新一代無變壓器不間斷電源（UPS）

新一代無變壓器不間斷電源(UPS)的誕生讓人們的腦海中出現(xiàn)一個(gè)問題，那就是這兩種類型的UPS各有何優(yōu)缺點(diǎn)。注意，本文對比的是無變壓器UPS與自身帶有內(nèi)部變壓器的三相雙轉(zhuǎn)換單元(three-phase dual conversion units)。
在過去的五到七年里，無變壓器UPS一直統(tǒng)治者小型三相(3萬伏安及以下)市場。相比于上一代有變壓器的UPS來說，無變壓器的UPS體積更小、更輕，而且成本也更低。這種設(shè)計(jì)的額定功率很快地上升到10萬伏安，隨之又達(dá)到30萬伏安。若是用于多模塊系統(tǒng)，甚至可以達(dá)到100萬伏安或更高。
IGBT與無變壓器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，它不是開就是關(guān)，需要有內(nèi)部變壓器才能工作。因此，當(dāng)時(shí)所有這種UPS實(shí)際上都是帶有變壓器的。后來，隨著IGBT(絕緣柵雙極晶體管，insulated-gate bipolar transistor)技術(shù)的出現(xiàn)，這一狀況得到了改變。IGBT就是無變壓器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(diào)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濾器。(現(xiàn)在，IGBT也同樣被應(yīng)用于基于變壓器的 UPS。)
20世紀(jì)幾十年代，無變壓器的設(shè)計(jì)開始出現(xiàn)在小型UPS上，2000年逐漸成為了主流設(shè)計(jì)。早期的UPS設(shè)計(jì)依賴于一個(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(shè)計(jì)利用了IGBT，還可以更有效地將交流電轉(zhuǎn)化為直流電輸入U(xiǎn)PS。這有利于DC總線和逆變器保持一個(gè)穩(wěn)定的輸出電壓。
無變壓器UPS與有變壓器UPS誰的效率更高？
在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域，傳說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%)。有些廠商和用戶以為，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越強(qiáng)，都希望擁有更省電的UPS。而變壓器，天生就是個(gè)浪費(fèi)電的料。因此，從變壓器的角度來看，無變壓器的系統(tǒng)肯定要更省電。陳舊的變壓器會(huì)浪費(fèi)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(xiàn)，這個(gè)浪費(fèi)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(shù)據(jù)中心，能量效率并是一個(gè)首要考慮的問題——相比可靠性和可用性而言。
當(dāng)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，光從理論上分析二者的技術(shù)區(qū)別是毫無意義的。除了兩大陣營之間的技術(shù)爭論之外，有時(shí)還涉及到個(gè)人喜好問題。很多時(shí)候，選誰不選誰都是由某位特定的工程師或最終購買決策人來定的。
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)觀點(diǎn)的分歧而已呢？這兩種UPS到底有沒有巨大的差異呢？各有何優(yōu)勢？
廠商提供了哪些UPS產(chǎn)品？
Emerson-Liebert是一個(gè)特別喜歡有變壓器UPS的廠商，因?yàn)樗臉?biāo)志性產(chǎn)品線是75萬伏安的大型UPS。不過，它也有一整條低功率無變壓器系統(tǒng)產(chǎn)品線。
“分水嶺貌似就在20到30萬伏安之間，”Emerson-Liebert的技術(shù)公關(guān)經(jīng)理Alan French說：“在這之下的，我們銷售的大部分新系統(tǒng)都是無變壓器的，而在這區(qū)間之上的則都是有變壓器的系統(tǒng)。我們相信，我們的大型企業(yè)客戶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(tǒng)。APC既有模塊化產(chǎn)品也有無變壓器產(chǎn)品，而MGE則在大型系統(tǒng)方面有基于變壓器的系統(tǒng)，在低端(15萬伏安及以下)有無變壓器UPS。
“APC既生產(chǎn)有變壓器的UPS，也生產(chǎn)無變壓器的UPS。不過，我們正在向無變壓器方向轉(zhuǎn)移?！盇PC的一位主管John Collins說：“請注意，有沒有變壓器并不能說明UPS的可靠性或性能的高低，二者沒有必然聯(lián)系。我們建議用戶不要擔(dān)心UPS的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而要清楚自己的性能要求，應(yīng)用和財(cái)務(wù)目標(biāo)，總體擁有成本或最低初始成本?！?br /> 無變壓器UPS的崛起
除了用電效率，兩種類型的系統(tǒng)在體型大小、重量和成本上都存在著很大的差異。致使這種新型UPS誕生的因素之一就是數(shù)據(jù)中心的供電需求急劇增加。以往一個(gè)機(jī)架只需要1到2千瓦，所以UPS在數(shù)據(jù)中心占用的空間非常小。但是，隨著機(jī)架的供電需求跳到10千瓦、20千瓦甚至更高后，UPS在數(shù)據(jù)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5萬伏安的UPS對一個(gè)普通的小型數(shù)據(jù)中心來書就已經(jīng)足夠了。但是現(xiàn)在，一個(gè)裝有四臺(tái)刀片服務(wù)器的機(jī)架就要兩三萬伏安。所以，現(xiàn)在的小數(shù)據(jù)中心里的“小”UPS都是10到25萬伏安的了。為了滿足客戶不斷提高的需求，制造商便開始采用無變壓器的UPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)了。
而且，減去變壓器之后，UPS的成本也大大降低了——成本永遠(yuǎn)都是市場的推動(dòng)器。由于無變壓器UPS體積更小、效率更高、成本更低，所以更受數(shù)據(jù)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(tǒng)的優(yōu)勢
那么，有變壓器的UPS是不是已經(jīng)過時(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(yī)用設(shè)備。
那么，數(shù)據(jù)中心UPS中的變壓器有什么好處呢？首先，它能提高系統(tǒng)對相位不平衡的容忍度，這在大多數(shù)IT負(fù)載中很常見。尤其是208/208 V無變壓器UPS系統(tǒng)，逆變器輸出直接進(jìn)入配電系統(tǒng)。在這種情況下，(UPS內(nèi)部的或獨(dú)立PDU盒內(nèi)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(dǎo)致的過載。
有一點(diǎn)很重要，值得注意。在一個(gè)普通的208伏無變壓器UPS系統(tǒng)中，通常會(huì)有三個(gè)逆變器連接著一根普通的中線，他們分別有負(fù)載(L1，L2，L3 +中線+地線)。在一般的中小型系統(tǒng)中，不平衡負(fù)載的情況可能是這樣：L1=68%，L2=90%，L3=52%
總體上，UPS的負(fù)載只達(dá)到約70%。然而，由于L2線路是90%，只差10%就達(dá)到最大限度了。如果L2在承受更多的負(fù)載，那么UPS就會(huì)報(bào)告負(fù)載過重。不過，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(tǒng)是不會(huì)有這么嚴(yán)重的不平衡的。不過，在安裝設(shè)備時(shí)，IT人員通常會(huì)看到線就用，很少會(huì)管這條支路的負(fù)載情況如何。
有些情況下，基于逆變器變壓器的系統(tǒng)能更好地隔離中線與質(zhì)量較差的電源。不過，這并不能保護(hù)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(wěn)對UPS的沖擊。然而，如果公用電源質(zhì)量那么差的話，我們就會(huì)使用專門的電源調(diào)節(jié)器(通常帶有感應(yīng)器)。所以，逆變器變壓器在邏輯上沒什么實(shí)際意義。
市場決定一切
主輸入電壓也會(huì)影響UPS類型的選擇。在10萬伏安及以下的范圍內(nèi)，208伏輸入系統(tǒng)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10萬伏安及以下的市場，無變壓器UPS牢牢地占據(jù)了絕大部分市場份額;在10到25萬伏安的市場，無變壓器UPS大概占50%。
最后，廠商總會(huì)轉(zhuǎn)向客戶所需要的產(chǎn)品。只要客戶或他們的工程師要使用有變壓器UPS，廠商就會(huì)生產(chǎn)。隨著時(shí)間的推移，無變壓器UPS最終總會(huì)提高自己的可靠性，市場會(huì)決定誰是中端市場的王者。
有時(shí)，有變壓器UPS和無變壓器UPS之間的爭論就像一個(gè)政治或信仰問題。不過，無變壓器UPS最終總會(huì)占據(jù)越來越大的市場，除非它被證明是一個(gè)失敗的產(chǎn)品。