陈冀生1张广明2
　　
　　(1.先控捷联电源设备有限公司,石家庄050035)
　　
　　(2.中国电源学会专家委员会,天津300111)
　　
　　摘要:在数据中心中,供电系统是基础设施最重要的子系统之一,文中将针对现代数据中心供电系统规划设计要求、数据中心供电系统存在的问题和设计理念的变化、数据中心供电系统方案的选择、对UPS设备性能指标的重新认识、系统模块化与模块化UPS、高频机型UPS将成为现代数据中心UPS设备的首选机型、直流输出DC-UPS系统的研究和应用前景、数据中心备用能源的配置、数据中心供电系统的节能设计、供配电系统设备的布局设计与安装等问题,分专题进行系统的介绍和讨论。
　　值得注意的是,通常单相负载的输入电压要求有一根零线,而且这根零线在系统中(系统输入变压器的输出端)是要接大地的,显然,如果把图5.2单相电路中的A或者B任一点做输出零线接地,都会使输入电压通过导通的半导体功率器件对地线短路而立即烧毁逆变器。但是,在A和B两端接输出隔离变压器,并通过隔离变压器向负载供电,则变压器次级的两个输出端都可做为零线输出。

　　
　　这里不仅需要输出隔离变压器产生零线,为了UPS转旁路时也能正常供电,输出变压器产生的零线还必须与系统输入的零线连接在一起。
　　
　　②输出变压器的功能之二是对输出电压的匹配作用
　　
　　传统大中型UPS主回路结构采用晶闸管整流将输入的交流电整流为直流电,电池直接(或经过DC/DC变换)挂在直流母线上。当输入市电正常时,靠晶闸管整流电路的调节为桥式逆变器供电。从系统结构可以看出,从整流输入到逆变输出的过程中,每个环节都是降压环节:晶闸管整流要“斩掉”一部分输入电压,其输出电压恒定的代价是输出电压恒定在低于全波整流输出电压的某个数值上。而逆变环节同样是一个降压环节,逆变器采用脉宽调制(PWM)方法逆变出正弦交流电,其结果同样是输出电压等级的再次降低。正是由于上述的原因,在此种结构的UPS逆变器中,输出变压器起着电压匹配和提升的作用,将逆变器输出的电压升到合理的输出范围。

　　
　　在实际应用中,输出变压器通常采用图5.4的接法,变压器初级是三角型,如果不考虑该隔离变压器有升降压的作用,当三个初级线圈
　　
　　的电压都是380V时,次级是星型,三个次级线圈的电压都是220V,那么初次级线圈的匝比应该是:N1:N2=380/220=1:0.578。此时要求变压器原边的峰值电压应该是:220V×1.414×1.732=538.8V
　　
　　考虑到逆变器PWM工作方式,为逆变器供电的直流电压要高于变压器原边的峰值电压,最小极限值通常取变压器原边峰值电压的1.2倍以上,即
　　
　　538.8V×1.2=646.56V
　　
　　但是,当考虑输入电压下降10%时,输入三相线电压全波整流的最高直流电压的理论值是380V×1.414×0.9=483V
　　
　　实际上考虑到AC/DC转换过程的降压因素,大中型UPS的电池(直接跨接在直流母线上)通常配置32～34节,额定电压为384V～408V,浮充电压(即AC/DC变换后的直流母线电压)为432V～459V,电池放电下限电压为340V～362V。
　　
　　UPS直流母线电压的下限值(340V～362V)与输出电压要求的变压器原边的峰值电压(646.56V)之间的差别就应该由输出变压器采用升压方法来解决,所以,输出变压器的升压比应该是:646.56V/(340V～362V),即1.9～1.78。
　　
　　也就是说,输出变压器的实际升压比应该是:1:1.9～1:1.78。
　　
　　(2)输出变压器是隔离变压器,但在系统中没有隔离功能
　　
　　在UPS供电系统中,UPS设备的一个至关重要的功能是当输出过载或者UPS逆变器故障时,自动转为静态旁路供电。另外,在系统中还设置了维护旁路,当UPS需要维护时可手动转维护旁路向负载供电。执行这两个操作时,都是由旁路输入三相四线电压直接向负载供电,所以系统的零线要与负载端的零线必须短接在一起。这就决定了带输出变压器的UPS的变压器次级新产生的零线必须连接到输入电源系统的零线上,如图5.5所示。也就是说,UPS机内的变压器没有系统隔离的功能。当系统需要UPS有隔离功能时,必须额外配置隔离变压器。

　　
　　隔离变压器的配置方法有两种:第一种方法:在旁路输入端配置与UPS同功率的隔离变压器,这样UPS内置的输出变压器的输出零线和旁路隔离变压器输出零线都可以接在系统地线上(重新组成接地系统),这就实现了UPS输出与供电系统的真正隔离。第二种方法:把变压器配置在UPS的输出端,此方法可使UPS供电系统与负载做到理想的、完全的电气隔离,特别是当UPS供电系统在物理位置上与负载距离较长时,可把变压器放在接近负载端,例如一些大型数据中心,在负载列头柜输入端加装隔离变压器。

(未完待续)

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