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“高频机”将成为现代数据中心UPS设备的首选机型

现代数据中心供电系统规划设计第五篇

来源:机房360 作者:陈冀生 张广明 更新时间:2013-5-4 21:32:58

摘要:高频机这种机型集中体现了UPS电路技术的进步,代表着UPS技术的发展方向。与传统的带输出变压器的UPS相比,它在进一步缩小体积、减轻重量、改善性能、提高效率、降低成本等方面,都取得了明显的改善和进步,成为现代数据中心UPS设备的首选机型。

  5.3 无变压器UPS的性能优势

  这里的讨论仅限于是否带输出变压器这两种电路结构的不同而带来的设备性能的差异,不包括与产品研制定型和生产水平有关的因素而造成的性能差别。

  (1)高输入功率因数低输入电流失真度

  为了完成系统升压功能,PFC整流环节成为“高频机”的重要组成部分和必要条件,同时它又把UPS输入功率因数提高到理想的数值:0.99,把输入电流总谐波失真度THDI降低到5%以下,所以说输入功率因数高、电流失真度低是“高频机”最显著的优点之一。这不仅消除了UPS对电网的谐波污染,它还可明显地降低前端设备和线缆的容量。表5.1为两种结构UPS的总电流失真度、总电流有效值和线缆配置要求。

  表5.1:UPS的总电流失真度、总电流有效值和线缆配置要求比较表

无输出变压器UPS

带输出变压器UPS12脉冲)

优势比较

输入总谐波失真度

100%负载下,4-5%

100%负载下, 8.5%

输入总电流相差27%

输入变压器、断路器容量相应增大;

与油机容量比由1:2~41:1.3

线缆截面增大1

输入总电流

额定功率

输入电流

300 kVA

442 A

400 kVA

587 A

500 kVA

735 A

额定功率

输入电流

300 kVA

554 A

400 kVA

751 A

500 kVA

935 A

输入缆线选型

额定功率

mm²

300 kVA

1 x 240

400 kVA

2 x 150

500 kVA

2 x 240

额定功率

mm²

300 kVA

2 x 180

400 kVA

2 x 240

500 kVA

5 x 120

  表5.1是输出满负载时的数据,当实际应用中负载减轻时,12脉冲(+11次无源滤波)的输入功率因数还会明显地减小,输入电流谐波成分明显增大。

  (2)工作效率高

  无输出变压器UPS的整机效率之所以比带变压器UPS的效率高,主要来自两个方面,一是去掉了变压器的损耗,大功率变压器的损耗通常在1.5%左右;二是系统直流母线电压的提高减少电路工作损耗0.5%左右,如果排除电路设计和生产水平差异因素,电路结构的变化可使整机工作效率提高2.5%左右。表5.2是一组典型的测试数据。

  表5.2 UPS工作效率比较表(按照输出功率因数0.9计算)

负载率

无输出变压器UPS

带输出变压器UPS

优势比较(年电费节省 ¥)

100%

40%

25%

94%95%

93 至 94%

91.4 至 93.6%

92.5%93%

91.6 至 92.5%

89.5 至 91.6%

负载

25%

40%

100%

300 kVA

13140

14716

52560

400 kVA

17520

19621

70080

500 kVA

21900

26280

87600

机内温度

35°C

40°C

  表5.2数据仅仅考虑了设备本身的效率的提高,如果把因输入功率因数的提高,而使输入设备(滤波器、开关、线缆等)容量和损耗的降低,以及12脉冲整流时的输入变压器的损耗计算在内的话,那么无变压器UPS对整个系统效率的贡献应超过4%。

  (3)重量轻、体积小

  数据中心基础设施是一项费用昂贵的固定资产投资,机房内设备对承重的要求和占用空间越来越受到人们的重视。同时,重量轻体积小的设备还可以减少对运输和安装难度的要求,当然在这方面费用的降低也是可观的。

  表5.3给出了两种结构UPS在功率密度、体积和重量等方面的比较数据。

  表5.3 UPS功率密度、体积和重量比较表

无输出变压器UPS

带输出变压器UPS

优势比较

宽度和面积
配备维护旁路
不含电池

容量

mm

300 kVA

1 412

1.20

400 kVA

1 412

1.20

500 kVA

1 812

1.54

容量

mm

300 kVA

1 600

1.52

400 kVA

1 600

1.52

500 kVA

1 600

1.52

节省更多空间,运输安装成本低

功率密度
配备维护旁路
不含电池

容量

kW / m²

300 kVA

225

400 kVA

300

500 kVA

292

 容量

kW / m²

300 kVA

158

400 kVA

211

500 kVA

263

更高功率密度,更小占地面积,运输安装成本低

重量

不含电池

容量

kg

300 kVA

960

400 kVA

1110

500 kVA

1470

容量

kg

300 kVA

1650

400 kVA

2030

500 kVA

2070

减轻机房承重要求,运输安装成本低

  从表5.3 具体数据可以看出,与带输出变压器UPS相比,无输出变压器UPS在功率密度、占地面积、重量等方面的贡献是:

  功率密度(kW / m²)可提高40%左右;

  占地面积(m²)可减少25%左右;

  重量减少50-80%。

  (4)成本低

  与带输出变压器UPS相比,无输出变压器UPS去掉的环节包括:输出隔离变压器;输入12脉冲移相变压器及11次无源滤波器。所以无输出变压器的UPS可降低成本是不言而喻的事实。

  但是,当我们讨论成本时,应全面地考虑以下四个方面:

  l 生产和购置成本;

  l 能源运行成本(工作效率高,包括空调费用的降低);

  l 占地少、承重要求小和运输安装成本;

  l 资源浪费成本。

  第四点实际上是很重要的,为了减少资源浪费,以半导体代替铜和钢铁资源早已成为工业和电子设备发展的趋势,是具有重大经济意义和社会意义的基本策略。

  (5)对电性能指标的改进

  无输出变压器UPS的各项电性能指标绝大多数都相当于带输出变压器UPS,而有些指标却显示出无输出变压器UPS更优越的性能。除以上讲到的输入功率因数、工作效率、体积重量和成本外,以下指标也有明显地改善:

  ① 输入电压范围更宽:带输出变压器UPS对于适应输入电压±15%的变化已很不易,而无输出变压器UPS可在±25-30%范围内正常工作,不仅表现出对电网很强的适应能力,还可延长电池的使用寿命。

  ② 输出能力强:这体现在两个方面,一是输出半桥逆变器三相独立的输出功率,提高了三相负载不平衡的适应能力;二是去掉了工频变压器,逆变器工作频率又较高,输出滤波环节阻抗小,所以输出动态性能更好,负载阶跃从100到0%或从0到100%变化时,输出电压的变化都可限制在±2%,并在20-40毫秒内返回到±1%的容限范围以内。

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