在数据中心机房中为何优先选用工频机型UPS

　　多年的运行实践表明：“高频机”型UPS的故障率总是高于“工频机”型UPS的故障率。为此，我们有必要探讨其真正的原因何在?

　　对于工频机型UPS而言，它采用的是可控硅整流器和IGBT逆变器+内置隔离变压器的设计方案，它通过可控硅型的整流滤波器将输入的380Vac交流电源变换成432Vdc的直流高压，并在此基础上，再经由IGBT逆变器+输出隔离变压器所组成的调控电路，向外输出220Vac逆变器电源，如图1所示。在这里，输入电源的N线是与UPS中的整流器和逆变器的控制电路处于完全的“电隔离”状态。这就意味着：在这种工频机型UPS的运行中，产生于UPS内部的任何脉宽调制型的干扰均不会串入到UPS供电系统的N线上。与此同时，可能来自于供电系统的N线上任何干扰也不会影响UPS的正常运行。

　　图1中显示的是“工频机”型UPS和“高频机”型UPS的控制框图。

　　要特别说明的是UPS近几十年的运行经验表明，不仅可控硅整流器本身的可靠性很高，而且带内置隔离变压器的工频型UPS，还显示出它具有抗高频干扰能力强、抗过载能力强、能有效降低零地电压、高可靠性的明显优势。对于它的输入电谐波含量的THDI值偏大的弱点，我们可以通过采用如图2a所示的12脉冲整流图1高频机与工频机“领地电压”的对比技术的方法予以克服，从而使UPS输入电流的谐波含量THDI<4%。

　　对于高频机型UPS而言，它采用的是升压型(boost)的脉宽调制IGBT整流器和IGBT逆变器设计方案。在这里，通过IGBT整流器将输入380Vac电源变换成±400Vdc的直流高压(直流电压的绝对值=800Vdc)，并在此基础上，经IGBT逆变器向外输出220Vac的逆变器电源。采用IGBT整流器设计方案所带来主要好处有：

　　(1)改善了UPS的输入谐波特性：使得UPS的输入功率因数PF>0.99，输入电流的谐波含量的THDI<3%;

　　(2)有利于降低成本：由于它可以直接利用从“倍压型”IGBT整流器所输出的±400Vdc直流高压电源来确保它的IGBT逆变器，能向外输出幅值为220Vac的交流电源，因此，可“省掉”逆变器的输出隔离变压器。然而，对于这种高频机型的UPS而言，它在获得上述好处的同时，却是以牺牲它的可靠性为代价的。这是因为，为了使得从这种UPS所输出的正弦波形的交流电源的正半波和负半波的幅值相等，就必须要将它输入电源的N线，同位于UPS整流器中±400Vdc的直流高压的“参考零电位”点相连，这样一来，就会带来如下种种“潜在”的故障隐患：

　　1、IGBT整流器的可靠性偏低：

　　(1)同工频机型UPS中SCR整流元件的过载能力(其典型值为：10In、20ms)相比，高频机型UPS中IGBT整流元件的过载能力(其典型值为：10In、20us)小1000倍左右;

　　(2)由于至今仍未能为高频机中IGBT整流器所用的高频“升压电感”找到具有大磁通量的磁性材料，导致该电感的温升偏高(典型值：100℃—130℃)。在实际工作中，我们会发现：高频机型UPS的输出功率越高，其故障率也越高的现象。这是因为UPS的标称输出功率越大，其“升压电感”温升越高的缘故。正因为如此，导致UPS产业迟迟未能制造出可靠性足够高的大功率高频机型UPS。

　　2、存在严重的”零偏故障”隐患：

　　对于高频机型的UPS而言，它会产生一种在其它UPS机型中不会出现的特殊的所谓“零偏故障”隐患。其故障现象表现为：在UPS的输入电源的上游侧，一旦遇到：因故需要通过大功率的ATS开关来执行优先电源与备用电源之间的切换操作时，易于导致在UPS供电系统的输出端上，出现输出“闪断”故障(>8ms以上的“供电中断”)，从而导致在数据中心机房中出现长达几十分钟到几小时的”瘫痪”事故。

　　如前所述，为了使这种UPS所输出的正弦波形的交流电源的正半波和负半波的幅值相等，必须要将它输入电源的N线同位于UPS整流器中的±400Vdc直流高压的“参考零电位”点相连。这样一来，在UPS的运行中，一旦遇到输入电源N线上出现瞬态的、单极性的直流偏置电压时，就会导致输送到逆变器输入端上，原本是正极性和负极性幅值相等的对称的直流电源“瞬间”变成正极性和负极性幅值不相等的不对称的直流电源。此时，如果在它的直流母线上所产生的这种“直流偏置量”过大的话，对逆变器来讲意味着它就会进入“瞬间DC过压”和“瞬间DC欠压”的故障工作状态。在此条件下，极易导致UPS产生输出“闪断”故障，并能导致在N线上产生这种“瞬态直流偏置”故障的原因之一：当因故对大功率的变压器执行“合闸”操作时，就会产生幅值高达5—6倍的单极性的励磁浪涌流(见图3)。

　　3、“零地电压”偏高：

　　来自脉宽调制IGBT整流器和脉宽调制IGBT逆变器的高频PWM型的干扰电压将会以幅值较高的“零地电压”的形式，通过N线被直接和同时地“反馈”到UPS输入供电系统和输出供电系统中的N线上，从而危害数据中心机房以及其它用电设备的安全运行。这种“零地电压”型干扰源的典型运行参数值为，幅值为1.8V—5V左右的10KHz—16KHz的高频电压。通过数据中心机房的运行表明：为确保IT设备的安全运行，供电系统的“零地电压”应该小于1.5V。

　　4、电池供电时，高频机型UPS的效率偏低：

　　图2各种UPS的输出电源的零线对地线电压的对比

　　如图2b所示，当高频型的IGBT整流器因故进入自动关机状态(例如：输入电源停电、整流器出故障)，工作电压较低的电池组需经DC变换器进行升压处理后，变换成逆变器所需的±400Vdc直流高压，为此会导致UPS的运行效率下降2%左右。

　　5、采用”外置隔离变压器”设计方案的故障隐患：

　　为了解决高频机型UPS的“零地电压”偏高的问题，可供选择的技术途径之一是：在UPS供电系统的输出端配置“外置隔离变压器”。如图3所示，我们的确可以利用该“外置隔离变压器”来向位于机房中的IT设备提供完全满足IT设备技术需求的高品质电源。然而，对于这样的供电系统而言，它仍然存在如下的两种故障隐患：

　　(1)UPS输入电源供电系统的“零地电压”仍然偏高，如图3所示，来自高频机型UPS“零地电压”型的共模干扰，仍然被馈送到位于UPS输入侧的其它用电设备的输入端上，继续危害这些用电设备的安全运行。这是因为，这种“零地电压”型的共模干扰，已经“污染”了UPS输入上游侧的全部输入电源的缘故。

　　“高频机”型UPS冗余并机系统+外置输出隔离变压器的UPS供电系统的运行特性

　　(2)存在烧毁IT设备的故障隐患：

　　对于采用高频机型UPS+外置隔离变压器设计方案的用户来说，在他们UPS供电系统的运行中，一旦因故出现输出停电或闪断故障(供电中断时间>8ms以上)时，就会导致出现如下的事故现象：

　　(a)当在“外置隔离变压器”的输入端上出现断电故障时，必然会在它的输出端产生幅值很高的“反激型的瞬态尖峰高压”。这种瞬态高压的幅值足以烧毁IT设备。这样惨痛的事故和案例，已在多处数据中心机房中出现过。

　　(b)当在“外置隔离变压器”的输入端上，突然恢复供电时，就会在UPS的输出端(变压器的输入端)上，产生5—6倍于它的额定工作电流的励磁浪涌电流，从而对UPS供电系统的安全运行带来巨大的威胁。例如：对于采用由400KVA“4+0”型UPS并机系统+1600KVA“外置隔离变压器”设计方案的UPS供电系统而言，此时在UPS并机系统的输出端所可能产生的励磁浪涌电流的幅值高达13500A左右，从而导致并机系统进入“严重过载”状态。由此所带来的恶果是，UPS并机系统的输出电压急剧下降，并转入由普通市电供电的交流旁路工作状态。

　　与此相反，对于选用带“内置隔离变压器”UPS的用户而言，则可完全KEYI消除掉这种故障隐患。所以，从某种意义上讲，由于他们能为IT设备的安全运行创造出优良的运行环境，从而可以极大地提高其数据中心机房的可维护性，并能避免在今后工作中遇到种种不必要的麻烦。基本上述原因，我认为，对于关键数据中心的UPS供电系统而言，宜优选带输出隔离变压器的UPS产品。

　　6、带隔离变压器的UPS具有更优异的抗”冲击性”负载的能力：

　　凡是熟悉UPS常用负载的用户都知道，由于电力电子学的迅猛发展，它所带的绝大多数都是整流滤波型非线性负载。当UPS后接负载为不带输入功率因数校正功能(PFC)的PC电脑或DCS型的工控设备时(图4)，UPS输出端的负载电流为峰值比(CF)高达3.3：1的冲击性电流。在此条件下，将导致在UPS输出电流中出现大量的谐波电流，它的电流谐波含量THDI值高处73.5%，其最大的电流谐波分量为3次电流谐波分量。此时的3次电流谐波分量的THDI值=53.2%。对于这样的负载而言，从UPS所输出的正弦波形的电压波，在大多数的时间内，它的负载电流均为零。这就意味着：在此期间内，从UPS所输出的能源并未被利用，仅在非常靠近正弦形电压波的峰值处的几毫秒内，UPS才真正在向负载提供能量。这样一来，如果我们直接利用高频机型的UPS来带这种负载时，对于有效值仅为6.06A的非线性负载而言，需要为高频机型UPS逆变器的IGBT功放管，提供峰值高达20A的“冲击性”电流。相比之下，对于50Hz的正弦波电流而言，它的峰值电流仅为8.5A左右。由此可见，其峰值电流增大了2.4倍左右，而且还会使IGBT功放管的瞬态温升增高5.5倍左右。这是因为，IGBT功放管的瞬态温升是正比于峰值电流的平方。

　　由此可见，如果我们直接利用高频机型UPS来带这种峰值比很高的负载的话，无异于将这种UPS长期置于电应力和热应力都处于急剧变化的恶劣工作状态之下，由此可能带来的恶果必然是高频机型UPS使用寿命的缩短和故障率的增高。

　　如图5所示，在UPS逆变器的输出端，配置Δ/Y型隔离变压器后，则可以利用隔离变压器所具有的如下优异运行特性来改善逆变器中IGBT管的工作条件，从而大幅度地提高UPS可靠性。从某种意义上讲，我们可以将这种输出隔离变压器看成，为跨接在UPS与整流滤波型非线性负载之间的“50Hz滤波器”，它将大幅提高UPS承担具有高峰比的冲击性电流的能力。

　　(1) 具有优异的抗高频干扰的衰减隔离特性，使得工频机具有很好的抗负载冲击能力和较高的短路阻抗;

　　(2) (2)能有效的衰减来自IT设备或网络设备等非线性负载所产生的3次及其奇数倍的滤波电流，有利于提高UPS逆变器IGBT功放管的可靠性。例如：在一台输出隔离变压器的副边绕组所需的负载电流的有效值=51A，电流谐波含量的THDI值=74%，峰值比为2.8：1。即：电流峰值约为143A的“冲击性”很高的电流。它电流谐波含量的THDI值=74%，其中最大的电流谐波分量出现在3次电流谐波分量上。

　　由此所带来的后果之一是：尽管用户已竭尽所能将它的三相负载不平衡度控制在<±2%的范围之内，仍然会导致它的零线电流，出现高达160%平均的线电流现象。这样一来，就会迫使用户必须将他们的UPS供电系统零线电缆的截面积增大，是它相线电缆的截面积的1.5倍以上。

　　相关的理论分析表明，导致零线电流的幅值异常增大的原因是，3次及其奇数倍谐波电流在零线上会发生“矢量和”相加的缘故。然而，对于同样的这台输出隔离变压器的原边绕组来说，由于它的Δ绕组对于它的负载电流中的3次及其奇数倍谐波电流分量来说，会呈现优异的陷波型的滤除作用，从导致其输入谐波特性得到明显地改善。

　　它主要表现在：负载电流的有效值下降到仅为45.2A左右，电流谐波含量的THDI值下降到28%，负载电流的峰值比下降到1.7：1。这就意味着：此时位于UPS逆变器中的IGBT管所需承担电流峰值仅为77A左右，从而达到大大削弱负载电流”冲击性”的目的。显而易见，这非常有利于提高UPS的可靠性。

　　图4PC机及DCS设备等整流滤波型非线性负载的输入谐波特性

　　图5带输出隔离变压器UPS的优异保护功能

　　(1)具有优异的抗高频干扰的衰减隔离特性，使得工频机具有很好的抗负载冲击能力和较高的短路阻抗;

　　(2)能有效地衰减来自IT设备/网络设备等非线性负载所产生的3次及其奇数倍的滤波电流，有利于提高UPS逆变器IGBT功放管的可靠性;

　　(3)有利于进一步提高UPS带三相不平衡负载的功能