新一代無(wú)變壓器不間斷電源(UPS)

新一代無(wú)變壓器不間斷電源(UPS)的誕生讓人們的腦海中出現一個(gè)問(wèn)題，那就是這兩種類(lèi)型的UPS各有何優(yōu)缺點(diǎn)。注意，本文對比的是無(wú)變壓器UPS與自身帶有內部變壓器的三相雙轉換單元(three-phase dual conversion units)。

在過(guò)去的五到七年里，無(wú)變壓器UPS一直統治者小型三相(3萬(wàn)伏安及以下)市場(chǎng)。相比于上一代有變壓器的UPS來(lái)說(shuō)，無(wú)變壓器的UPS體積更小、更輕，而且成本也更低。這種設計的額定功率很快地上升到10萬(wàn)伏安，隨之又達到30萬(wàn)伏安。若是用于多模塊系統，甚至可以達到100萬(wàn)伏安或更高。

IGBT與無(wú)變壓器UPS

這里，我們先回顧一下以前的歷史：以往的UPS是基于SCR逆變器(inverter)技術(shù)的，它不是開(kāi)就是關(guān)，需要有內部變壓器才能工作。因此，當時(shí)所有這種UPS實(shí)際上都是帶有變壓器的。后來(lái)，隨著(zhù)IGBT(絕緣柵雙極晶體管，insulated-gate bipolar transistor)技術(shù)的出現，這一狀況得到了改變。IGBT就是無(wú)變壓器UPS得以存在的核心技術(shù)。如今，基于IGBT的UPS逆變器利用高頻脈寬調制(pulse-width modulation)重新產(chǎn)生一個(gè)幾乎純正弦的波形，從而省去了笨重的輸出變壓器或龐大的鐵芯輸出過(guò)濾器。(現在，IGBT也同樣被應用于基于變壓器的 UPS。)

20世紀幾十年代，無(wú)變壓器的設計開(kāi)始出現在小型UPS上，2000年逐漸成為了主流設計。早期的UPS設計依賴(lài)于一個(gè)輸入變壓器，把低壓的輸入電流升高然后輸入到UPS。新的UPS設計利用了IGBT，還可以更有效地將交流電轉化為直流電輸入UPS。這有利于DC總線(xiàn)和逆變器保持一個(gè)穩定的輸出電壓。

無(wú)變壓器UPS與有變壓器UPS誰(shuí)的效率更高？

在數據中心領(lǐng)域，傳說(shuō)只有兩件事是最重要的：可靠性/可用性和眾所周知的“5個(gè)9”(即99.999%)。有些廠(chǎng)商和用戶(hù)以為，基于變壓器的UPS更耐用，因此可靠性更高。

如今，人們的能源意識越來(lái)越強，都希望擁有更省電的UPS。而變壓器，天生就是個(gè)浪費電的料。因此，從變壓器的角度來(lái)看，無(wú)變壓器的系統肯定要更省電。陳舊的變壓器會(huì )浪費2%到3%的電量，有時(shí)甚至更多。最近，由于TP-1-rated變壓器的出現，這個(gè)浪費比例能降低到約1.5%到2%。但是，在24/7工作制、包含很多關(guān)鍵任務(wù)的數據中心，能量效率并是一個(gè)首要考慮的問(wèn)題——相比可靠性和可用性而言。

當然，如果不從實(shí)際出發(fā)，考慮實(shí)際可用的產(chǎn)品和市場(chǎng)，光從理論上分析二者的技術(shù)區別是毫無(wú)意義的。除了兩大陣營(yíng)之間的技術(shù)爭論之外，有時(shí)還涉及到個(gè)人喜好問(wèn)題。很多時(shí)候，選誰(shuí)不選誰(shuí)都是由某位特定的工程師或最終購買(mǎi)決策人來(lái)定的。

那么，你是一個(gè)變壓器“支持者”還是一個(gè)變壓器“反對者”呢？這是否僅僅是一個(gè)觀(guān)點(diǎn)的分歧而已呢？這兩種UPS到底有沒(méi)有巨大的差異呢？各有何優(yōu)勢？

廠(chǎng)商提供了哪些UPS產(chǎn)品？

Emerson-Liebert是一個(gè)特別喜歡有變壓器UPS的廠(chǎng)商，因為它的標志性產(chǎn)品線(xiàn)是75萬(wàn)伏安的大型UPS。不過(guò)，它也有一整條低功率無(wú)變壓器系統產(chǎn)品線(xiàn)。

“分水嶺貌似就在20到30萬(wàn)伏安之間，”Emerson-Liebert的技術(shù)公關(guān)經(jīng)理Alan French說(shuō)：“在這之下的，我們銷(xiāo)售的大部分新系統都是無(wú)變壓器的，而在這區間之上的則都是有變壓器的系統。我們相信，我們的大型企業(yè)客戶(hù)一般需要的是有變壓器UPS提供的更高可用性?！?BR>

像施奈德的APC和MGE等品牌也有兩種系統。APC既有模塊化產(chǎn)品也有無(wú)變壓器產(chǎn)品，而MGE則在大型系統方面有基于變壓器的系統，在低端(15萬(wàn)伏安及以下)有無(wú)變壓器UPS。

“APC既生產(chǎn)有變壓器的UPS，也生產(chǎn)無(wú)變壓器的UPS。不過(guò)，我們正在向無(wú)變壓器方向轉移?！盇PC的一位主管John Collins說(shuō)：“請注意，有沒(méi)有變壓器并不能說(shuō)明UPS的可靠性或性能的高低，二者沒(méi)有必然聯(lián)系。我們建議用戶(hù)不要擔心UPS的拓撲結構，而要清楚自己的性能要求，應用和財務(wù)目標，總體擁有成本或最低初始成本?！?BR>

無(wú)變壓器UPS的崛起

除了用電效率，兩種類(lèi)型的系統在體型大小、重量和成本上都存在著(zhù)很大的差異。致使這種新型UPS誕生的因素之一就是數據中心的供電需求急劇增加。以往一個(gè)機架只需要1到2千瓦，所以UPS在數據中心占用的空間非常小。但是，隨著(zhù)機架的供電需求跳到10千瓦、20千瓦甚至更高后，UPS在數據中心的空間占用率也發(fā)生了巨大的變化。

多年以前，一個(gè)3到5萬(wàn)伏安的UPS對一個(gè)普通的小型數據中心來(lái)書(shū)就已經(jīng)足夠了。但是現在，一個(gè)裝有四臺刀片服務(wù)器的機架就要兩三萬(wàn)伏安。所以，現在的小數據中心里的“小”UPS都是10到25萬(wàn)伏安的了。為了滿(mǎn)足客戶(hù)不斷提高的需求，制造商便開(kāi)始采用無(wú)變壓器的UPS系統設計了。

而且，減去變壓器之后，UPS的成本也大大降低了——成本永遠都是市場(chǎng)的推動(dòng)器。由于無(wú)變壓器UPS體積更小、效率更高、成本更低，所以更受數據中心親睞。而且采用N+1或2N冗余后，可靠性和可用性也大大提高了。

有變壓器系統的優(yōu)勢

那么，有變壓器的UPS是不是已經(jīng)過(guò)時(shí)了呢？其實(shí)不然。變壓器的一個(gè)主要功能就是改變電壓。在通常的供電鏈中，有時(shí)變壓器是安裝在UPS外部的，將電壓從13kV(可能更高)降低到480伏然后輸入到UPS中。

有些情況下，必須要有輸入輸出變壓器，比如需要防止漏電的醫用設備。

那么，數據中心UPS中的變壓器有什么好處呢？首先，它能提高系統對相位不平衡的容忍度，這在大多數IT負載中很常見(jiàn)。尤其是208/208 V無(wú)變壓器UPS系統，逆變器輸出直接進(jìn)入配電系統。在這種情況下，(UPS內部的或獨立PDU盒內的)變壓器可以一定程度上減少相位不平衡，從而防止 UPS由于不平衡導致的過(guò)載。

有一點(diǎn)很重要，值得注意。在一個(gè)普通的208伏無(wú)變壓器UPS系統中，通常會(huì )有三個(gè)逆變器連接著(zhù)一根普通的中線(xiàn)，他們分別有負載(L1，L2，L3 +中線(xiàn)+地線(xiàn))。在一般的中小型系統中，不平衡負載的情況可能是這樣：L1=68%，L2=90%，L3=52%

總體上，UPS的負載只達到約70%。然而，由于L2線(xiàn)路是90%，只差10%就達到最大限度了。如果L2在承受更多的負載，那么UPS就會(huì )報告負載過(guò)重。不過(guò)，有了變壓器就不會(huì )有這種不平衡的事了，三相都會(huì )非常接近70%。顯然，這是一個(gè)比較極端的例子，管理良好的配電系統是不會(huì )有這么嚴重的不平衡的。不過(guò)，在安裝設備時(shí)，IT人員通常會(huì )看到線(xiàn)就用，很少會(huì )管這條支路的負載情況如何。

有些情況下，基于逆變器變壓器的系統能更好地隔離中線(xiàn)與質(zhì)量較差的電源。不過(guò)，這并不能保護到UPS輸入。在公用電源質(zhì)量比較極端的情況下，輸入變壓器可以減少電壓不穩對UPS的沖擊。然而，如果公用電源質(zhì)量那么差的話(huà)，我們就會(huì )使用專(zhuān)門(mén)的電源調節器(通常帶有感應器)。所以，逆變器變壓器在邏輯上沒(méi)什么實(shí)際意義。

市場(chǎng)決定一切

主輸入電壓也會(huì )影響UPS類(lèi)型的選擇。在10萬(wàn)伏安及以下的范圍內，208伏輸入系統非常普遍。那么，影響決策的因素就是可用的公用電源和安裝大小了。在10萬(wàn)伏安及以下的市場(chǎng)，無(wú)變壓器UPS牢牢地占據了絕大部分市場(chǎng)份額;在10到25萬(wàn)伏安的市場(chǎng)，無(wú)變壓器UPS大概占50%。

最后，廠(chǎng)商總會(huì )轉向客戶(hù)所需要的產(chǎn)品。只要客戶(hù)或他們的工程師要使用有變壓器UPS，廠(chǎng)商就會(huì )生產(chǎn)。隨著(zhù)時(shí)間的推移，無(wú)變壓器UPS最終總會(huì )提高自己的可靠性，市場(chǎng)會(huì )決定誰(shuí)是中端市場(chǎng)的王者。

有時(shí)，有變壓器UPS和無(wú)變壓器UPS之間的爭論就像一個(gè)政治或信仰問(wèn)題。不過(guò)，無(wú)變壓器UPS最終總會(huì )占據越來(lái)越大的市場(chǎng)，除非它被證明是一個(gè)失敗的產(chǎn)品.