相較於採用隔離變壓器的系統(tǒng)，現(xiàn)今的無變壓器不斷電系統(tǒng)（UPS systems）體積更小、重量更輕，同時效率更高也更可靠，並且在各項應(yīng)用中也具有更優(yōu)異的能耗表現(xiàn)。然而，若是探討600V不斷電系統(tǒng)的設(shè)計，則不論是從整體安全、故障處理到系統(tǒng)效率等仍有許多面向依舊充滿挑戰(zhàn)。不過，由於600V不斷電系統(tǒng)所需的既定電力負載其電流量較小，因此600V仍舊受到各國青睞，加拿大與美國一般就是指定採用600V的不斷電系統(tǒng)。
| 圖一 : 探討600V不斷電系統(tǒng)的設(shè)計，不論是從整體安全、故障處理到系統(tǒng)效率等有許多面向依舊充滿挑戰(zhàn)。 |
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本文中，我們優(yōu)先將環(huán)境設(shè)定為600V的工作電壓，在此條件下探討該環(huán)境中可提供最佳技術(shù)UPS產(chǎn)品的各種方法。目標是為了在提供更高的配電容量和更低的銅成本（相較於480V）下，依然能具備例如ESS節(jié)能技術(shù)和可變電力模組節(jié)能系統(tǒng)（VMMS）等複雜的功能，如此才得以藉由降低機械複雜性而提高可靠性，同時降低電力成本。
因此，舊有的隔離變壓器UPS技術(shù)與現(xiàn)代的無變壓器設(shè)計之間也可以有所妥協(xié)，並帶來實惠價值以保有高可靠性和極高效率的運作。使用者也能享受到小巧輕量的好處，並大幅節(jié)省電源與冷卻成本，資金也就能運用於其他創(chuàng)造營收的資料中心項目上。
本文討論「原生600V」無變壓器和自耦變壓器UPS系統(tǒng)的技術(shù)面向，並詳細說明它們可提供的優(yōu)勢。
600V UPS的設(shè)計選擇
傳統(tǒng)上，不斷電系統(tǒng)的輸入和輸出電壓是透過變壓器所設(shè)定。不斷電系統(tǒng)的輸入變壓器會調(diào)高或降低市電電壓，為不斷電系統(tǒng)的整流器電子設(shè)備提供最佳電壓。 不斷電系統(tǒng)的輸出變壓器，則會調(diào)高或降低原逆變器的輸出電壓，通常是208V，400V，480V或600V，進而滿足用戶的需求。
事實上，這些電壓轉(zhuǎn)換可以透過隔離（“ iso”）變壓器或自耦變壓器來執(zhí)行。然而，無變壓器不斷電系統(tǒng)既沒有輸入變壓器也沒有輸出變壓器，這些現(xiàn)代不斷電系統(tǒng)的設(shè)計，不需要轉(zhuǎn)換不斷電系統(tǒng)的輸入和輸出電壓即可運轉(zhuǎn)。只是它們的額定電壓僅限於208V，400V或480V，無法符合許多對於600V的應(yīng)用需求。因此，不論設(shè)計人員選擇的不斷電系統(tǒng)是原生600V（無變壓器）或基於變壓器，兩者我們都會考量。
原生 600V 不斷電系統(tǒng)的設(shè)計考量
原生600V 不斷電系統(tǒng)其最直接的優(yōu)勢就是沒有傳統(tǒng)的輸入和輸出變壓器，進而節(jié)省了物理空間、重量和熱能損失，即為效率。然而，與現(xiàn)有的400V和480V機器相比，原生600V的設(shè)計還需要幾項新增的或微調(diào)的子系統(tǒng)。
所有的電力轉(zhuǎn)換器和其他相關(guān)電路，都需要大幅度地重新設(shè)計：
? 需要1800V IGBT晶體管。（與現(xiàn)有的1200V裝置相比，可靠性和開關(guān)速度可能會受到影響）
? 感測裝置和內(nèi)部突波保護器都需調(diào)整為更高電壓
? 濾波電容器需調(diào)整為較高電壓額定，從而影響MTBF（平均故障間隔 - Mean Time Between Failures）失效前的平均時間
? 調(diào)整動力傳動可能會增加耗能，降低系統(tǒng)效率
基於上述原因、特別可能會因降低效率，使得原生600V不斷電系統(tǒng)較不受青睞；相較之下，使用既有的480V 不斷電系統(tǒng)產(chǎn)品，再調(diào)整輸入和輸出變壓器以提供所需的600V輸入和輸出，會比較吸引人。話雖如此，無變壓器設(shè)計的其他好處還是引人注目且令人信服。
以變壓器為基準的600V不斷電系統(tǒng)設(shè)計
以變壓器為基準的不斷電系統(tǒng)產(chǎn)品有兩種選擇。不斷電系統(tǒng)可以使用傳統(tǒng)的隔離變壓器，也可使用更小更輕的自耦變壓器。使用隔離變壓器的不斷電系統(tǒng)時，對於既有480V 不斷電系統(tǒng)的更動調(diào)整最小且可立即生產(chǎn)，不過在效能和效率方面，與無變壓器的機器相比，還是有明顯不足。
因此，較為可行的方式是採用480V的無變壓器不斷電系統(tǒng)，再加上輸入和輸出自耦變壓器以達到所需電壓，而不需承受更大、更重、效率更低的隔離變壓器。自耦變壓器不斷電系統(tǒng)具備無變壓器和以變壓器為基準兩項解決方案的優(yōu)點。
這些優(yōu)點和優(yōu)勢將在後續(xù)各段落中介紹。首先，會比較隔離變壓器和無變壓器，之後再評比隔離和以變壓器為基準的自耦變壓器產(chǎn)品。
無變壓器不斷電系統(tǒng)的發(fā)展概述
無變壓器不斷電系統(tǒng)的設(shè)計迄今已存在二十年，最早採用較低的功率水準。如今，大多數(shù)低於300 kVA的設(shè)計都採用無變壓器，這也表示不斷電系統(tǒng)不包含電源線頻率電磁裝置（變壓器或電感器）。由於電源線的磁性組件為材料和勞力密集，這類無變壓器設(shè)計趨勢內(nèi)涵更高功率水準；另一方面，所需的高頻功率處理則是技術(shù)密集。
一般而言，科技的進步已經(jīng)足夠成熟，能在不犧牲可靠性的情況下幫客戶提供更高的價值。一旦達到這一點，技術(shù)密集型設(shè)計便可成為首選的價值領(lǐng)導(dǎo)者。技術(shù)的進步，也對於開關(guān)模式的電源供應(yīng)（例如伺服器，儲存和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中使用的開關(guān)電源）帶來類似影響。
無變壓器的不斷電系統(tǒng)：持續(xù)成長的趨勢
當超過30 kVA、甚至高達1200 kVA的更高功率水準時，如何在高電壓下快速切換大電流而不會造成高損耗或峰值電壓過高，這才是最大的挑戰(zhàn)。高功率IGBT（絕緣柵雙極電晶體 - Insulated Gate Bipolar Transistor）在過去十年已成熟到可使用10 kHz或更高的轉(zhuǎn)換頻率，且在較高功率水準下也不會犧牲效率。
此外，一些有創(chuàng)意的控制策略還可以進一步降低開關(guān)損耗，讓無變壓器不斷電系統(tǒng)在系統(tǒng)效率方面可優(yōu)於舊款的不斷電系統(tǒng)。
隔離變壓器與無變壓器不斷電系統(tǒng)的比較
特色
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隔離變壓器不斷電系統(tǒng)
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無變壓器不斷電系統(tǒng)
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重量與大小
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?
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通常重量減輕25%，體積減少40%
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效率
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90%至93%
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92%至97%
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節(jié)能模式
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效率較低，轉(zhuǎn)換速度較慢
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效率達99%，轉(zhuǎn)換時間約 2 毫秒
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4線輸出可用性
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可以
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可以
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獨立分開電源
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不支援旁路配置
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不支援電池
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支援 HRG 電源
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可以，但降低 HRG 優(yōu)勢
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可以，HRG 容錯功能保留
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可靠性 (MTBF)
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較低
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較高，因為擁有較少元件
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限制錯誤電流，降低電弧閃光
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良好
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更好，因為偵測更快且獨立（不因為輸出阻抗而變慢）
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發(fā)電機相容性
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需要更大的濾波器、接觸器以及發(fā)電機
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能與大小相近的發(fā)電機相容，並減少原件數(shù)且提高效率同時，不需要12脈衝整流器或輸入濾波器
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了解自耦變壓器在無變壓器不斷電系統(tǒng)中的應(yīng)用
世界各地許多無變壓器不斷電系統(tǒng)都是設(shè)計用於特定工作電壓。為了滿足市場對不同工作電壓的需求，不斷電系統(tǒng)模組的製造商會在原生480V不斷電系統(tǒng)模組上，使用輸入和輸出變壓器，以達到整個系統(tǒng)所需的工作電壓。例如，新的工作電壓如果是600V，由於使用的是經(jīng)過驗證的設(shè)計，且體積增加而降低了零件成本，當自耦變壓器結(jié)合到原生480V 不斷電系統(tǒng)設(shè)計中，則可提高整體系統(tǒng)的可靠性。使用自耦變壓器有助於降低成本和空間面積，同時實現(xiàn)變壓器等不斷電系統(tǒng)模組的最大效率，且不會影響整體系統(tǒng)的電壓需求與設(shè)計。
自耦變壓器（有時稱為自動降壓變壓器）是一種只具有一個繞組的變壓器。「自動（auto）」的前置代號是指作用於自身的單個線圈，而不是任何類型的自動機制。在自耦變壓器中，同一繞組的部分會同時作為變壓器的初級側(cè)和次級側(cè)。 （相反，隔離變壓器具有未連接的單獨的初級繞組和次級繞組）。自耦變壓器繞組具有至少三個分接頭，用於進行電力連接。
由於部分繞組確實具有「雙重用途」，自耦變壓器通常具備比一般雙繞組變壓器更小、更輕也更便宜的優(yōu)點。對於既定的尺寸和質(zhì)量，自耦變壓器的其他優(yōu)點則包括更低漏電抗，更低損耗，更低勵磁電流，更好的輸入功率因數(shù)以及KVA額定值的增加。使用自耦變壓器的不利因素，則包括無法消除三階和更高階諧波，但如果是設(shè)計完善的整流器也能用電子方式消除這些諧波。
具備自耦變壓器的高電阻接地
作為其中一個選項，伊頓無變壓器不斷電系統(tǒng)模組的設(shè)計，具備在電源為高電阻接地（HRG）時仍有承受負載的能力，且要加裝自耦變壓器也毫無困難。客戶無需按照美國NEC250.186法規(guī)將中性線連接到不斷電系統(tǒng)。如果站點使用雙電源，且每個電源都是一個單獨的HRG，則不斷電系統(tǒng)將正常運行；若是如此，仍應(yīng)通知工廠，進行適當拉線。
比較不斷電系統(tǒng)中的自耦變壓器及隔離變壓器
一般情況下，自耦變壓器僅會帶來輕微的效率損失，估計約1%。較大的隔離變壓器設(shè)計通常則會造成2%或更高的效率損失。與隔離變壓器相比，自耦變壓器降低了成本、減小了佔地面積、增加了KVA、降低了總損耗、減少了對整個無變壓器不斷電系統(tǒng)的影響並提高了額定效率，自耦變壓器確實是更適合不斷電系統(tǒng)模組系統(tǒng)電壓轉(zhuǎn)換的變壓器。
自耦變壓器相對於傳統(tǒng)隔離變壓器的優(yōu)勢：
1.體積更小，重量更輕（30%）。
2.降低鐵心和熱量損失（每臺變壓器1%）。
3.改善發(fā)電機介面的輸入功率因數(shù)（.99對0.9）。
4.較低的輸出阻抗，可提供更好的暫態(tài)回應(yīng)和更快的故障檢測與回應(yīng)。
5.無磁化延遲，允許快速轉(zhuǎn)換，這也是伊頓ESS和VMMS等操作模式的特有特色。
自耦變壓器不斷電系統(tǒng)也不盡相同
和以隔離為基準的變壓器的系統(tǒng)相比，自耦變壓器不斷電系統(tǒng)具有許多優(yōu)勢，但兩者又不完全相同。決策者在為任務(wù)關(guān)鍵型的應(yīng)用選擇自耦變壓器不斷電系統(tǒng)時，建議應(yīng)堅持以下特性：
1.體積小，重量輕：自耦變壓器不斷電系統(tǒng)會比以隔離為基準的變壓器產(chǎn)品明顯更小，更輕，且不僅僅是因為未包含笨重的變壓器。 不斷電系統(tǒng)還應(yīng)具有小巧的磁性材料（例如電感器，扼流圈和鐵氧體）以及氣流改善功能，讓散熱器的尺寸和重量最小化，並減少冷卻所需的風(fēng)扇數(shù)量。請注意，除了節(jié)省空間外，這些增強功能也可以提高機組的可靠性。
2.能夠從接地的WYE甚至是HRG源操作：如何正確處理中性線，安裝文件應(yīng)已清楚說明。應(yīng)特別注意上游和下游的故障性能，不斷電系統(tǒng)應(yīng)該能夠提供4線負載，例如208 / 120V和400 / 230V。
3.從高效率到常規(guī)操作模式的過渡時間短：由於自耦變壓器UPS在高效和常規(guī)運行之間轉(zhuǎn)換時無需磁化輸出隔離變壓器，因此自耦變壓器UPS應(yīng)該能在2毫秒左右內(nèi)完成轉(zhuǎn)換。超過10毫秒的轉(zhuǎn)換時間可能會導(dǎo)致下游靜態(tài)交換機或支援的IT設(shè)備本身出現(xiàn)問題。
結(jié)論
無變壓器動力傳動若具備小型輕巧的濾波電感器，採用高性能IGBT（絕緣柵雙極電晶體 - Insulated Gate Bipolar Transistor）的逆變器和整流器，並輔以先進的控制策略，就能帶來更高的性能和價值。和以隔離為基準的變壓器UPS相比，無變壓器的不斷電系統(tǒng)重量通常僅有25%，佔原有空間的60%。滿載效率可以達到95%或更高。憑藉這些新的優(yōu)點，這類技術(shù)密集型設(shè)計已成為首選的不斷電系統(tǒng)架構(gòu)。具備上述特性的無變壓器不斷電系統(tǒng)，是採用自耦變壓器為600V電源提供電壓轉(zhuǎn)換，能讓客戶在滿足目前業(yè)界領(lǐng)先的效率要求並在減少佔地面積時僅增加最小成本。
