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專為關鍵電力應用設計:600V大型模組化不斷電系統
 

【作者: 伊頓】   2019年11月25日 星期一

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相較於採用隔離變壓器的系統,現今的無變壓器不斷電系統(UPS systems)體積更小、重量更輕,同時效率更高也更可靠,並且在各項應用中也具有更優異的能耗表現。然而,若是探討600V不斷電系統的設計,則不論是從整體安全、故障處理到系統效率等仍有許多面向依舊充滿挑戰。不過,由於600V不斷電系統所需的既定電力負載其電流量較小,因此600V仍舊受到各國青睞,加拿大與美國一般就是指定採用600V的不斷電系統。



圖一 : 探討600V不斷電系統的設計,不論是從整體安全、故障處理到系統效率等有許多面向依舊充滿挑戰。
圖一 : 探討600V不斷電系統的設計,不論是從整體安全、故障處理到系統效率等有許多面向依舊充滿挑戰。

本文中,我們優先將環境設定為600V的工作電壓,在此條件下探討該環境中可提供最佳技術UPS產品的各種方法。目標是為了在提供更高的配電容量和更低的銅成本(相較於480V)下,依然能具備例如ESS節能技術和可變電力模組節能系統(VMMS)等複雜的功能,如此才得以藉由降低機械複雜性而提高可靠性,同時降低電力成本。


因此,舊有的隔離變壓器UPS技術與現代的無變壓器設計之間也可以有所妥協,並帶來實惠價值以保有高可靠性和極高效率的運作。使用者也能享受到小巧輕量的好處,並大幅節省電源與冷卻成本,資金也就能運用於其他創造營收的資料中心項目上。


本文討論「原生600V」無變壓器和自耦變壓器UPS系統的技術面向,並詳細說明它們可提供的優勢。


600V UPS的設計選擇

傳統上,不斷電系統的輸入和輸出電壓是透過變壓器所設定。不斷電系統的輸入變壓器會調高或降低市電電壓,為不斷電系統的整流器電子設備提供最佳電壓。 不斷電系統的輸出變壓器,則會調高或降低原逆變器的輸出電壓,通常是208V,400V,480V或600V,進而滿足用戶的需求。


事實上,這些電壓轉換可以透過隔離(“ iso”)變壓器或自耦變壓器來執行。然而,無變壓器不斷電系統既沒有輸入變壓器也沒有輸出變壓器,這些現代不斷電系統的設計,不需要轉換不斷電系統的輸入和輸出電壓即可運轉。只是它們的額定電壓僅限於208V,400V或480V,無法符合許多對於600V的應用需求。因此,不論設計人員選擇的不斷電系統是原生600V(無變壓器)或基於變壓器,兩者我們都會考量。


原生 600V 不斷電系統的設計考量

原生600V 不斷電系統其最直接的優勢就是沒有傳統的輸入和輸出變壓器,進而節省了物理空間、重量和熱能損失,即為效率。然而,與現有的400V和480V機器相比,原生600V的設計還需要幾項新增的或微調的子系統。


所有的電力轉換器和其他相關電路,都需要大幅度地重新設計:


‧ 需要1800V IGBT晶體管。(與現有的1200V裝置相比,可靠性和開關速度可能會受到影響)


‧ 感測裝置和內部突波保護器都需調整為更高電壓


‧ 濾波電容器需調整為較高電壓額定,從而影響MTBF(平均故障間隔 - Mean Time Between Failures)失效前的平均時間


‧ 調整動力傳動可能會增加耗能,降低系統效率


基於上述原因、特別可能會因降低效率,使得原生600V不斷電系統較不受青睞;相較之下,使用既有的480V 不斷電系統產品,再調整輸入和輸出變壓器以提供所需的600V輸入和輸出,會比較吸引人。話雖如此,無變壓器設計的其他好處還是引人注目且令人信服。


以變壓器為基準的600V不斷電系統設計

以變壓器為基準的不斷電系統產品有兩種選擇。不斷電系統可以使用傳統的隔離變壓器,也可使用更小更輕的自耦變壓器。使用隔離變壓器的不斷電系統時,對於既有480V 不斷電系統的更動調整最小且可立即生產,不過在效能和效率方面,與無變壓器的機器相比,還是有明顯不足。


因此,較為可行的方式是採用480V的無變壓器不斷電系統,再加上輸入和輸出自耦變壓器以達到所需電壓,而不需承受更大、更重、效率更低的隔離變壓器。自耦變壓器不斷電系統具備無變壓器和以變壓器為基準兩項解決方案的優點。


這些優點和優勢將在後續各段落中介紹。首先,會比較隔離變壓器和無變壓器,之後再評比隔離和以變壓器為基準的自耦變壓器產品。


無變壓器不斷電系統的發展概述

無變壓器不斷電系統的設計迄今已存在二十年,最早採用較低的功率水準。如今,大多數低於300 kVA的設計都採用無變壓器,這也表示不斷電系統不包含電源線頻率電磁裝置(變壓器或電感器)。由於電源線的磁性組件為材料和勞力密集,這類無變壓器設計趨勢內涵更高功率水準;另一方面,所需的高頻功率處理則是技術密集。


一般而言,科技的進步已經足夠成熟,能在不犧牲可靠性的情況下幫客戶提供更高的價值。一旦達到這一點,技術密集型設計便可成為首選的價值領導者。技術的進步,也對於開關模式的電源供應(例如伺服器,儲存和網絡設備中使用的開關電源)帶來類似影響。


無變壓器的不斷電系統:持續成長的趨勢

當超過30 kVA、甚至高達1200 kVA的更高功率水準時,如何在高電壓下快速切換大電流而不會造成高損耗或峰值電壓過高,這才是最大的挑戰。高功率IGBT(絕緣柵雙極電晶體 - Insulated Gate Bipolar Transistor)在過去十年已成熟到可使用10 kHz或更高的轉換頻率,且在較高功率水準下也不會犧牲效率。


此外,一些有創意的控制策略還可以進一步降低開關損耗,讓無變壓器不斷電系統在系統效率方面可優於舊款的不斷電系統。


隔離變壓器與無變壓器不斷電系統的比較























































特色



隔離變壓器不斷電系統



無變壓器不斷電系統



重量與大小



?



通常重量減輕25%,體積減少40%



效率



90%至93%



92%至97%



節能模式



效率較低,轉換速度較慢



效率達99%,轉換時間約 2 毫秒



4線輸出可用性



可以



可以



獨立分開電源



不支援旁路配置



不支援電池



支援 HRG 電源



可以,但降低 HRG 優勢



可以,HRG 容錯功能保留



可靠性 (MTBF)



較低



較高,因為擁有較少元件



限制錯誤電流,降低電弧閃光



良好



更好,因為偵測更快且獨立(不因為輸出阻抗而變慢)



發電相容性



需要更大的濾波器、接觸器以及發電機



能與大小相近的發電機相容,並減少原件數且提高效率同時,不需要12脈衝整流器或輸入濾波器



了解自耦變壓器在無變壓器不斷電系統中的應用

世界各地許多無變壓器不斷電系統都是設計用於特定工作電壓。為了滿足市場對不同工作電壓的需求,不斷電系統模組的製造商會在原生480V不斷電系統模組上,使用輸入和輸出變壓器,以達到整個系統所需的工作電壓。例如,新的工作電壓如果是600V,由於使用的是經過驗證的設計,且體積增加而降低了零件成本,當自耦變壓器結合到原生480V 不斷電系統設計中,則可提高整體系統的可靠性。使用自耦變壓器有助於降低成本和空間面積,同時實現變壓器等不斷電系統模組的最大效率,且不會影響整體系統的電壓需求與設計。


自耦變壓器(有時稱為自動降壓變壓器)是一種只具有一個繞組的變壓器。「自動(auto)」的前置代號是指作用於自身的單個線圈,而不是任何類型的自動機制。在自耦變壓器中,同一繞組的部分會同時作為變壓器的初級側和次級側。 (相反,隔離變壓器具有未連接的單獨的初級繞組和次級繞組)。自耦變壓器繞組具有至少三個分接頭,用於進行電力連接。


由於部分繞組確實具有「雙重用途」,自耦變壓器通常具備比一般雙繞組變壓器更小、更輕也更便宜的優點。對於既定的尺寸和質量,自耦變壓器的其他優點則包括更低漏電抗,更低損耗,更低勵磁電流,更好的輸入功率因數以及KVA額定值的增加。使用自耦變壓器的不利因素,則包括無法消除三階和更高階諧波,但如果是設計完善的整流器也能用電子方式消除這些諧波。


圖二 : 自耦變壓器原理圖
圖二 : 自耦變壓器原理圖

具備自耦變壓器的高電阻接地

作為其中一個選項,伊頓無變壓器不斷電系統模組的設計,具備在電源為高電阻接地(HRG)時仍有承受負載的能力,且要加裝自耦變壓器也毫無困難。客戶無需按照美國NEC250.186法規將中性線連接到不斷電系統。如果站點使用雙電源,且每個電源都是一個單獨的HRG,則不斷電系統將正常運行;若是如此,仍應通知工廠,進行適當拉線。


比較不斷電系統中的自耦變壓器及隔離變壓器

一般情況下,自耦變壓器僅會帶來輕微的效率損失,估計約1%。較大的隔離變壓器設計通常則會造成2%或更高的效率損失。與隔離變壓器相比,自耦變壓器降低了成本、減小了佔地面積、增加了KVA、降低了總損耗、減少了對整個無變壓器不斷電系統的影響並提高了額定效率,自耦變壓器確實是更適合不斷電系統模組系統電壓轉換的變壓器。


自耦變壓器相對於傳統隔離變壓器的優勢:


1.體積更小,重量更輕(30%)。


2.降低鐵心和熱量損失(每台變壓器1%)。


3.改善發電機介面的輸入功率因數(.99對0.9)。


4.較低的輸出阻抗,可提供更好的暫態回應和更快的故障檢測與回應。


5.無磁化延遲,允許快速轉換,這也是伊頓ESS和VMMS等操作模式的特有特色。


自耦變壓器不斷電系統也不盡相同

和以隔離為基準的變壓器的系統相比,自耦變壓器不斷電系統具有許多優勢,但兩者又不完全相同。決策者在為任務關鍵型的應用選擇自耦變壓器不斷電系統時,建議應堅持以下特性:


1.體積小,重量輕:自耦變壓器不斷電系統會比以隔離為基準的變壓器產品明顯更小,更輕,且不僅僅是因為未包含笨重的變壓器。 不斷電系統還應具有小巧的磁性材料(例如電感器,扼流圈和鐵氧體)以及氣流改善功能,讓散熱器的尺寸和重量最小化,並減少冷卻所需的風扇數量。請注意,除了節省空間外,這些增強功能也可以提高機組的可靠性。


2.能夠從接地的WYE甚至是HRG源操作:如何正確處理中性線,安裝文件應已清楚說明。應特別注意上游和下游的故障性能,不斷電系統應該能夠提供4線負載,例如208 / 120V和400 / 230V。


3.從高效率到常規操作模式的過渡時間短:由於自耦變壓器UPS在高效和常規運行之間轉換時無需磁化輸出隔離變壓器,因此自耦變壓器UPS應該能在2毫秒左右內完成轉換。超過10毫秒的轉換時間可能會導致下游靜態交換機或支援的IT設備本身出現問題。


結論

無變壓器動力傳動若具備小型輕巧的濾波電感器,採用高性能IGBT(絕緣柵雙極電晶體 - Insulated Gate Bipolar Transistor)的逆變器和整流器,並輔以先進的控制策略,就能帶來更高的性能和價值。和以隔離為基準的變壓器UPS相比,無變壓器的不斷電系統重量通常僅有25%,佔原有空間的60%。滿載效率可以達到95%或更高。憑藉這些新的優點,這類技術密集型設計已成為首選的不斷電系統架構。具備上述特性的無變壓器不斷電系統,是採用自耦變壓器為600V電源提供電壓轉換,能讓客戶在滿足目前業界領先的效率要求並在減少佔地面積時僅增加最小成本。


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