作為新型的UPS技術，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。

本文介紹了無變壓器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，*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*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。

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