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三相大功率UPS電源主要運行在數據中心與關鍵電源兩種場景,目前在IDC、Colo、金融、電信、醫療、半導體、石油石化、機場、軌道交通、電力等各行業得到廣泛應用。經過近三十年的市場推廣與實際使用,用戶對工頻機、高頻機、固定功率一體機、模塊化UPS等概念已經有了深刻的理解。

近十年來,在大型及超大型數據中心、半導體等行業需求的推動下,三相大功率UPS電源出現了很多新的理念與創新。本文對其中重要的五大新技術做簡單介紹。

三種運行模式

逆變器優先運行模式(雙變換)

如圖1所示,工頻機高頻機從電氣變換技術角度來看,都是采用的雙變換在線式技術,即能量經過整流器逆變器兩次能量變換后,由逆變器提供電壓精度為1%、諧波含量小于5%的正弦波交流電給負載供電。這種運行模式也可以稱為:逆變器優先運行模式(雙變換)。

逆變器優先模式的優勢是輸出電壓精度高達1%。劣勢是由于能量的兩次 轉換,在正常15%～60%負荷下,UPS整機效率較低僅88%～95%。同時電流每秒鐘都流經整流器逆變器的功率器件,元器件疲勞老化嚴重,壽命降低,導致UPS可用性降低。而可用性才是用戶對UPS的最重要需求。

逆變器優先模式(雙變換)本身就是一種低可用性的運行模式。這是這么多年以來才痛苦認識到的一個事實。

有沒有新的思路?小功率的后備式UPS和在線互動式UPS正常情況下是旁路市電輸出供電,不是也保護了IT負荷嗎?

仔細研究我們會發現兩點:

IT負荷其實對交流電的要求不高,允許電壓-20%/+10%,頻率40～70Hz,允許中斷時間10～20ms。逆變器優先模式為驕傲的1%輸出精度其實沒有意義。

今天市電電網的可用性得到了很大提高,城市10kV電網可用性達到99.94%(見表1)。這兩個因素促使我們認識到三相中大功率UPS其實也可以和小功率UPS一樣選擇旁路優先運行模式。事實上早在2010年,各廠家三相UPS就允許用戶選擇工作在旁路優先模式,即ECO模式(經濟模式)。

旁路優先運行模式(ECO模式)

如圖2所示,在正常情況下,UPS優先運行在靜態旁路,由市電直接給負載供電。當旁路電壓超出設定窗口范圍時,會切換到逆變器輸出模式。該模式的優勢是效率高達99%。劣勢是由于市電直供,會產生雙向*,輸入功率因數輸入諧波電流指標較差。更重要的是,當旁路故障需要切換回逆變器模式時,會出現4～20ms的切換時間,某些情況下會造成負載運行中斷, 降低了UPS的可用性。