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变压器在UPS电源系统中的作用
变压器在UPS电源系统中的作用
人们普遍认为,最初在UPS系统中安排内部变压器是为了在UPS输入与输出之间提供电隔离。
这是错误的。
早期UPS系统中采用内部变压器的真正原因在于UPS设计中所采用的功率逆变器技术使之成为必然的需要。
最初的UPS产品在40多年前开发,采用一种以地为基准的蓄电池系统。
接地的电路和蓄电池配置要求这些系统具备两个变压器,以便与主回路隔离：
一个位于输入整流器上,另一个位于输出逆变器内。
此后对这些设计的改进是将蓄电池母线移至零线导线或使之电气上悬浮,去掉了其中一个变压器〔通常是去除整流器变压器〕。
借助于近15年内出现的高压、高速功率半导体技术,最新的UPS设计采用的是将输入和输出变压器均撤销的全新设计。
在有些数据中心电源系统设计中,UPS无需配用任何变压器；但在很多情况下必须或建议将变压器与UPS组合安装。
本文将介绍,对一套UPS系统有92种不同的变压器可能组合可供使用,而可与并联式或其它冗余配置配合使用的组合则更多。
如果不能理解各种不同备选方案之间的重要差异,则无法研究变压器在UPS系统中的使用。
UPS系统的配置按照是否存在静态旁路与其连接方式分为三个基本类别。
这三个类别通常称为单输入、双输入和无旁路单输入。
它们在图1中示意性示出。
在单输入配置中,由一条输入连接对在UPS上连接在一起的旁路和UPS模块同时供电。
这是最常见的安排方式,也是许多小型UPS系统中支持的唯一的安排方式。
此类安排见于大多数较小型的数据中心设施以与许多大型数据中心设施。
此类系统的主要好处是安装简单、成本低,且许多与电流循环和接地相关的复杂因素均不存在。
此类系统的缺点是,实际的输入供电系统无法在不对关键负载断电的条件下被隔离以进行维护,尽管部分不利因素可以通过输入上的环绕式断路器加以克服。
当旁路由不同于对UPS整流器输入供电的输入的另一条输入供电时,需要采用双输入配置。
输入的差异可小〔例如,由同一面板上的不同断路器供电〕可大〔例如,它们来自接地系统不同甚至电压都不同的完全独立的电源〕。
有多种数据中心冗余架构规定采用此类配置。
采用双输入配置的另一个原因是可以在对关键负载供电的同时将两输入中的任何一条停用以进行维护。
应注意,当使用发电机时此配置可以使用,但非必需,因为发电机通常通过一个自动转换开关〔ATS〕连接至UPS的输入母线上游处,以使其向UPS供电的同时,也向其它负载〔如冷水机组〕供电。
双输入配置在某些数据中心架构中必须采用,并被作为许多较大型的数据中心的优选方案,以实现并行维护并/或使系统整体可靠性稍稍提高,因为它可以防止UPS的上游连线和断路器成为电源系统的单一故障点。
最后一种配置无旁路单输入主要用于输入电源质量被认为极差的环境和被确定为不再适合由输入通过旁路对关键负载供电的地方。
这可能会在输入频率〔50或60Hz〕与IT负载频率不同的工业应用、船舶或小岛等场合中出现,或者在供电压力很大的发展中国家电网中出现。
在一些国家〔例如美国〕,这是一种极其罕见的方式,而在其它国家〔例如印度〕则很常见,在某些地区甚至占到安装设施的多数。
注：
对上述三种配置进行全面分析比较可能涉与在价格、复杂性、可靠性、可维护性以与电力质量等方面的折衷；此分析已超出本文的X围。
本文将重点介绍如何在每一种配置内使用变压器。
上文所介绍的三种配置可能在功率路径上包含一个或多个变压器。
图2示出了三种UPS配置中变压器的可能位置。
图2中所示的基本配置〔UPS模块、变压器和旁路的各种组合〕在本文中被称为"UPS系统"。
类似地,"UPS模块"指UPS系统的功率变换器和储能组件,它们结合起来提供不间断电源。
"UPS产品"是指处于一个机箱内、包含至少一个UPS模块的设备,此外还可能包含各种变压器和旁路器件。
由于市场上所销售的UPS产品可能在"产品"所含内容〔旁路和变压器选件〕方面有很大差异,本文将主要使用更具体的术语"UPS系统"和"UPS模块"。
UPS产品经常被描述为"基于变压器式"或"无变压器式"。
此区别是指UPS产品机箱内存在或不存在逆变器变压器。
图2中所示除逆变器变压器之外的各种变压器或者是可在UPS产品内部选装的所有选件,或者是可以安装在UPS机箱外部的所有选件。
此问题对于下文讨论非常重要,必须进一步澄清：
无变压器式UPS产品与基于变压器式UPS产品的区别在于是否有逆变器变压器。
可能在UPS系统中使用的其它所有变压器均为选装,并可与基于变压器式和无变压器式UPS产品配用。
应注意,在任何设施中均存在为UPS系统与其它负载供电的上游变压器。
图2中简图所示的输入、旁路与整流器变压器表示专门针对UPS系统使用的变压器；它们不同于对市电电网中压进行降压的变压器。
在这三种UPS系统配置的每一种情况下,可能存在变压器的任何组合,即从没有到全部。
对于单输入配置,有8种可能的变压器安排；对于双输入,有16种安排；对于无旁路单输入,有8种安排,总共为32种可能的安排。
此外,输入变压器和输出变压器可能位于UPS本地,也可能在远程,此因素会影响接地系统。
这又增加了额外的60种变化形式,故对一台UPS总共可安装92路变压器。
实际上全部92种变压器安装变化形式均已在实际设施中被使用。
然而,并非所有变压器安排均符合逻辑,其中有少数一些能够实现性能、经济性和效率的出色结合。
为了理解何时需要使用变压器或者为什么这3种UPS配置存在各种变压器位置,我们必须首先考虑变压器对零线和地线的影响。
变压器的特性
变压器有各种不同的类型,但在本文中,变压器是指"三角-星"型配置,这是在几乎所有UPS应用中采用的类型。
三角-星型变压器有许多特性,既有好的又有不好的,这会影响其在UPS系统中的使用：
前四项是优点,最后两项是不利因素。
因为后两项不利因素很严重,故变压器仅应在其好的特性对于数据中心的任务有意义时才应被使用。
电压变化这在输入电压不同于IT设备所用电压的应用场合为必需。
这在北美地区是一种常见的情况,那里较大型数据中心的输入电压为480或600V。
在世界上大多数地区,400/230V的三相输入电压与IT负载设备使用的电压相同,因此不需要此功能。
阻抗在现代数据中心中这一点通常是次要的,不太重要。
多数设计不需要额外的阻抗,如果需要,则使用功率电感器〔有时称为"电抗器"〕会更为有效,因为它比变压器体积更小,重量更轻,且效率更高。
阻塞谐波这在以往是一项有用的功能,用以防止UPS所产生的谐波电流影响上游电网,并防止IT负载谐波电流通过UPS旁路影响上游电网。
然而,两项重大变化已经改变了这种状况：
现代UPS和现代IT负载均"经过功率校正",这意味着它们所生成的谐波电流已被大幅降低至无需加装滤波的程度。
因此,在现代数据中心中使用变压器来减小谐波电流不再是一项必备的功能。
此主题在第26号白皮书《谐波和零性线过载的危害》进一步详细讨论。
因此前三项有利特性的价值已经有限或过时,这就使得第四项特性"将零线与源隔离"成为远远超出其它方面的最重要的一项。
将零线与源隔离这是变压器最重要的特性,正是这一特性使变压器在某些条件下有用、必要甚至是法律上的强制要求。
本文后面部分将着力介绍变压器的这一属性,以与它如何影响UPS在数据中心内的使用。
因为零线隔离是决定变压器作用的关键,故我们必须理解这一功能。
变压器隔离
变压器通常由图2所示的交叉双环符号表示,在本文中也将使用此符号表示变压器。
然而,此符号是图3中所示变压器实际连线图的简化形式,对于本文后文部分的理解十分重要。
初级〔或称输入〕位于左侧,三个相被应用于变压器绕组〔绿色线〕,变压器绕组被连接为三角形所示的"三角"型配置。
次级〔或称输出〕以"星"型〔Y形〕配置连接,由三个相和一个中心点〔或称零线〕连接组成1。
输入与输出之间没有电气连接；电力通过磁场在输入与输出之间传送。
需要注意的重要一点是,输入端没有零线连接。
即使供电侧有零线,它也不会与三角-星型变压器配合使用。
变压器在输出端"做出"一条新的零线,即与输入端的任何零线没有电气连接的新的零线。
实际上,整个输出回路处于一个相对于输入或地的不确定电压〔称为"悬浮"〕。
由于IT负载设备被接地,以不确定电压提供悬浮电源是绝对不合适的,因为这样可能导致绝缘故障或其它危害。
因此,在几乎所有数据中心应用中,变压器输出端上新的零线均被接地。
当隔离变压器有一条接地零线时,其输出回路经常被称为"单独引出源"。
输出端零线接地的实现方式可以是直接将零线连接至最近的已接地金属〔已知被接地的设备机箱、接地棒、水管2或接地导线〕,也可以连接至一条已知被接地的现有零线导线,也可以通过一个接地电阻连接至地〔此方式仅在大功率母线上使用,而不在对IT负载的最终配电上使用〕。
全部这三种技术均在数据中心中应用,在后续各节中将被提到。
考虑变压器的上述隔离特性,我们现在可以介绍因隔离而产生的关键有利〔有时为必需〕的功能：
•将不同的主输入的接地系统更改为数据中心IT设备所需要的系统
•在主输入的零线存在严重的电力质量问题或在上游采用4极断路器〔按照某些国家的要求〕时零线发生断路的情况下创建新的零线连接
•将两个电源进行组合,而不需要将其零线导线连接在一起
•防止出现可能导致剩余电流检测器〔RCD〕或其它安全系统非必要激活的循环电流
由于必须理解这些功能方可理解如何与为何使用变压器以与在何处应用它们,将对每一项功能进行简要解释。
第一项功能,将数据中心内的输入接地系统更改为IT设备所需要的接地系统,这显然是一项基本功能。
数据中心内的IT设备总是由一个TN-S接地系统操作〔接地术语的说明参见侧栏"接地系统类型"〕。
在某些情况下,输入配有TN-S系统,因此无需改变。
一般而言,TT或IT接地系统需要先使用变压器转换为TN-S之后方可供IT设备使用。
此接地转换可在UPS之前或之后进行。
在有些国家,如美国和英国,TN-C接地系统很常见,无需变压器即可转换为TN-S。
第二项功能,在输入零线存在严重的电力质量问题时创建新的零线,在以下情况下使用：
所提供的主电源零线系统与其它负载共享,在与数据中心有一段距离处生成,或被视为不可靠且达到可能被断开或与地断开的程度。
在发达国家与多数大型新建楼宇中,TN-S零线源位于客户设施内,通常靠近数据中心。
在此情况下零线的品质会被视为优秀,第二项功能为冗余。
但在其它情况下,零线对地接合点可能在室外,可能距离较远,被共用,并作为一个降级或过载的配电系统的组成部分。
在这些情况下,零线对地可能有显著的偏置或噪声电压,或者存在更坏的情况,即可能丢失其接地连接或被中断。
此问题在热带气候下更为严重,因为难以长时间保持金属间的低阻抗接合。
如果一个处于零线缺失状况下的主电源被直接送至IT设备,则会因为电压较高而产生大量设备故障。
这些问题常见于发展中国家,也是数据中心电源系统设计在新兴市场部署时经常需要附加功率变压器的原因。
第三项功能,无需连接零线即可组合电源,是具备备用电源的应急电源系统〔例如通常用于数据中心的系统〕独有的功能。
数据中心可能由配有开关的多条进线与发电机的组合进行供电,以确保对关键负载的供电连续性。
UPS内部的旁路路径本身是一条独立于UPS模块的替代电力路径,在UPS的输出端进行实质性"组合"。
任何时候只要两个源通过一个开关安排进行组合,就可能出现存在两个输入零线连接和一个单一输出零线连接的情况。
这将导致在有两条输入零线时如何连接单一输出零线的问题,如图4所示。
由于在为IT负载供电的零线之间的切换会造成瞬时的零线开路情况,而这可能有危害或破坏性,故对连至关键负载的零线永远不应进行开关切换。
这意味着如果两个备用电源在UPS中组合,它们的零线导线必须永久性地相互连接在一起。
然而,将输入零线一起连接至输出零线可能在输入零线之间形成循环电流,如图5所示。
尽管当旁路和整流器采用同一来源时这些循环电流只是一个小问题,但如果两条输入零线来自不同的来源,则可能造成危害。
法规通常不允许将两个独立引出的零线源连接在一起。
加装一台变压器与两个电源之一串联可以解决这一问题。
任何时候只要一台双进线UPS由独立引出零线的电源供电时,就需要变压器。
应注意,有些双电源进线系统有两个电源输入,这两个输入由采用公共零线的电源进行供电的,这些情况下不需要变压器。
第四项功能,防止出现可能导致RCD或其它安全系统非必要激活的循环电流,也与电源被组合的情形有关,例如在双输入配置中。
当独立引出的零线被相互连接时,零线之间总是会出现循环电流,但如前段所指出的,法规不允许这样做,因此不应出现问题。
但即使UPS是由两个引自同一零线的输入供电时,循环电流也可能出现。
因此,在整流器零线和旁路零线连接均配置在UPS上的任何系统中,电源回路上的任何RCD保护都将非必要地激活。
整流器电源、UPS模块输出或旁路内需要有隔离变压器,以防止RCD激活。
首先,似乎如果整流器输入零线连接能够省略,循环电流问题就应被解决。
实际上,所有按双输入设计的UPS系统均被设计为在没有整流器零线连接条件下运行；UPS输入整流器在输入相线之间吸收电力,不需要零线连接即可运行。
只要整流器电源已接地,就不需要配备整流器零线。
由于不再有任何整流器零线连接,似乎循环电流不会再出现了。
然而遗憾的是,尽管人们普遍认为整流器上没有零线连接就可消除循环电流,但事实并非如此。
图6所示为整流器电源零线未被连接的双进线UPS系统配置。
红色线表示仍然存在的循环电流,但它不流经整流器零线,而是流经UPS模块。
任何有输出零线的UPS逆变器模块都将向输出零线母线上注入超出负载所需的任何零线电流的电流。
这种"过大"的零线电流是逆变器运行的副作用,由电抗性负载、非线性负载以与负载电流的不平衡所导致。
这种"过大"的零线电流不会被IT负载消耗,而是会通过旁路零线返回输入电网。
此电流在正常情况下可能比较小,但在各种负载不平衡或输入电压不平衡情况下可能变大。
如果旁路输入电源带有RCD保护〔在某些国家、某些情况下是强制要求〕,这些保护设备会将此零线电流检测为超预期电流,并将其误认为地线故障,故可能切断系统。
由此就产生了数据中心电源系统设计的一个非常重要的原则：
在具有RCD保护的双进线系统中,必须总有变压器位于输入路径之一上的某处。
去除整流器零线连接并不足以防止循环电流出现。
在此应明显看出,双进线配置在接地和变压器使用方面有着远远超出其它配置的最复杂的问题。
许多错误发生在应用变压器以与对双输入系统的适当接地中,这些错误经常会导致间歇中断和意外停机。
这些问题在单输入系统〔有或没有旁路〕中得以简化。
双输入系统的选择经常不会考虑这些复杂因素,而单输入系统可能会是更好的选择,因为在设计和安装中可能出现错误的因素较少。
单输入配置可能会是可靠且节约成本的选择,因为双输入配置的理论可靠性优势在实践中并不总能实现。
正因为如此,即使是在非常大型的超高可用性数据中心内,也经常采用单输入配置,特别是在通过双母线或N+1台UPS配置实现冗余的情况下。
并联或其它冗余配置
前文中对三种基本UPS配置中变压器应用的说明是假定UPS系统包含一个单一的UPS模块。
然而,常见的情况是,数据中心电源系统包含多个UPS系统,而各UPS系统又包含多个UPS模块,它们均可采用许多不同的配置进行安排,以提高冗余度。
除冗余功能之外,UPS系统经常被并联,以此作为提高功率容量的手段。
本文中对接地和变压器使用的讨论无需修改即可适用于由多个并联UPS模块组成的并联UPS系统,在此类系统中采用单一的旁路。
施耐德电气旗下APC的Symmetra就是此类采用内部UPS模块并联的UPS系统的一个实例。
然而,仍有若干种包括完整UPS系统并联或串联配置的数据中心系统配置,会引入更多可能的系统接地点和可能的变压器位置。
本文中所述的大多数应用变压器的原则仍然适用于这些系统,但这些系统经常会在接地和残余电流检测方面产生特别的挑战。
鉴于本文中所给出的对变压器应用的基本理解,可以确定在特定的冗余或并联情形下使用变压器的最佳方式。
然而,用于多种并联和冗余配置的变压器备选方案的完整讨论已超出本文的X围。
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