新一代无变压器不间断电源(UPS)

新一代无变压器不间断电源(UPS)的诞生让人们的脑海中出现一个问题，那就是这两种类型的UPS各有何优缺点。注意，本文对比的是无变压器UPS与自身带有内部变压器的三相双转换单元(three-phase dual conversion units)。

在过去的五到七年里，无变压器UPS一直统治者小型三相(3万伏安及以下)市场。相比于上一代有变压器的UPS来说，无变压器的UPS体积更小、更轻，而且成本也更低。这种设计的额定功率很快地上升到10万伏安，随之又达到30万伏安。若是用于多模块系统，甚至可以达到100万伏安或更高。
 

IGBT与无变压器UPS
 

这里，我们先回顾一下以前的历史：以往的UPS是基于SCR逆变器(inverter)技术的，它不是开就是关，需要有内部变压器才能工作。因此，当时所有这种UPS实际上都是带有变压器的。后来，随着IGBT(绝缘栅双极晶体管，insulated-gate bipolar transistor)技术的出现，这一状况得到了改变。IGBT就是无变压器UPS得以存在的核心技术。如今，基于IGBT的UPS逆变器利用高频脉宽调制(pulse-width modulation)重新产生一个几乎纯正弦的波形，从而省去了笨重的输出变压器或庞大的铁芯输出过滤器。(现在，IGBT也同样被应用于基于变压器的 UPS。)
 

20世纪几十年代，无变压器的设计开始出现在小型UPS上，2000年逐渐成为了主流设计。早期的UPS设计依赖于一个输入变压器，把低压的输入电流升高然后输入到UPS。新的UPS设计利用了IGBT，还可以更有效地将交流电转化为直流电输入UPS。这有利于DC总线和逆变器保持一个稳定的输出电压。
 

无变压器UPS与有变压器UPS谁的效率更高？
 

在数据中心领域，传说只有两件事是最重要的：可靠性/可用性和众所周知的“5个9”(即99.999%)。有些厂商和用户以为，基于变压器的UPS更耐用，因此可靠性更高。
 

如今，人们的能源意识越来越强，都希望拥有更省电的UPS。而变压器，天生就是个浪费电的料。因此，从变压器的角度来看，无变压器的系统肯定要更省电。陈旧的变压器会浪费2%到3%的电量，有时甚至更多。最近，由于TP-1-rated变压器的出现，这个浪费比例能降低到约1.5%到2%。但是，在24/7工作制、包含很多关键任务的数据中心，能量效率并是一个首要考虑的问题——相比可靠性和可用性而言。
 

当然，如果不从实际出发，考虑实际可用的产品和市场，光从理论上分析二者的技术区别是毫无意义的。除了两大阵营之间的技术争论之外，有时还涉及到个人喜好问题。很多时候，选谁不选谁都是由某位特定的工程师或最终购买决策人来定的。
 

那么，你是一个变压器“支持者”还是一个变压器“反对者”呢？这是否仅仅是一个观点的分歧而已呢？这两种UPS到底有没有巨大的差异呢？各有何优势？
 

厂商提供了哪些UPS产品？
 

Emerson-Liebert是一个特别喜欢有变压器UPS的厂商，因为它的标志性产品线是75万伏安的大型UPS。不过，它也有一整条低功率无变压器系统产品线。

“分水岭貌似就在20到30万伏安之间，”Emerson-Liebert的技术公关经理Alan French说：“在这之下的，我们销售的大部分新系统都是无变压器的，而在这区间之上的则都是有变压器的系统。我们相信，我们的大型企业客户一般需要的是有变压器UPS提供的更高可用性。”
 

像施奈德的APC和MGE等品牌也有两种系统。APC既有模块化产品也有无变压器产品，而MGE则在大型系统方面有基于变压器的系统，在低端(15万伏安及以下)有无变压器UPS。
 

“APC既生产有变压器的UPS，也生产无变压器的UPS。不过，我们正在向无变压器方向转移。”APC的一位主管John Collins说：“请注意，有没有变压器并不能说明UPS的可靠性或性能的高低，二者没有必然联系。我们建议用户不要担心UPS的拓扑结构，而要清楚自己的性能要求，应用和财务目标，总体拥有成本或最低初始成本。”
 

无变压器UPS的崛起
 

除了用电效率，两种类型的系统在体型大小、重量和成本上都存在着很大的差异。致使这种新型UPS诞生的因素之一就是数据中心的供电需求急剧增加。以往一个机架只需要1到2千瓦，所以UPS在数据中心占用的空间非常小。但是，随着机架的供电需求跳到10千瓦、20千瓦甚至更高后，UPS在数据中心的空间占用率也发生了巨大的变化。
 

多年以前，一个3到5万伏安的UPS对一个普通的小型数据中心来书就已经足够了。但是现在，一个装有四台刀片服务器的机架就要两三万伏安。所以，现在的小数据中心里的“小”UPS都是10到25万伏安的了。为了满足客户不断提高的需求，制造商便开始采用无变压器的UPS系统设计了。
 

而且，减去变压器之后，UPS的成本也大大降低了——成本永远都是市场的推动器。由于无变压器UPS体积更小、效率更高、成本更低，所以更受数据中心亲睐。而且采用N+1或2N冗余后，可靠性和可用性也大大提高了。
 

有变压器系统的优势
 

那么，有变压器的UPS是不是已经过时了呢？其实不然。变压器的一个主要功能就是改变电压。在通常的供电链中，有时变压器是安装在UPS外部的，将电压从13kV(可能更高)降低到480伏然后输入到UPS中。
 

有些情况下，必须要有输入输出变压器，比如需要防止漏电的医用设备。
 

那么，数据中心UPS中的变压器有什么好处呢？首先，它能提高系统对相位不平衡的容忍度，这在大多数IT负载中很常见。尤其是208/208 V无变压器UPS系统，逆变器输出直接进入配电系统。在这种情况下，(UPS内部的或独立PDU盒内的)变压器可以一定程度上减少相位不平衡，从而防止 UPS由于不平衡导致的过载。
 

有一点很重要，值得注意。在一个普通的208伏无变压器UPS系统中，通常会有三个逆变器连接着一根普通的中线，他们分别有负载(L1，L2，L3 +中线+地线)。在一般的中小型系统中，不平衡负载的情况可能是这样：L1=68%，L2=90%，L3=52%
 

总体上，UPS的负载只达到约70%。然而，由于L2线路是90%，只差10%就达到最大限度了。如果L2在承受更多的负载，那么UPS就会报告负载过重。不过，有了变压器就不会有这种不平衡的事了，三相都会非常接近70%。显然，这是一个比较极端的例子，管理良好的配电系统是不会有这么严重的不平衡的。不过，在安装设备时，IT人员通常会看到线就用，很少会管这条支路的负载情况如何。
 

有些情况下，基于逆变器变压器的系统能更好地隔离中线与质量较差的电源。不过，这并不能保护到UPS输入。在公用电源质量比较极端的情况下，输入变压器可以减少电压不稳对UPS的冲击。然而，如果公用电源质量那么差的话，我们就会使用专门的电源调节器(通常带有感应器)。所以，逆变器变压器在逻辑上没什么实际意义。
 

市场决定一切
 

主输入电压也会影响UPS类型的选择。在10万伏安及以下的范围内，208伏输入系统非常普遍。那么，影响决策的因素就是可用的公用电源和安装大小了。在10万伏安及以下的市场，无变压器UPS牢牢地占据了绝大部分市场份额;在10到25万伏安的市场，无变压器UPS大概占50%。
 

最后，厂商总会转向客户所需要的产品。只要客户或他们的工程师要使用有变压器UPS，厂商就会生产。随着时间的推移，无变压器UPS最终总会提高自己的可靠性，市场会决定谁是中端市场的王者。
 

有时，有变压器UPS和无变压器UPS之间的争论就像一个政治或信仰问题。不过，无变压器UPS最终总会占据越来越大的市场，除非它被证明是一个失败的产品.