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硕天高功率UPS电源性能提升,规格/重量显著降低

较之此前的基于变压器的UPS系统，今天的无变压器硕天UPS电源不仅规格更小、重量更轻，而且更有效，更可靠，进而得以能够更好地限制故障电流。此外，它们还使企业组织能够利用诸如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，降低能耗成本来增强可靠性。因此，在当前北美地区的企业数据中心市场上，对于无变压器硕天UPS电源设计的采用较之旧技术要出多一倍。

　　无变压器硕天UPS电源技术简史

　　无变压器UPS设计最早出现在较低的功率水平，大概已经有二十多年的历史了。现在，绝大多数低于300 kVA的无变压器UPS设计都是无变压器的，这意味着这类UPS不包含电力线频率磁性材料(变压器或电感器)。这种无变压器设计趋势涵盖更高的功率水平，因为电力线磁性材料既耗费材料又耗费人力。另一方面，所需的高频功率处理属于技术密集型。总的来说，这方面技术的进步已经足够成熟，可以在不牺牲所需可靠性的情况下为企业客户提供更高的价值。而一旦达到这一点，技术密集型设计就成为了价值优先者的首选。技术的进步对诸如用于服务器、存储设备和网络设备中的切换式电源供应器也产生了类似的影响。

　　无变压器硕天UPS电源：增长势头迅猛

　　在功率达到30kVA以上，现在高达1100kVA的情况下，企业数据中心所面临的挑战是：如何在高电压下快速的切换高电流，而不会造成高损耗或过高的峰值电压。在过去的十年中，大功率IGBT已经足够成熟，允许企业数据中心实现10kHz以上的频率转换，而不会在这些更高的功率水平下牺牲效率。此外，在系统效率方面进行测量时，一些创新的控制策略允许进一步减少交换机的损耗，使无变压器UPS大大优于旧式的UPS。

　　无变压器硕天UPS电源较之传统设计的优势

　　下图1显示了传统和无变压器技术UPS动力系统的基本拓扑结构。相位控制整流器虽然效率高，且性价比高，但会产生较大的谐波输入电流，并降低的输入功率因数，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。

　　需要大量的输入电感器及谐波滤波器，以使得谐波降至总谐波失真(Total Harmonic Distortion，THD)的5%至10%，而功率因数(PF)则最高可降至达> 0.99 PF。这些组件增加了成本和重量，并增加了占地面积，而大量的电容器减少了平均故障间隔时间(MTBF)。另外，它们不会在较宽的负载范围内保持THD下降和PF上升。通常仅在满载的60%以上才有效。在低于大约40%的轻负载下，输入PF实际上可能领先，并且会导致与发电机的不兼容。PF也会随线路电压而变化，但仅限于标称线路。

图1：传统和现代无变压器技术的简化原理图

　　基于变压器的硕天UPS电源较之无变压器硕天UPS电源的比较

特征	基于变压器的UPS	无变压器UPS
重量和规格尺寸		通常重量要减少25％，且占地面积减小40％
效率	90至93％	92至97％
节能模式	效率低下，转换速度慢	效率高达99％，转换仅需2毫秒
是否具备4线输出可用性	是	是
是否为独立的电源	在旁路上时否	在电池上时否
是否支持高电阻地（HRG）电源	是的，减少了HRG的益处	是的，保留了HRG容错
可靠性（MTBF）	较低	由于组件数量较少，因此可靠性（MTBF）较高
是否能限制故障电流并减轻arc flash	良好	由于更快的检测和隔离（不会因输出阻抗而减慢）效果更好
发电机的兼容性	需要更大的过滤器，电流接触器和发电机	允许规格紧凑的发电机，无需12脉冲的整流器或输入滤波器，可以减少部件数量，并提高效率

　　如下图2所示，采用IGBT整流器的无变压器设计固有地保持PF上升，THD从10%降至100%。其与发电机高度兼容，避免了SCR通常需要的额外的超大规格发电机。这些卓越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和无变压器硕天UPS电源设计

　　关于谐波失真，其重要程度取决于特定的应用程序及其位置。

　　例如，低频10%的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，由SCR触发引起的快速di/dt(电流高峰)可能会导致严重的线路电压陷波，并干扰邻近的设备。事实上，在THP单独输入PF降至0.990以下之前，THD需要超过14%的THD。 (见下图4)

图4：真正的功率因数vs.THD

　　典型的6个SCR输入电流的THD为30%或更高,di/dt受输入电感器的限制。

　　无变压器中使用的更高开关频率允许使用更小的滤波电感和更快的响应时间，并提高波形完整性：

图5：无变压器拓扑UPS的典型输入和输出波形。

　　下图6中的动力系统显示，中性点输出可以与相电压一起产生，而无需变压器。虽然在线操作只需要三线输入，但需要中性连接以支持旁路操作或相对中性点电压(phase-to-neutral)负载。在传统的拓扑结构中，三角波变压器通常用于生成中性点输出。

图6：不需要变压器的动力控制系统

　　无变压器硕天UPS电源的电池管理优势

　　请注意，半桥转换器可以独立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)。该转换器还可使电池处于开路状态，以避免持续的纹波电流以及因明显高于开路电压的电压漂移而导致的加速老化(特别是在高温下)。借助这些附加功能，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使用寿命。

　　IGBT整流器级别支持从线路提取的功率，而逆变器级别则支持输出电流。输入PF> 0.99时，可以支持高达额定千伏安90%的负载功率，同时保持充足的电池充电储备。在线电压降低期间，放弃一些再充电功率以确保继续支持输出负载。当线路电平恢复充满状态/快速充电时，其功能将恢复。

　　通过在输入端使用小型电感/电容(LC)低通滤波器，即使输入电感中的适度di /dt变化也不会干扰线路电压，只需通过同一个LC滤波器在输出电压下对其进行滤波即可。

　　磁性元件材料的规格和重量比较

　　下图7显示了使用无变压器设计所实现的规格和重量减轻的示例，该图显示了常规拓扑UPS的“磁性材料封装”(mag pak)。包括输出变压器、输入线路电感器、直流母线扼流圈、输出滤波电感器和输入谐波滤波电感器。其不仅非常重，而且还造成了整个单元的规格尺寸非常大。当进行相互比较时，传统组件与新型无变压器技术的规格尺寸和重量差异在视觉上相当明显。

　　在无变压器硕天UPS电源中，经常使用闭芯设计。在高电流和低电感的情况下，通常会产生大的气隙。消除除核心中心以外的所有部分，也会导致净透过率低，以及低核心材料采购。将绕组限制为只有两层，并在磁芯和绕组之间引入空间，可以直接强制冷却所有绕组。在〜10 KHz及以上时，实线会遭受过度的擦破和邻近效应损失。凭借如此卓越的冷却效果，只需简单的绞合线即可，而成本仅仅只是传统多层绞合线的一小部分。铁氧体磁芯产生非常低的损耗，并避免被绕组加热。成对使用时，远场可以减少，同时通过反平行配置定向获得约15%的有用电感。

　　无变压器硕天UPS电源并不完全相同

　　与基于变压器的系统相比，无变压器UPS具有许多优点，但它们并不完全相同。当选择一款无变压器UPS用于其关键任务应用时，企业数据中心的决策者们应坚持该款无变压器硕天UPS电源必须具备以下特点：

　　1、硕天UPS电源体积小，重量轻。

　　无变压器的UPS应该比基于变压器的产品体积小得多，重量轻，不仅因为它们不包含笨重的变压器。UPS还应具备小型磁性材料元件(如电感器、扼流圈和铁氧体)以及气流改进功能，以尽量减少散热片的尺寸和重量，并减少冷却所需的风扇数量。请注意，除了节省空间之外，这些增强的功能也可以提高机械的可靠性。

　　2、硕天UPS电源能够从停止的Y型甚至HRG源操作。

　　应在安装文档中明确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，并且UPS应能够供给给诸如208/120VAC和400/230VAC的4线负载。

　　3、硕天UPS电源从高效率到传统操作模式的短暂过渡时间。

　　由于在高效率和传统操作之间转换时不需要磁化输出变压器，所以无变压器UPS应该能够在大约2毫秒内完成转换。大于10毫秒的转换时间可能会对下游静态交换机或受支持的IT设备本身造成问题

数据中心的电容器其实是相当简单的设备，其规格从顶针到听装苏打水罐大小不等，可帮助消除电压的波动。典型的UPS包含十几种或更多种不同类型和规格尺寸的电容器：小型的电容器可平滑供应给UPS处理器的电源(机载智能)，而大型的电容器则主要用于调节流向受保护的设备的电源。

　　像电池一样，电容器会随着时间的推移而降级。一款典型的电容器可能会被制造商评定为能够维持大约七年的时间保持全天候二十四小时的持续使用。但是，在有利的操作条件下，其可以提供长达10年的正常使用寿命。

　　当电容器发生故障失败时，您数据中心的运营管理人员们可能看不到任何可见的影响，但其他电容器将不得不承担其工作负载，这会缩短其使用寿命。在很多情况下，电容器故障会触发硕天UPS电源切换到旁路模式，在此期间，其不能保护下游的工作负载。

　　为了最大限度地提高硕天UPS电源的性能和可靠性，请将电容器视为易腐商品，并计划在其额定使用寿命结束时或接近其寿命末期及时更换电容器。相关服务供应商的客户服务工程师们可以帮助企业数据中心的运营管理人员们诊断UPS中电容器的状况，并在必要时提供全面或部分更换电容器组，以保持UPS性能达到工厂规格。主动关注这种经常被忽视的UPS架构元素：不起眼的电容器，可以扩展用于保护关键电子系统的UPS系统的价值。

　　电容器是一款相当简单的电子设备，可以存储和释放电能。这些设备可以像顶针一样小，也可以像听装苏打水罐一样大——取决于其预计消化的电压量(即：它们的额定容量)。

　　电容器通常包裹在铝或镀铬的圆柱体中，包含一对导电表面(通常是金属板或电极)，它们被称为电介质的第三元件隔开并绝缘。

　　为什么这很重要?除了铝板的表面积之外，介电层的厚度决定了整个电容——也就是说，该电容器具体可以存储或管理多少电荷。超薄氧化层具有显着的绝缘特性，这使得制造非常小的电容器来处理非常高的工作负载成为了可能。

　　2、交流和直流电容器分别能够做些什么?

　　直流电容器在UPS应用中的主要用途是平滑电压波动——这个过程也被称为“电源电压滤波”。如果输入的电压发生变化，电容会减小电压变化，消除峰值并填充峰谷，进而帮助保持恒定的电压水平。

　　交流电容器与直流电容器具有很多相同的特性，因为它们具有可预期的有限服务期限，故而应该被视为易腐商品。交流电容器主要存在于UPS的输入和输出滤波器部分。它们消除了输入瞬态并减少UPS输入端的谐波失真，更重要的是：它们直接连接到关键工作负载的输出端，并有助于控制UPS输出电压的波形形状。

　　3、典型的硕天UPS电源设备中有多少电容器?

　　硕天UPS电源内部的电容器的具体库存数量会根据所要完成的工作(即设备的kVA额定值)的不同而变化很大。从这个角度来看，典型的个人电脑包含了大约50个电容器;而一款750千伏安三相的UPS设备则可能有数百个电容器。即使是最小的UPS设备，也需要使用数十个电容器。

　　当前市场上的电容器产品是由各种供应商根据行业的统一标准制造的。而有可能的情况是：无论您企业是在哪里采购的UPS设备，其都包含了来自同一家主要的国内或全球供应商的电容器产品。

　　5、在正常使用情况下，电容器是否会随时间的推移而降级?

　　的确，就像电池一样，在正常设计和制造时，湿的电容器在正常额定电压下工作时，其基本特性会随着时间的推移而发生非常缓慢的变化。但是，电容器内部的纸张、铝箔和电解液则发生的是正常的故障。随着这些材料逐渐老化，并开始其物理和化学的降解，它们会失去电容。最终，电容器将无法再执行其工作。而不利的操作条件，如过大的电流和热量可能会加速电容器的损耗。

对于数据中心来说，在电力系统的运行过程中，不可避免地会出现故障。尽管故障出现的几率很小，持续的时间也不长，但产生的后果却往往十分严重。电力系统发生故障时，运行状态将经历急剧变化。所以UPS系统的应用对于机房电力系统不间断运行来说尤为重要。对硕天UPS电源系统日常检测、维护也更是重中之重。

　　硕天UPS电源检测与维护

　　机房定期巡检和维护是降低事故发生的最有效方式，降低事故发生的重要环节是对于机房蓄电池，UPS电源，机柜PDU配电柜等温度检测的合适专业的测试工具，其中包括蓄电池测试仪，红外温度测试仪，内阻测试仪等，利用专业的机房测试仪可以提供专业的数据参考，从而及时更新蓄电池UPS配电柜和开关等，才能有效的降低事故的发生率。

　　硕天UPS电源蓄电池的重要性

　硕天UPS电源是许多机房的动力保证，保证了供电的连续性，保证了供电系统的安全性，硕天UPS电源时刻发挥着重要的安全保障作用，蓄电池是硕天UPS电源重要组成部分，蓄电池作为动力提供的最后保障，无疑是硕天UPS电源中的最后一道保险，其质量的好坏直接关系到UPS是否正常工作。根据调查统计，硕天UPS电源无法正常供电所引发的事故分析发现，其中有50%以上事故是由于蓄电池故障引发的，蓄电池是硕天UPS电源事故发生率居高不下的一个环节，由此可见提高蓄电池运行安全可靠的必要性和迫切性。

　　硕天UPS电源蓄电池安全隐患

　　1.蓄电池寿命无法达到设计要求，在实际应用中，蓄电池往往在使用1年后就开始出现劣化，使用超过3年的蓄电池劣化程度非常严重，几乎很少能够达到标称容量。这其中存在两个方面的问题，其一，蓄电池厂家对于蓄电池的使用寿命年限是在较为理想的状态下预测的;其二，在使用中对于蓄电池的管理以及维护，没有有效的进行，造成蓄电池在劣化早期，没有及时发现，致使劣化积累、加剧，容量累积亏损导致蓄电池过早报废。

　　2.对于蓄电池的充放电缺乏记录及监控，蓄电池运行情况不明。

　　3.由于没有良好的手段以及管理，蓄电池的使用者对于蓄电池运行情况缺乏足够的了解，特别是对于蓄电池历史数据的整理以及分析。而这些数据的整理与分析需要较强的专业知识。

　　4.对于蓄电池性能状况不明，特别是硕天UPS电源蓄电池是否具备瞬间大电流供电能力不了解。

　　5.对于蓄电池性能状况，如蓄电池的电压均衡性、当前容量，无法清楚实时了解。

　　6.缺乏温度补偿及环境温度的监测。

　　7.UPS蓄电池缺乏检测手段和维护仪表，重视程度不足。