變壓器在UPS電源系統(tǒng)中的作用.doc

變壓器在UPS電源系統(tǒng)中的作用人們普遍認為，最初在UPS系統(tǒng)中安排內部變壓器是為了在UPS輸入與輸出之間提供電隔離。這是錯誤的。早期UPS系統(tǒng)中采用內部變壓器的真正原因在于UPS設計中所采用的功率逆變器技術使之成為必然的需要。最初的UPS產品在40多年前開發(fā)，采用一種以地為基準的蓄電池系統(tǒng)。接地的電路和蓄電池配置要求這些系統(tǒng)具備兩個變壓器，以便與主回路隔離：一個位于輸入整流器上，另一個位于輸出逆變器內。此后對這些設計的改進是將蓄電池母線移至零線導線或使之電氣上懸浮，去掉了其中一個變壓器（通常是去除整流器變壓器）。借助于近15年內出現(xiàn)的高壓、高速功率半導體技術，最新的UPS設計采用的是將輸入和輸出變壓器均撤銷的全新設計。在有些數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)設計中，UPS無需配用任何變壓器；但在很多情況下必須或建議將變壓器與UPS組合安裝。本文將介紹，對一套UPS系統(tǒng)有92種不同的變壓器可能組合可供使用，而可與并聯(lián)式或其它冗余配置配合使用的組合則更多。如果不能理解各種不同備選方案之間的重要差異，則無法研究變壓器在UPS系統(tǒng)中的使用。UPS系統(tǒng)的配置按照是否存在靜態(tài)旁路及其連接方式分為三個基本類別。這三個類別通常稱為單輸入、雙輸入和無旁路單輸入。它們在圖1中示意性示出。在單輸入配置中，由一條輸入連接對在UPS上連接在一起的旁路和UPS模塊同時供電。這是最常見的安排方式，也是許多小型UPS系統(tǒng)中支持的唯一的安排方式。此類安排見于大多數(shù)較小型的數(shù)據(jù)中心設施以及許多大型數(shù)據(jù)中心設施。此類系統(tǒng)的主要好處是安裝簡單、成本低，且許多與電流循環(huán)和接地相關的復雜因素均不存在。此類系統(tǒng)的缺點是，實際的輸入供電系統(tǒng)無法在不對關鍵負載斷電的條件下被隔離以進行維護，盡管部分不利因素可以通過輸入上的環(huán)繞式斷路器加以克服。當旁路由不同于對UPS整流器輸入供電的輸入的另一條輸入供電時，需要采用雙輸入配置。輸入的差異可小（例如，由同一面板上的不同斷路器供電）可大（例如，它們來自接地系統(tǒng)不同甚至電壓都不同的完全獨立的電源）。有多種數(shù)據(jù)中心冗余架構規(guī)定采用此類配置。采用雙輸入配置的另一個原因是可以在對關鍵負載供電的同時將兩輸入中的任何一條停用以進行維護。應注意，當使用發(fā)電機時此配置可以使用，但非必需，因為發(fā)電機通常通過一個自動轉換開關（ATS）連接至UPS的輸入母線上游處，以使其向UPS供電的同時，也向其它負載（如冷水機組）供電。雙輸入配置在某些數(shù)據(jù)中心架構中必須采用，并被作為許多較大型的數(shù)據(jù)中心的優(yōu)選方案，以實現(xiàn)并行維護并/或使系統(tǒng)整體可靠性稍稍提高，因為它可以防止UPS的上游連線和斷路器成為電源系統(tǒng)的單一故障點。最后一種配置無旁路單輸入主要用于輸入電源質量被認為極差的環(huán)境和被確定為不再適合由輸入通過旁路對關鍵負載供電的地方。這可能會在輸入頻率（50或60Hz）與IT負載頻率不同的工業(yè)應用、船舶或小島等場合中出現(xiàn)，或者在供電壓力很大的發(fā)展中國家電網中出現(xiàn)。在一些國家（例如美國），這是一種極其罕見的方式，而在其它國家（例如印度）則很常見，在某些地區(qū)甚至占到安裝設施的多數(shù)。注：對上述三種配置進行全面分析比較可能涉及在價格、復雜性、可靠性、可維護性以及電力質量等方面的折衷；此分析已超出本文的范圍。本文將重點介紹如何在每一種配置內使用變壓器。上文所介紹的三種配置可能在功率路徑上包含一個或多個變壓器。圖2示出了三種UPS配置中變壓器的可能位置。圖2中所示的基本配置（UPS模塊、變壓器和旁路的各種組合）在本文中被稱為UPS系統(tǒng)。類似地，UPS模塊指UPS系統(tǒng)的功率變換器和儲能組件，它們結合起來提供不間斷電源。UPS產品是指處于一個機箱內、包含至少一個UPS模塊的設備，此外還可能包含各種變壓器和旁路器件。由于市場上所銷售的UPS產品可能在產品所含內容（旁路和變壓器選件）方面有很大差異，本文將主要使用更具體的術語UPS系統(tǒng)和UPS模塊。UPS產品經常被描述為基于變壓器式或無變壓器式。此區(qū)別是指UPS產品機箱內存在或不存在逆變器變壓器。圖2中所示除逆變器變壓器之外的各種變壓器或者是可在UPS產品內部選裝的所有選件，或者是可以安裝在UPS機箱外部的所有選件。此問題對于下文討論非常重要，必須進一步澄清：無變壓器式UPS產品與基于變壓器式UPS產品的區(qū)別在于是否有逆變器變壓器?？赡茉赨PS系統(tǒng)中使用的其它所有變壓器均為選裝，并可與基于變壓器式和無變壓器式UPS產品配用。應注意，在任何設施中均存在為UPS系統(tǒng)及其它負載供電的上游變壓器。圖2中簡圖所示的輸入、旁路及整流器變壓器表示專門針對UPS系統(tǒng)使用的變壓器；它們不同于對市電電網中壓進行降壓的變壓器。在這三種UPS系統(tǒng)配置的每一種情況下，可能存在變壓器的任何組合，即從沒有到全部。對于單輸入配置，有8種可能的變壓器安排；對于雙輸入，有16種安排；對于無旁路單輸入，有8種安排，總共為32種可能的安排。此外，輸入變壓器和輸出變壓器可能位于UPS本地，也可能在遠程，此因素會影響接地系統(tǒng)。這又增加了額外的60種變化形式，故對一臺UPS總共可安裝92路變壓器。實際上全部92種變壓器安裝變化形式均已在實際設施中被使用。然而，并非所有變壓器安排均符合邏輯，其中有少數(shù)一些能夠實現(xiàn)性能、經濟性和效率的出色結合。為了理解何時需要使用變壓器或者為什么這3種UPS配置存在各種變壓器位置，我們必須首先考慮變壓器對零線和地線的影響。變壓器的特性變壓器有各種不同的類型，但在本文中，變壓器是指三角-星型配置，這是在幾乎所有UPS應用中采用的類型。三角-星型變壓器有許多特性，既有好的又有不好的，這會影響其在UPS系統(tǒng)中的使用：前四項是優(yōu)點，最后兩項是不利因素。因為后兩項不利因素很嚴重，故變壓器僅應在其好的特性對于數(shù)據(jù)中心的任務有意義時才應被使用。電壓變化這在輸入電壓不同于IT設備所用電壓的應用場合為必需。這在北美地區(qū)是一種常見的情況，那里較大型數(shù)據(jù)中心的輸入電壓為480或600V。在世界上大多數(shù)地區(qū)，400/230V的三相輸入電壓與IT負載設備使用的電壓相同，因此不需要此功能。阻抗在現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心中這一點通常是次要的，不太重要。多數(shù)設計不需要額外的阻抗，如果需要，則使用功率電感器（有時稱為電抗器）會更為有效，因為它比變壓器體積更小，重量更輕，且效率更高。阻塞諧波這在以往是一項有用的功能，用以防止UPS所產生的諧波電流影響上游電網，并防止IT負載諧波電流通過UPS旁路影響上游電網。然而，兩項重大變化已經改變了這種狀況：現(xiàn)代UPS和現(xiàn)代IT負載均經過功率校正，這意味著它們所生成的諧波電流已被大幅降低至無需加裝濾波的程度。因此，在現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心中使用變壓器來減小諧波電流不再是一項必備的功能。此主題在第26號白皮書諧波和零性線過載的危害進一步詳細討論。因此前三項有利特性的價值已經有限或過時，這就使得第四項特性將零線與源隔離成為遠遠超出其它方面的最重要的一項。將零線與源隔離這是變壓器最重要的特性，正是這一特性使變壓器在某些條件下有用、必要甚至是法律上的強制要求。本文后面部分將著力介紹變壓器的這一屬性，以及它如何影響UPS在數(shù)據(jù)中心內的使用。因為零線隔離是決定變壓器作用的關鍵，故我們必須理解這一功能。變壓器隔離變壓器通常由圖2所示的交叉雙環(huán)符號表示，在本文中也將使用此符號表示變壓器。然而，此符號是圖3中所示變壓器實際連線圖的簡化形式，對于本文后文部分的理解十分重要。初級（或稱輸入）位于左側，三個相被應用于變壓器繞組（綠色線），變壓器繞組被連接為三角形所示的三角型配置。次級（或稱輸出）以星型（Y形）配置連接，由三個相和一個中心點（或稱零線）連接組成1。輸入與輸出之間沒有電氣連接；電力通過磁場在輸入與輸出之間傳送。需要注意的重要一點是，輸入端沒有零線連接。即使供電側有零線，它也不會與三角-星型變壓器配合使用。變壓器在輸出端做出一條新的零線，即與輸入端的任何零線沒有電氣連接的新的零線。實際上，整個輸出回路處于一個相對于輸入或地的不確定電壓（稱為懸?。?。由于IT負載設備被接地，以不確定電壓提供懸浮電源是絕對不合適的，因為這樣可能導致絕緣故障或其它危害。因此，在幾乎所有數(shù)據(jù)中心應用中，變壓器輸出端上新的零線均被接地。當隔離變壓器有一條接地零線時，其輸出回路經常被稱為單獨引出源。輸出端零線接地的實現(xiàn)方式可以是直接將零線連接至最近的已接地金屬（已知被接地的設備機箱、接地棒、水管2或接地導線），也可以連接至一條已知被接地的現(xiàn)有零線導線，也可以通過一個接地電阻連接至地（此方式僅在大功率母線上使用，而不在對IT負載的最終配電上使用）。全部這三種技術均在數(shù)據(jù)中心中應用，在后續(xù)各節(jié)中將被提到?？紤]變壓器的上述隔離特性，我們現(xiàn)在可以介紹因隔離而產生的關鍵有利（有時為必需）的功能：將不同的主輸入的接地系統(tǒng)更改為數(shù)據(jù)中心IT設備所需要的系統(tǒng)在主輸入的零線存在嚴重的電力質量問題或在上游采用4極斷路器（按照某些國家的要求）時零線發(fā)生斷路的情況下創(chuàng)建新的零線連接將兩個電源進行組合，而不需要將其零線導線連接在一起防止出現(xiàn)可能導致剩余電流檢測器（RCD）或其它安全系統(tǒng)非必要激活的循環(huán)電流由于必須理解這些功能方可理解如何及為何使用變壓器以及在何處應用它們，將對每一項功能進行簡要解釋。第一項功能，將數(shù)據(jù)中心內的輸入接地系統(tǒng)更改為IT設備所需要的接地系統(tǒng)，這顯然是一項基本功能。數(shù)據(jù)中心內的IT設備總是由一個TN-S接地系統(tǒng)操作（接地術語的說明參見側欄接地系統(tǒng)類型）。在某些情況下，輸入配有TN-S系統(tǒng)，因此無需改變。一般而言，TT或IT接地系統(tǒng)需要先使用變壓器轉換為TN-S之后方可供IT設備使用。此接地轉換可在UPS之前或之后進行。在有些國家，如美國和英國，TN-C接地系統(tǒng)很常見，無需變壓器即可轉換為TN-S。第二項功能，在輸入零線存在嚴重的電力質量問題時創(chuàng)建新的零線，在以下情況下使用：所提供的主電源零線系統(tǒng)與其它負載共享，在與數(shù)據(jù)中心有一段距離處生成，或被視為不可靠且達到可能被斷開或與地斷開的程度。在發(fā)達國家及多數(shù)大型新建樓宇中，TN-S零線源位于客戶設施內，通常靠近數(shù)據(jù)中心。在此情況下零線的品質會被視為優(yōu)秀，第二項功能為冗余。但在其它情況下，零線對地接合點可能在室外，可能距離較遠，被共用，并作為一個降級或過載的配電系統(tǒng)的組成部分。在這些情況下，零線對地可能有顯著的偏置或噪聲電壓，或者存在更壞的情況，即可能丟失其接地連接或被中斷。此問題在熱帶氣候下更為嚴重，因為難以長時間保持金屬間的低阻抗接合。如果一個處于零線缺失狀況下的主電源被直接送至IT設備，則會因為電壓較高而產生大量設備故障。這些問題常見于發(fā)展中國家，也是數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)設計在新興市場部署時經常需要附加功率變壓器的原因。第三項功能，無需連接零線即可組合電源，是具備備用電源的應急電源系統(tǒng)（例如通常用于數(shù)據(jù)中心的系統(tǒng)）獨有的功能。數(shù)據(jù)中心可能由配有開關的多條進線與發(fā)電機的組合進行供電，以確保對關鍵負載的供電連續(xù)性。UPS內部的旁路路徑本身是一條獨立于UPS模塊的替代電力路徑，在UPS的輸出端進行實質性組合。任何時候只要兩個源通過一個開關安排進行組合，就可能出現(xiàn)存在兩個輸入零線連接和一個單一輸出零線連接的情況。這將導致在有兩條輸入零線時如何連接單一輸出零線的問題，如圖4所示。由于在為IT負載供電的零線之間的切換會造成瞬時的零線開路情況，而這可能有危害或破壞性，故對連至關鍵負載的零線永遠不應進行開關切換。這意味著如果兩個備用電源在UPS中組合，它們的零線導線必須永久性地相互連接在一起。然而，將輸入零線一起連接至輸出零線可能在輸入零線之間形成循環(huán)電流，如圖5所示。盡管當旁路和整流器采用同一來源時這些循環(huán)電流只是一個小問題，但如果兩條輸入零線來自不同的來源，則可能造成危害。法規(guī)通常不允許將兩個獨立引出的零線源連接在一起。加裝一臺變壓器與兩個電源之一串聯(lián)可以解決這一問題。任何時候只要一臺雙進線UPS由獨立引出零線的電源供電時，就需要變壓器。應注意，有些雙電源進線系統(tǒng)有兩個電源輸入，這兩個輸入由采用公共零線的電源進行供電的，這些情況下不需要變壓器。第四項功能，防止出現(xiàn)可能導致RCD或其它安全系統(tǒng)非必要激活的循環(huán)電流，也與電源被組合的情形有關，例如在雙輸入配置中。當獨立引出的零線被相互連接時，零線之間總是會出現(xiàn)循環(huán)電流，但如前段所指出的，法規(guī)不允許這樣做，因此不應出現(xiàn)問題。但即使UPS是由兩個引自同一零線的輸入供電時，循環(huán)電流也可能出現(xiàn)。因此，在整流器零線和旁路零線連接均配置在UPS上的任何系統(tǒng)中，電源回路上的任何RCD保護都將非必要地激活。整流器電源、UPS模塊輸出或旁路內需要有隔離變壓器，以防止RCD激活。首先，似乎如果整流器輸入零線連接能夠省略，循環(huán)電流問題就應被解決。實際上，所有按雙輸入設計的UPS系統(tǒng)均被設計為在沒有整流器零線連接條件下運行；UPS輸入整流器在輸入相線之間吸收電力，不需要零線連接即可運行。只要整流器電源已接地，就不需要配備整流器零線。由于不再有任何整流器零線連接，似乎循環(huán)電流不會再出現(xiàn)了。然而遺憾的是，盡管人們普遍認為整流器上沒有零線連接就可消除循環(huán)電流，但事實并非如此。圖6所示為整流器電源零線未被連接的雙進線UPS系統(tǒng)配置。紅色線表示仍然存在的循環(huán)電流，但它不流經整流器零線，而是流經UPS模塊。任何有輸出零線的UPS逆變器模塊都將向輸出零線母線上注入超出負載所需的任何零線電流的電流。這種過大的零線電流是逆變器運行的副作用，由電抗性負載、非線性負載以及負載電流的不平衡所導致。這種過大的零線電流不會被IT負載消耗，而是會通過旁路零線返回輸入電網。此電流在正常情況下可能比較小，但在各種負載不平衡或輸入電壓不平衡情況下可能變大。如果旁路輸入電源帶有RCD保護（在某些國家、某些情況下是強制要求），這些保護設備會將此零線電流檢測為超預期電流，并將其誤認為地線故障，故可能切斷系統(tǒng)。由此就產生了數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)設計的一個非常重要的原則：在具有RCD保護的雙進線系統(tǒng)中，必須總有變壓器位于輸入路徑之一上的某處。去除整流器零線連接并不足以防止循環(huán)電流出現(xiàn)。在此應明顯看出，雙進線配置在接地和變壓器使用方面有著遠遠超出其它配置的最復雜的問題。許多錯誤發(fā)生在應用變壓器以及對雙輸入系統(tǒng)的適當接地中，這些錯誤經常會導致間歇中斷和意外