
  下圖6中的動力系統顯示，中性點輸出可以與相電壓一起產生，而無需變壓器。雖然在線操作只需要三線輸入，但需要中性連接以支持旁路操作或相對中性點電壓(phase-to-neutral)負載。在傳統的拓撲結構中，三角波變壓器通常用于生成中性點輸出。
  
  圖6：不需要變壓器的動力控制系統
  
  無變壓器UPS的電池管理優勢
  
  請注意，半橋轉換器可以獨立于總線電壓控制電池電壓，并且還允許適應一定范圍的電池電壓(例如192至240個電池單元)。該轉換器還可使電池處于開路狀態，以避免持續的紋波電流以及因明顯高于開路電壓的電壓漂移而導致的加速老化(特別是在高溫下)。借助這些附加功能，先進的電池管理技術和其他充電技術可以更有效地延長電池使用壽命。
  
  IGBT整流器級別支持從線路提取的功率，而逆變器級別則支持輸出電流。輸入PF>0.99時，可以支持高達額定千伏安90%的負載功率，同時保持充足的電池充電儲備。在線電壓降低期間，放棄一些再充電功率以確保繼續支持輸出負載。當線路電平恢復充滿狀態/快速充電時，其功能將恢復。
  
  通過在輸入端使用小型電感/電容(LC)低通濾波器，即使輸入電感中的適度di/dt變化也不會*線路電壓，只需通過同一個LC濾波器在輸出電壓下對其進行濾波即可。
  
  磁性元件材料的規格和重量比較
  
  下圖7顯示了使用無變壓器設計所實現的規格和重量減輕的示例，該圖顯示了常規拓撲UPS的“磁性材料封裝”(magpak)。包括輸出變壓器、輸入線路電感器、直流母線扼流圈、輸出濾波電感器和輸入諧波濾波電感器。其不僅非常重，而且還造成了整個單元的規格尺寸非常大。當進行相互比較時，傳統組件與新型無變壓器技術的規格尺寸和重量差異在視覺上相當明顯。
  
  圖7：用于275kVAUPS系統的磁性封裝材料(magpak)的相對規格尺寸實例。
  
  圖8：用于無變壓器拓撲的完整動力系統的一半的電感器。
  
  這些電感器被焊接到功率印刷電路板(PCB)上，并以一小部分的規格尺寸、重量和成本安裝到鋁制的U型通道機箱。圖9顯示了一個終端視圖。
  
  圖9：無變壓器UPS中電感器的終端視圖。
  
  在無變壓器UPS中，經常使用閉芯設計。在高電流和低電感的情況下，通常會產生大的氣隙。消除除核心中心以外的所有部分，也會導致凈透過率低，以及低核心材料采購。將繞組限制為只有兩層，并在磁芯和繞組之間引入空間，可以直接強制冷卻所有繞組。在?10KHz及以上時，實線會遭受過度的擦破和鄰近效應損失。憑借如此卓越的冷卻效果，只需簡單的絞合線即可，而成本僅僅只是傳統多層絞合線的一小部分。鐵氧體磁芯產生非常低的損耗，并避免被繞組加熱。成對使用時，遠場可以減少，同時通過反平行配置定向獲得約15%的有用電感。
  
  無變壓器UPS并不完全相同
  
  與基于變壓器的系統相比，無變壓器UPS具有許多優點，但它們并不完全相同。當選擇一款無變壓器UPS用于其關鍵任務應用時，企業數據中心的決策者們應堅持該款無變壓器UPS必須具備以下特點：
  
  1、體積小，重量輕。
  
  無變壓器的UPS應該比基于變壓器的產品體積小得多，重量輕，不僅因為它們不包含笨重的變壓器。UPS還應具備小型磁性材料元件(如電感器、扼流圈和鐵氧體)以及氣流改進功能，以盡量減少散熱片的尺寸和重量，并減少冷卻所需的風扇數量。請注意，除了節省空間之外，這些增強的功能也可以提高機械的可靠性。
  
  2、能夠從停止的Y型甚至HRG源操作。
  
  應在安裝文檔中明確描述中性點的正確處理方式。應特別注意上游和下游的故障性能，并且UPS應能夠供給給諸如208/120VAC和400/230VAC的4線負載。
  
  3、從高效率到傳統操作模式的短暫過渡時間。
  
  由于在高效率和傳統操作之間轉換時不需要磁化輸出變壓器，所以無變壓器UPS應該能夠在大約2毫秒內完成轉換。大于10毫秒的轉換時間可能會對下游靜態交換機或受支持的IT設備本身造成問題。
  
  結論
  
  帶有小型輕量級濾波電感器的無變壓器拓撲結構，逆變器和整流器中的高性能IGBT以及先進的控制策略可帶來更高的性能和價值。
  
  與傳統的UPS拓撲設計相比，無變壓器的UPS通常只有25%的重量，并占地面積僅為前者的60%。低輸入THD(滿載時小于4.5%)和高輸入功率因數(>0.99)支持低至近10%的負載，無需額外的輸入濾波器。另外，滿載效率可以達到95%以上。包裝可以設計成冷卻和接線不需要側面或后面的通道或間隙。有了這些新的優勢，這種技術密集型設計將成為企業數據中心的首選拓撲結構。