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UPS高頻機(jī)與工頻機(jī)技術(shù)與性能之爭(zhēng)中的若干概念問題
- UPS設(shè)備IGBT整流技術(shù)的成熟和無輸出變壓器產(chǎn)品(高頻機(jī))推向市場(chǎng),已經(jīng)歷了20多年,在與傳統(tǒng)雙變換可控整流技術(shù)UPS(工頻機(jī))爭(zhēng)奪市場(chǎng)的漫長過程中,始終存在著技術(shù)和性能的概念之爭(zhēng)。本文總結(jié)了在爭(zhēng)論中出現(xiàn)的,并長期影響市場(chǎng)走向的14個(gè)概念,及其產(chǎn)生和存在的原因。為有力地推動(dòng)性能更*的高頻機(jī)UPS在數(shù)據(jù)中心中的推廣和應(yīng)用,認(rèn)真地分析并對(duì)錯(cuò)誤概念做科學(xué)的探討是非常必要的。
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1 去掉輸出變壓器是UPS電路技術(shù)的進(jìn)步
UPS技術(shù)和產(chǎn)品產(chǎn)生于60年前,60年來,隨著功率半導(dǎo)體器件和電力電子技術(shù)的進(jìn)步,UPS設(shè)備經(jīng)歷了由帶多個(gè)輸出工頻變壓器到單個(gè)輸出工頻變壓器再到去掉輸出變壓器的演變過程,如圖1所示。
性能更好的大功率IGBT器件和更*的控制技術(shù)的出現(xiàn),為UPS設(shè)備從根本去掉輸出隔離變壓器創(chuàng)造了物質(zhì)條件,使其在高頻化、小型化、節(jié)能化和綠色環(huán)?；矫嫒〉昧碎L足的進(jìn)展,這就是人們所說的“高頻機(jī)”。這種機(jī)型集中體現(xiàn)了UPS電路技術(shù)的進(jìn)步,代表著UPS技術(shù)的發(fā)展方向。
高頻機(jī)UPS的性能優(yōu)勢(shì)可概括為以下五個(gè)方面:
①高輸入功率因數(shù),低輸入電流失真度,輸入功率因數(shù)高達(dá)99%,輸入諧波含量小于3%;
②工作效率提高3%,可達(dá)到95%;
③重量輕、體積小,功率密度(kW/m2)比工頻機(jī)提高40%左右;占地面積(m2)比工頻機(jī)減少25%左右,重量比工頻機(jī)減少50%～80%；
④成本低,整機(jī)去掉輸出隔離變壓器、輸入12脈沖移相變壓器、5次或11次無源濾波器;
⑤對(duì)電性能指標(biāo)的改進(jìn),輸入電壓范圍更寬,三相負(fù)載不平衡的適應(yīng)能力強(qiáng),輸出動(dòng)態(tài)性能好。
2 工頻機(jī)UPS輸出變壓器的功能
了解傳統(tǒng)UPS輸出隔離變壓器的功能是非常重要的,因?yàn)橹挥挟?dāng)用電路措施能夠*實(shí)現(xiàn)它的功能時(shí),才有可能在新一代設(shè)備中替代并取消它。
應(yīng)該說,這個(gè)變壓器是工頻機(jī)全橋逆變器不可分離的構(gòu)成部分。
要提示的概念(一)輸出變壓器的功能:升壓和產(chǎn)生三相四線輸出的零線。
(1)輸出變壓器的功能之一是為單相負(fù)載/三相負(fù)載提供所需的零線
帶輸出變壓器的UPS的DC/AC逆變器通常是由全橋電路組成,如圖2所示。輸出端必須加變壓器,否則就完不成輸出單相或三相四線交流電壓的功能。所以此變壓器應(yīng)視為產(chǎn)生輸出零線的變壓器。
(2)輸出變壓器的功能之二是對(duì)輸出電壓的匹配作用
傳統(tǒng)大中型UPS主回路結(jié)構(gòu)采用可控硅整流將輸入的交流電整流為直流電,電池直接(或經(jīng)過DC/DC變換)掛在直流母線上。當(dāng)輸入市電正常時(shí),靠可控硅整流電路的調(diào)節(jié)為橋式逆變器供電。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以看出,從整流輸入到逆變輸出的過程中,每個(gè)環(huán)節(jié)都是降壓環(huán)節(jié):可控硅整流要“斬掉”一部分輸入電壓,其輸出電壓恒定的代價(jià)是輸出電壓恒定在低于全波整流輸出電壓的某個(gè)數(shù)值上。而逆變環(huán)節(jié)同樣是一個(gè)降壓環(huán)節(jié),逆變器采用脈寬調(diào)制(PWM)方法逆變出正弦交流電,其結(jié)果同樣是輸出電壓等級(jí)的再次降低。正是由于上述的原因,在此種結(jié)構(gòu)的UPS逆變器中,輸出變壓器起著電壓匹配和提升的作用,將逆變器輸出的電壓升到合理的范圍。工頻機(jī)輸出變壓器設(shè)計(jì)參數(shù)如圖3所示。
根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]的分析,輸出變壓器的實(shí)際升壓比應(yīng)該是1∶1.8左右。
需要糾正的概念(二)在系統(tǒng)中,工頻機(jī)UPS輸出變壓器沒有隔離功能
在UPS供電系統(tǒng)中,UPS設(shè)備的一個(gè)至關(guān)重要的功能是當(dāng)輸出過載或者UPS逆變器故障時(shí),自動(dòng)轉(zhuǎn)靜態(tài)旁路供電。另外,在系統(tǒng)中還設(shè)置了維護(hù)旁路,當(dāng)UPS需要維護(hù)時(shí)可手動(dòng)轉(zhuǎn)維護(hù)旁路向負(fù)載供電。執(zhí)行這兩個(gè)操作時(shí),都是由旁路輸入三相四線電壓直接向負(fù)載供電,所以系統(tǒng)的零線要與負(fù)載端的零線必須短接在一起。這就決定了帶輸出變壓器的UPS的變壓器次級(jí)新產(chǎn)生的零線也必須連接到輸入電源系統(tǒng)的零線上,如圖4所示。也就是說,UPS機(jī)內(nèi)的變壓器沒有系統(tǒng)隔離的功能。
如果一定賦予輸出變壓器具備系統(tǒng)隔離功能,就需要把變壓器輸出零線(也是UPS三線輸出零線)直接接系統(tǒng)地,如圖5所示。其后果是,系統(tǒng)正常工作時(shí),單相IT負(fù)載工作電流通過系統(tǒng)零線到系統(tǒng)接地極,然后通過系統(tǒng)地線回到輸出變壓器零線,結(jié)果是地線中有*的工作電流流過,系統(tǒng)地電位浮動(dòng),造成的地線壓差比零線二次接地(零線地線并聯(lián))還要大4倍(零線地線串聯(lián)),嚴(yán)重影響IT系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。
實(shí)際上,工頻機(jī)UPS廠商的服務(wù)工程師也深諳此中道理,他們?cè)趯?shí)際安裝時(shí)毫無例外地都是把輸出變壓器(UPS逆變端變壓器)的零線接在系統(tǒng)零線上,所以“工頻機(jī)UPS輸出隔離變壓器有隔離作用”這一概念純屬捏造。
需要糾正的概念(三)工頻機(jī)UPS輸出變壓器在系統(tǒng)中沒有抗干擾功能
由于變壓器的阻抗有一定的感性成分,因而說這個(gè)變壓器具有一定的抗干擾作用是可以理解的。但是逆變器輸出變壓器卻不是為抗干擾而設(shè)置的,它的抗干擾能力也是有限的。
并不是隔離變壓器就能抗干擾,普通線性隔離變壓器的抗干擾能力是有限的。首先,對(duì)于輸入電壓中存在的低頻干擾和電壓畸變,變壓器不可能也不允許“抗干擾”,否則通過變壓器傳輸?shù)碾妷翰ㄐ尉蜁?huì)失真;而對(duì)由地線環(huán)路帶來的設(shè)備間的相互高頻干擾有一定的抑制作用,但因繞組間存在的分布電容,使它對(duì)共模干擾的抑制效果隨干擾頻率的升高而下降。再者,變壓器是靠磁耦合實(shí)現(xiàn)原邊和副邊的電壓變換的,因而它也不具備抗差模干擾的功能。在1kHz～100MHz的干擾頻率范圍內(nèi),普通線性隔離變壓器對(duì)共模和差模干擾的衰減能力都微乎其微。對(duì)普通隔離變壓器的共模抑制能力的分析表明,要提高對(duì)共模干擾的抑制能力,關(guān)鍵是減小變壓器繞組的匝間耦合電容,為此需要在變壓器初、次級(jí)間加設(shè)屏蔽層,而這正是所謂的“超級(jí)隔離變壓器”,如圖6和圖7所示。
圖6中,C1為初級(jí)繞阻與屏蔽層之間的分布電容,C2為次級(jí)繞阻與屏蔽層之間的分布電容,Z1為屏蔽層接地阻抗,Z2為負(fù)載的對(duì)地阻抗,E1為初級(jí)干擾(共模型)電壓,E2為E1通過耦合傳導(dǎo)到次級(jí)的干擾(共模型)電壓。如果C1和C2的阻抗遠(yuǎn)大于屏蔽層接地阻抗,則偶合傳導(dǎo)到次級(jí)的干擾電壓E2就會(huì)遠(yuǎn)小于E1。
超級(jí)屏蔽隔離變壓器有3屏蔽層,靠近初級(jí)繞阻的屏蔽層連接在初級(jí)中性線上,可以濾掉初級(jí)出現(xiàn)的高頻差模干擾。而對(duì)50Hz的工頻電壓則不產(chǎn)生任何影響,靠近次級(jí)繞阻的屏蔽層連接在次級(jí)中性線上,可以濾掉次級(jí)出現(xiàn)的高頻差模干擾。中間屏蔽層則與變壓器外殼連在一起,再接大地,主要用來濾掉共模干擾。
需要糾正的概念(四)工頻機(jī)UPS輸出變壓器不具備也不允許有耐負(fù)載電流沖擊的能力
一種說法是,工頻機(jī)UPS輸出變壓器有抗負(fù)載電流沖擊的能力。我們姑且不說一個(gè)線性變壓器具有抗負(fù)載沖擊能力是否有理論根據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),而僅就UPS輸出變壓器供電的負(fù)載性質(zhì)而言,也不允許它具備這種能力。UPS輸出變壓器是直接對(duì)IT設(shè)備供電的,IT負(fù)載的沖擊有兩種,一是設(shè)備開機(jī)時(shí)的啟動(dòng)電流,二是系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)設(shè)備投入運(yùn)行的動(dòng)態(tài)電流。特別是正常運(yùn)行時(shí)設(shè)備投入運(yùn)行的動(dòng)態(tài)變化電流,是不允許“抗”和“抑制”的,如果IT設(shè)備投入運(yùn)行時(shí),輸入電流有40%的突然增加,為其供電的電源UPS就必須瞬間給出,否則就會(huì)影響IT設(shè)備的正常運(yùn)行。
變壓器并不儲(chǔ)備能量,負(fù)載的任何沖擊都會(huì)傳遞到逆變器主電路,UPS輸出可緩解負(fù)載電流沖擊對(duì)逆變電路影響的器件是可儲(chǔ)能并可瞬間給出變化電流的電容,而非輸出變壓器。
3 輸入無源濾波器嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)中心備用油機(jī)的啟動(dòng)和運(yùn)行
現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心對(duì)供電系統(tǒng)的基本要求是供電的連續(xù)性,而要保證連續(xù)供電,就必須配備可連續(xù)運(yùn)行的備用柴油發(fā)電機(jī)。如果數(shù)據(jù)中心配置了工頻機(jī)UPS,市電掉電后,會(huì)經(jīng)常發(fā)生柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)后投入運(yùn)行失敗的問題。根本原因在于,柴油發(fā)電機(jī)帶容性負(fù)載的能力很差,而工頻機(jī)UPS輸入無源濾波器在市電掉電后表現(xiàn)出*的容性特性。
要強(qiáng)調(diào)的概念(五)容性負(fù)載對(duì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行的不利影響
在數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)中,柴油發(fā)電機(jī)是否能正常運(yùn)行,主要取決于其輸出阻抗是否與負(fù)載匹配。
發(fā)電機(jī)依靠電壓調(diào)節(jié)器控制輸出電壓。電壓調(diào)節(jié)器檢測(cè)三相輸出電壓,以其平均值與設(shè)定的電壓值相比較。調(diào)節(jié)器從發(fā)電機(jī)內(nèi)部的輔助電源取得能量,通常是與主發(fā)電機(jī)同軸的小發(fā)電機(jī),傳送DC電源給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)激勵(lì)線圈。線圈電流上升或下降,控制發(fā)電機(jī)定子線圈的磁場(chǎng)(或稱為電動(dòng)勢(shì)EMF)的大小。
圖8所示為發(fā)電機(jī)輸出等效電路,圖8(a)為帶純感性負(fù)載的簡化示意圖。圖8(b)為帶純?nèi)菪载?fù)載的簡化示意圖。
在圖8(a)中:
-電動(dòng)勢(shì);
-發(fā)電機(jī)內(nèi)阻,包括感性和阻性成分;
感性負(fù)載電流;
-發(fā)動(dòng)機(jī)輸出電壓。
內(nèi)阻包括感性和阻性部分。因?yàn)榧僭O(shè)負(fù)載是純感性的,在相量圖中電流
滯后電壓
正好90°電相位角。如果負(fù)載是純阻性的,和的矢量圖曲線將重合(或同相)。實(shí)際上多數(shù)負(fù)載介于阻性和感性之間。
電流通過定子線圈引起的電壓降用電壓矢量×表示。它實(shí)際上是與同相的電阻壓降和超前90°的電感壓降的矢量和,因?yàn)殡妱?dòng)勢(shì)必須等于發(fā)電機(jī)內(nèi)阻的電壓降和輸出電壓之和,則
電壓調(diào)節(jié)器改變,可以有效地控制輸出電壓。
圖8(b)中,用純?nèi)菪载?fù)載代替純感性負(fù)載,在這種情況下,輸出電流方向正好和感性負(fù)載時(shí)的相反。電流超前電壓正好90°的相位角,內(nèi)阻電壓降矢量×的方向也相反。則和×的矢量和
。
討論了油機(jī)的輸出特性后,再看看UPS在市電掉電后的工作狀態(tài),如圖9所示。
此時(shí)UPS的工作狀態(tài)是:市電掉電后,電池通過DC/AC逆變向負(fù)載供電,輸入端AC/DC控制關(guān)斷,UPS輸入斷路器并未關(guān)斷,此時(shí)油機(jī)啟動(dòng)正常后經(jīng)ATS轉(zhuǎn)換面對(duì)的負(fù)載是UPS無源濾波器。待油機(jī)啟動(dòng)切換成功后,UPS檢測(cè)到輸入電壓正常后才轉(zhuǎn)到市電供電狀態(tài)。
要提示的概念(六)油機(jī)啟動(dòng)后切換時(shí)面臨的是空載UPS
要糾正的概念(七)油機(jī)啟動(dòng)切換后的負(fù)載與UPS是否緩啟動(dòng)無關(guān)
一種說法是,UPS輸入可以緩啟動(dòng),這樣可減輕對(duì)油機(jī)啟動(dòng)加載的壓力,顯然這種情況是不存在的。
要糾正的概念(八)UPS啟動(dòng)切換是否成功與UPS的輸入功率因數(shù)和諧波含量無關(guān)
一種說法是,工頻機(jī)輸入功率因數(shù)*符合標(biāo)準(zhǔn)要求,輸入功率因數(shù)可達(dá)0.95,諧波小于10%,不會(huì)對(duì)油機(jī)啟動(dòng)和切換產(chǎn)生影響。這種說法是沒有意義的,實(shí)際情況是,此時(shí)UPS主機(jī)輸入不產(chǎn)生任何諧波,油機(jī)啟動(dòng)和切換與UPS輸入功率因數(shù)和諧波沒有任何關(guān)系。
要明確的概念(九)在UPS輸入空載情況下,無源濾波器呈現(xiàn)純?nèi)菪宰杩?/strong>
*,工頻機(jī)UPS輸入無源濾波器的濾波效果隨著輸出負(fù)載的減小而變差,當(dāng)負(fù)載為零時(shí),無源濾波器會(huì)呈現(xiàn)由電容量決定的純?nèi)菪蕴匦?所以,市電掉電油機(jī)啟動(dòng)后,將面臨純?nèi)菪载?fù)載切換。
要明確的概念(十)
在UPS1+1冗余系統(tǒng)中,負(fù)載的容量是一臺(tái)UPS額定容量,而無源濾波器相對(duì)發(fā)電機(jī)確(卻)是兩臺(tái)相加的
在1+1冗余系統(tǒng)中,或2N供電系統(tǒng)中,負(fù)載的容量是一臺(tái)UPS額定容量的容量,而油機(jī)啟動(dòng)切換時(shí)的負(fù)載卻是兩臺(tái)額定容量UPS的容性無源濾波器,而且UPS冗余度越高,例如2(N+)系統(tǒng),對(duì)油機(jī)啟動(dòng)切換的壓力越大。
需要提示的概念(十一)
為了保證數(shù)據(jù)中心備用柴油發(fā)電機(jī)能夠正常啟動(dòng)切換,當(dāng)配置工頻機(jī)UPS時(shí),就需要大幅度增大油機(jī)容量。這里涉及到高頻機(jī)與工頻機(jī)對(duì)油機(jī)容量配置的影響。
表1和表2分別列出的是油機(jī)只帶UPS系統(tǒng)和油機(jī)為整個(gè)數(shù)據(jù)中心供電時(shí),針對(duì)工頻機(jī)和高頻機(jī)兩種情況的油機(jī)容量與負(fù)載容量配置的比較。
從表中數(shù)據(jù)可以看出,由于高頻機(jī)輸入功率因數(shù)高,不需要配置無源濾波器,當(dāng)系統(tǒng)需要配置柴油發(fā)電機(jī)時(shí),發(fā)電機(jī)容量與負(fù)載的容量比,只為UPS供電為1.3倍,為整個(gè)數(shù)據(jù)中心供電為大于或等于系統(tǒng)總用電量,特別是,這個(gè)配比與UPS是否冗余無關(guān)。
當(dāng)配置工頻機(jī)UPS時(shí),需要的油機(jī)容量顯然大很多,只為UPS供電為2～4倍,為整個(gè)數(shù)據(jù)中心供電為大于或等于1.5～2倍系統(tǒng)總用電量,特別需要強(qiáng)調(diào)的是,油機(jī)容量與UPS是否冗余有直接關(guān)系,在UPS冗余配置時(shí),只為UPS供電為3～5倍,為整個(gè)數(shù)據(jù)中心供電為大于或等于2倍系統(tǒng)總用電量。
當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)為由工頻機(jī)UPS供電的數(shù)據(jù)中心供電時(shí),油機(jī)容量要大幅增加,即便如此,市電掉電時(shí)油機(jī)是否能正常啟動(dòng),仍是一個(gè)不確定的因素。
4 工頻機(jī)UPS輸入無源濾波器嚴(yán)重的污染地線系統(tǒng)
要提示的概念(十二)無源濾波器把工頻機(jī)主機(jī)產(chǎn)生的諧波濾到哪去了?
工頻機(jī)的輸入功率因數(shù)和輸入諧波含量通常以是否符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來衡量,只要符合標(biāo)準(zhǔn),就認(rèn)為沒有問題,但是,從來沒有人關(guān)心UPS主機(jī)產(chǎn)生的諧波濾到哪里去了?圖10揭示了這個(gè)隱秘。
UPS輸入的電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)是為電網(wǎng)定的,室外環(huán)境保護(hù)要求住戶不能把垃圾倒在門外,那么就只好在自家處理了。無源濾波器把工頻機(jī)UPS自己產(chǎn)生的諧波絕大都分都導(dǎo)入到系統(tǒng)地線中了,于是在地線中就存在周期性的常態(tài)電流。地線也是要傳輸電流的,當(dāng)?shù)鼐€中存在工頻UPS配置的無源濾波器導(dǎo)入的諧波電流時(shí),地線也會(huì)出現(xiàn)同樣波形的地電位變化,且這種變化是周期性的、常規(guī)的,波動(dòng)幅度與地線阻抗和負(fù)載大小(濾波效果不同)有關(guān),在一個(gè)由多臺(tái)工頻機(jī)UPS供電的大系統(tǒng)中,就會(huì)出現(xiàn)局部地電位的差別,也就是說,整個(gè)系統(tǒng)無法保證地線等電位。
需要提示的概念(十三)系統(tǒng)地電位差是造成IT系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)定主要原因之一
在數(shù)據(jù)中心IT系統(tǒng)中,通過數(shù)據(jù)線互聯(lián)的設(shè)備運(yùn)行時(shí),為了使數(shù)據(jù)線有公共參考電壓,任何一個(gè)互聯(lián)的元件都有兩條線:一根連接設(shè)備的數(shù)據(jù)線,另一根連接設(shè)備的安全接地線。這種情形稱作“地線環(huán)”,下面說明“地線環(huán)”將使互聯(lián)設(shè)備的公共參考電壓產(chǎn)生壓差,會(huì)對(duì)硬件造成損壞。實(shí)際上,系統(tǒng)間地線噪聲和共模噪聲不是一回事,共模噪聲指的是電源相線、零線與地線之間的噪聲。
而系統(tǒng)間地線噪聲指的是互聯(lián)設(shè)備機(jī)地線之間的噪聲。電源保護(hù)設(shè)備可以減少共模噪聲卻不能減少系統(tǒng)間地線噪聲。
圖11簡單地示出了一個(gè)理想的互聯(lián)設(shè)備流程圖。圖中所有互聯(lián)設(shè)備的地線共一個(gè)地,以便這些設(shè)備有一個(gè)相同的參考電壓。地線中沒有電流流過,并不受電磁埸的干擾。這樣地線上就不會(huì)有壓降,所有點(diǎn)的地壓值都一樣,因而地線系統(tǒng)上就不存在系統(tǒng)內(nèi)部地線噪聲。
圖12表明互聯(lián)產(chǎn)生了系統(tǒng)間地線噪聲。圖中標(biāo)示出變化的地線噪聲電壓,它引起了兩互聯(lián)設(shè)備數(shù)據(jù)線中的地線電流。這個(gè)惱人的地線噪聲是由于其它設(shè)備的噪聲電流(當(dāng)然這里指由無源濾波器導(dǎo)入的工頻機(jī)UPS輸入諧波電流)流入了地線系統(tǒng)而造成的。
后果是,該噪聲電流產(chǎn)生了噪聲電壓,使各互聯(lián)設(shè)備的參考電壓不一致,會(huì)使數(shù)據(jù)的傳輸受影響。
如果互聯(lián)設(shè)備公共電壓參考點(diǎn)間產(chǎn)生壓差達(dá)到某一數(shù)據(jù)線安全電壓閥值,就可能造成設(shè)備接口和CPU主板的損壞,還會(huì)使數(shù)據(jù)電纜線發(fā)熱。
5 關(guān)于市場(chǎng)需求
需要提示的概念(十四)看市場(chǎng)需求時(shí),主要看市場(chǎng)走向
傳統(tǒng)工頻機(jī)UPS**市場(chǎng)已經(jīng)50年,20年前高頻機(jī)推向市場(chǎng)時(shí),*是從0開始的,發(fā)展到今天,在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域,高頻機(jī)*已經(jīng)上升到超過80%。
6 結(jié)束語
①衡量一種技術(shù)和一個(gè)產(chǎn)品優(yōu)劣的兩個(gè)方面
、產(chǎn)品技術(shù)本身的*性和產(chǎn)品性能優(yōu)勢(shì)(指標(biāo),節(jié)約用銅);
第二、針對(duì)特定客戶的市場(chǎng)需求,沒有的產(chǎn)品,只有更優(yōu)的方案。
②高頻機(jī)UPS的性能全面高于工頻機(jī)UPS
③現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心的連續(xù)性(剛性)要求,使工頻機(jī)不再適用現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心