工頻機(jī)全橋逆變器UPS輸出變壓器的功能

　　一、問題的提出

　　UPS已朝高頻化發(fā) 展，因為高頻化結(jié)構(gòu)的UPS具有很多優(yōu)點，比如它比目前所謂工頻機(jī)結(jié)構(gòu)UPS的效率高、體積小、輸入功率因數(shù)高、允許輸入電壓變化范圍大、不需要輸出隔離 變壓器和價格低等，是當(dāng)前信息中心機(jī)房節(jié)能高效的理想選擇。但由于高頻機(jī)結(jié)構(gòu)UPS相對于工頻機(jī)UPS而言，制造困難，對制造工藝、生產(chǎn)手段要求較高，一 般手工方式很難實現(xiàn)規(guī)?；鸵恢滦?。因此，也就推遲了工頻機(jī)UPS的“退休”時間，再加之工頻機(jī)UPS不論對一般生產(chǎn)者還是一些用戶而言都有些戀戀不舍。 以手工為主要生產(chǎn)方式的廠家一時還很難上規(guī)模，再加之這兩方面?zhèn)€別的也存在一些誤解，使工頻機(jī)UPS不能順利代之以高頻機(jī)UPS。比如對輸出隔離變壓器的 誤解就是一個例子。由于高頻機(jī)結(jié)構(gòu)UPS取消了用漆包線繞在矽鋼片鐵心上這種方式的隔離變壓器，而工頻機(jī)UPS就沒取消，反而成了工頻機(jī)結(jié)構(gòu)UPS的優(yōu) 點。這就引出了好多不能取消這個變壓器的說法，比如說這個變壓器：

　　* 可以在逆變器故障時切斷直流電壓到負(fù)載的通路，防止負(fù)載損壞，

　　* 可以抗干擾，

　　* 可以緩沖負(fù)載端的短路和突然變化，

　　* 可以提高UPS的可靠性，

　　* 可以耐電網(wǎng)電壓的大范圍變化，

　　等等。將它的作用說得神乎其神，幾十年都沒發(fā)現(xiàn)的這些變壓器“特點”在即將被淘汰時突然被發(fā)掘出來了。實際的情況如何呢?在這里不妨將這些所謂特點逐條加以討論。

　　二、工頻機(jī)結(jié)構(gòu)全橋逆變器UPS輸出變壓器的必要性

　　1.工頻機(jī)UPS輸出變壓器的功能

　　在上個世紀(jì)七十年代，由于半導(dǎo)體器件的水平和品種所限，比如通流能力小和耐壓能力差，不得不在輸入端加一個降壓變壓器，經(jīng)逆變器后再把電壓升上去，如圖1所示。所以

　　圖1 工頻機(jī)UPS電原理方框圖

　　這種早期的工頻機(jī)UPS輸入端是降壓變壓器，輸出端是升壓變壓器;另一個特點是輸入整流器和后面的逆變器都工作在工業(yè)頻率，即50Hz(或60Hz)。 在一些中小功率UPS中，輸入整流器和充電器是分開的。這主要是因為在這些UPS中的輸入整流器都是采用的沒有任何調(diào)整能力的整流二極管，而電池電壓的電 平必須是穩(wěn)定的，需要嚴(yán)格控制的，所以一般需另設(shè)具穩(wěn)壓功能的充電器電路，如圖2所示。在小功率中，早期的充電器一般用一個穩(wěn)壓塊，到后來才采用了PWM 開關(guān)電源，提高了充電速度和充電效率。由于中小功率UPS中采用的電池電壓很低，所以輸出還要加升壓變壓器。后來由于器件的發(fā)展才取消了輸入降壓變壓器， 成了今天的樣子。

　　到底工頻機(jī)UPS的輸出變壓器還有多少功能?沒有它行不行?是工頻機(jī)產(chǎn)品不可缺少的部分還是專門為了實現(xiàn)上面所宣傳的優(yōu)越功能而專門加上去的呢?只有搞清楚這個問題才可以談它是否優(yōu)越的問題。

　　圖2 中小功率UPS的一般電路原理結(jié)構(gòu)圖

　　(1)工頻機(jī)輸出隔離變壓器的第一作用---產(chǎn)生隔離接地點

　　圖3給出了一個單相UPS的主電路圖，它的輸出端不接地，輸入電壓正半波(L為正壓)的情況。此時的電路中無變壓器，逆變器輸出與輸入端的電壓同步鎖 相，鎖相的含義是:全橋逆變器幾個功率管的導(dǎo)通情況是根據(jù)輸入電壓的相位要求而決定的，如3所示的淺色二極管和IGBT是在電壓正半波(L為正壓)的情況 下電流的經(jīng)過路徑。這時的電流路徑是：

　　L+→VD2→VT2→R→VT3→VD3→N-

　　圖3 UPS負(fù)載端不接地時L為正壓情況下電流的流動路徑

　　從路徑上可以看出，電流在形成一個回路的流動中經(jīng)過了兩個整流器二極管和兩個逆變器IGBT。此時UPS的工作是正常的。

　　當(dāng)輸入電壓為負(fù)半波時的情況也一樣，不過在負(fù)半波時電流流過的是另外兩只整流器二極管和逆變器的IGBT。

　　在此情況下供電是沒有問題的，不過這時輸出的是不接地的懸空電壓，如果負(fù)載機(jī)器沒有輸入接地的要求，一切均無問題。然而偏偏有一些電子設(shè)備要求其 輸入電壓(UPS的輸出電壓)零點接地，不接地就不給用戶開機(jī)。這樣一來使得原來懸空電壓的一端必須接地。要知道，在我國的用電制度中，變電站將11kV 的高壓經(jīng)?-Y變壓器變成低壓(3X389V/220V)后，當(dāng)即就把次級繞組Y的中點接地，然后再由這一點引出兩條線：一條中線N和一條地線E，如圖4 所示。

　　圖4 零線和地線連接的情況

　　因此，在UPS輸出端有一點接地也就和輸入端電壓的零線接到了一起，如圖5中粗灰線所示。如果還是按照圖3假設(shè)的條件，即輸出電壓和輸入電壓同步鎖相， 在輸入為正半波時，如圖5(a)所示，雖然逆變器功率管的導(dǎo)通和整流器二極管都按照輸入的要求開通，但由于如圖示的短路中線電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電路內(nèi)幾個功率管 和導(dǎo)線的電阻，所以電流在流過

　　(a) UPS負(fù)載端接地時L為正壓情況下電流的流動路徑

　　(b) UPS負(fù)載端接地時L為負(fù)壓情況下電流的流動路徑

　　圖5 UPS負(fù)載端接地時電流的流動路徑

　　負(fù)載以后再也不經(jīng)過VT3和VD3，而是經(jīng)短路線B N直接回到負(fù)端N。這樣一來，電流就只經(jīng)過了兩只管子：一只整流二極管和一只逆變管IGBT，即規(guī)定的路線沒走完。圖5(b)示出了UPS負(fù)載端接地時L 為負(fù)壓情況下電流的流動路徑，也同樣少經(jīng)過兩只管子。這會出現(xiàn)什么問題呢?假如一個人到正規(guī)商店買東西，要分幾步走：選貨、開票、交款、取貨。如果是少了 兩個步驟，比如只選貨和交款肯定不行，不開票就無法交款，結(jié)果什么也買不到東西;如果只進(jìn)行交款和取貨，這不是正規(guī)商店的做法，也不行?？傊僖粋€步驟 也買不回東西。UPS也一樣，少一個步驟就是電路失去了原來的功能，使負(fù)載得不到應(yīng)得的潔凈的和穩(wěn)定的輸入電壓，UPS反而成了累贅。這還是樂觀的情況， 因為輸入輸出同步，不會出大問題。但在實際應(yīng)用中就不這么幸運了，幾乎100%的UPS在啟動瞬間都不是同步的，必需要經(jīng)過一段時間的跟蹤才能達(dá)到同步的 目的。

　　以上是理想的同步情況，實際上啟動的時機(jī)幾乎都不是同步的，幾乎在100%的場合都是爆炸。為什么會爆炸呢?這是因為在電源起動 瞬間，功率管的開通順序幾乎都不是按照設(shè)定的順序工作，這時的開通順序是隨機(jī)的，如圖6所示，不但不同步還不同相位，幾乎100%情況下的功率管導(dǎo)通是圖 6(a)的樣子，即當(dāng)N為正L為負(fù)時電流的路徑應(yīng)該是：

　　N→VD1→VT2→R→VT3→VD4→L

　　(a) 輸出與輸入不同步時的電流路徑

　　(b)輸出與輸入不同步時電流路徑的等效電路

　　圖6 UPS負(fù)載端接地而輸出又和輸入不同步的情況

　　但由于接地線的加入改變了電流的路徑：電流由N出發(fā)就直接到了負(fù)載R的下端，又由于逆變器功率管VT3的開啟，使電流不能經(jīng)過負(fù)載R，而是直接經(jīng)過 整流管VD4回到L。這樣一來，電流沒有經(jīng)過任何負(fù)載，兩個管子的導(dǎo)通形成短路狀態(tài)，如圖6(b)的等效電路所示，即使管子的內(nèi)阻和導(dǎo)線電阻不為零，但已 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1?，而且管子的功率越大則內(nèi)阻也越小，加粗后的導(dǎo)線電阻也越小。比如一臺1kVA的UPS，逆變器的效率為90%，即消耗100W，取五倍的功 率管，即500W/50A，設(shè)短路電阻為0.1?(實際上比這個值小得多)，這時的短路電流就是2200A，強(qiáng)大的電流在管子的PN結(jié)上會產(chǎn)生強(qiáng)烈的焦耳 熱量，一方面會使截面積不相稱的引線起火甚至燒斷，一方面在PN結(jié)上的劇烈高度焦耳熱也會使管子像炸彈那樣炸裂。在上個世紀(jì)90年代由某公司進(jìn)口品牌為 Vlctron的小功率UPS，由于沒有輸出隔離變壓器，在用戶輸入端接地時幾乎都形成爆炸。后來不得不外加輸出變壓器BT，這才保證了正常使用，如圖7 所示，這時的電流路徑是：

　　L+→VD2→VT2→BT初級繞組→VT3→VD3→N-

　　恢復(fù)了無地線時的狀態(tài)。原來的負(fù)載R換成了變壓器初級繞組，這時的初級繞組就是負(fù)載R。不過是換了一種吸取功率的方式。換言之，變壓器就是一個具有物理 隔離性的、不失真?zhèn)鬟f電功率的中間環(huán)節(jié)。這樣一來，在變壓器的次級繞組端就可以連接接地線了，如圖7所示。當(dāng)然，在有的供電環(huán)境下零地線之間的電壓過高， 使用戶感到不安，此時也可將此變壓器的次級繞組接地。

　　圖7 全橋變換器輸出加隔離變壓器的情況

　　(2)工頻機(jī)輸出隔離變壓器的第二作用——變壓

　　在一般小功率UPS中，為了節(jié)省成本，一般用的電池電壓不高，圖8就是一個電池電壓用60V的例子，當(dāng)然常用的電池電壓規(guī)格很 多，24V，36V，48V，192V，240V，等等。對于單相UPS來說輸出電壓有效值多為220V，分正負(fù)半波，半波的峰值是有效值的1.414 倍，即220VX1.414=310V，正負(fù)半波的峰峰值就是620V，如圖8所示。由60V到620 V有10倍之差，不用變壓器是無法實現(xiàn)的，所以這個輸出變壓器的第二功能是變壓。

　　圖8 3-25 變壓器的升壓作用原理圖

　　所以UPS輸出變壓器的功能就是兩個：產(chǎn)生隔離接地點和變壓。

　　2.UPS變壓器不具備抗(抑制)干擾和緩沖短路的功能

　　那么，上述變壓器是否有抗干擾的功能呢?回答是否定的，而且也不允許其抗干擾。這里所謂的干擾只能來自負(fù)載，UPS的逆變器是不產(chǎn)生干擾的。負(fù)載對電壓 源的要求是：輸出端動態(tài)性能一定要好，即動態(tài)內(nèi)阻一定要小，這樣電源的輸出才能適應(yīng)負(fù)載的變化，不允許有慣性。只有慣性環(huán)節(jié)才有抗干擾能力，變壓器不是電 抗器，在正常工作時是線性的，不失真地傳遞信號，所以不具備抗干擾能力。那么從結(jié)構(gòu)原理上又如何解釋呢?圖9示出了這種變壓器的結(jié)構(gòu)原理圖。從圖9(a) 的變壓器原理圖可以看出，普通電源變壓器都有初級和次級，而且都是一層層用漆包線繞成的，如圖9(b)的變壓器結(jié)構(gòu)剖面圖所示。就是說，變壓器是由繞在鐵 芯上的一層層銅漆包線構(gòu)成，初級和次級也是這樣，兩層漆包線之間都墊有絕緣層，這樣一來，每層繞組就構(gòu)成一個導(dǎo)體平板，兩層繞組之間就構(gòu)成了一個平板電容 器，進(jìn)而在初次級繞組之間就形成了一個等效電容器C，如圖9(b)所示。在初次級繞組之間也就形成了一個容抗XC，其數(shù)值的大小為：

　　(a)變壓器原理圖 (b)變壓器結(jié)構(gòu)剖面圖

　　圖9 變壓器結(jié)構(gòu)原理圖

　　式中：Xc是等效電容的容抗，單位是歐姆(

　　C是等效電容的容量，單位是法拉(F)

　　f是干擾信號頻率，單位是赫茲(Hz)

　　從式(1)中可以看出，電容的容抗和干擾信號的頻率成反比，而一般干擾信號的頻率很高，可以從幾千赫茲到幾十兆赫茲，尤其是各種形式的噪聲、尖峰等。但 這些干擾到來時可以很順利地由初級通過電容C傳到次級。但浪涌到來時，由于其能量很大且頻率很低(可以到數(shù)個工頻周波)，這時候變壓器就可以按照固有的變 比將其傳導(dǎo)過去。

　　有人說這個變壓器可以緩沖負(fù)載的短路，這也是沒有根據(jù)的。因為變壓器不是智能環(huán)節(jié)，根本無法判斷負(fù)載是短路還是短期的大負(fù)荷工作。圖10給出了 IEC發(fā)布的PC機(jī)典型工作電流波形，從圖10(a)中可以看出，當(dāng)機(jī)房中所有設(shè)備正常工作時，它們向UPS索取的最大電流值是分散的，所以從電源的電表 上看負(fù)載不大，比如平時的負(fù)載也就是60%左右，但有時也會切換到旁路上去，有時是幾秒鐘，有時是幾分鐘。UPS所以會轉(zhuǎn)旁路，在正常情況下是因為過載， 但過載時間超過設(shè)定值時就會轉(zhuǎn)旁路，過載消失后又切換回來。這是什么原因呢?從圖10(b)可以看出，但機(jī)房中所有或大部分計算機(jī)正巧在某一刻都工作在最 大電流值時，負(fù)載量會變得很大。比如原來每臺負(fù)載的最大電流峰值是100A，正常時由于分散，負(fù)載變得很平和;一旦同步取最大值時比如500A，如果時間 超過UPS允許的界限就會轉(zhuǎn)旁路。假如變壓器可以抗干擾和緩沖負(fù)載的突然變化，試問此時應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是干擾給抗掉呢還是當(dāng)成短路給緩沖呢?要知道低于單機(jī)電流 峰值的的干擾由于被負(fù)載淹沒是不需要抑

　　圖10 設(shè)備系統(tǒng)不同工作狀況下的UPS的負(fù)載情況

　　制的，只有抑制那些高于峰值電流的干擾才有意義?，F(xiàn)在圖10(b)的電流峰值數(shù)倍于平時，不論是被變壓器緩沖還是抑制都會造成用電系統(tǒng)的停機(jī)!這樣的電源還有人敢用嗎!實際上變壓器一不能分辨干擾，也不能分辨短路，更沒有所謂“緩沖”和“抑制”的功能。

　　例：北京某電子公司機(jī)房采用了150kVAX5臺帶有輸出變壓器的工頻機(jī)UPS，構(gòu)成了4+1冗余系統(tǒng)。一天外電網(wǎng)停電，UPS工作在電池模式，此時突 然有人合上了輸出端300kVA的變壓器，負(fù)載變壓器瞬間的短路啟動電流竟導(dǎo)致了一場災(zāi)難：70多節(jié)100Ah電池被燒毀，如果UPS的輸出變壓器若能 “緩沖”一下，負(fù)載變壓器的瞬間短路也就頂過去了!

　　認(rèn)為變壓器具有上述功能的誤區(qū)在于把變壓器當(dāng)成了電感，當(dāng)成了扼流圈，當(dāng)成了慣性器件。

　　3.UPS輸出變壓器沒有隔直流的能力

　　從前面討論中已經(jīng)知道在工頻機(jī)UPS全橋逆變器的結(jié)構(gòu)中必須要變壓器，不僅是單相機(jī)，三相機(jī)更是這樣：因為三相橋逆變器輸出的是三條火線而沒有零線，只 有通過?-Y型變換才能有三相四線制的電源。所以變壓器是工頻UPS不可分割的部分，考察變壓器假如的歷史就可知道他不具備其他功能，隔直流之說更沒根 據(jù)，下面來進(jìn)行具體分析。

　　隔直流之說的精髓是說當(dāng)逆變器功率管故障后又有可能使直流電壓加到用戶機(jī)器的輸入端，而輸出變壓器的初級和次 級繞組是分開的，直流電壓只能停留在初級繞組上，于是就產(chǎn)生了隔離效果。是的，但這是其一，其二卻不知會帶來嚴(yán)重后果。事情完全不是想象中的那樣，圖11 示出了一般變壓器的工作情況。首先承認(rèn)這種變壓器是變換交流電的，如圖中正弦波。假如不用來變換交流電而是施加直流，如圖11中將電池組開關(guān)S閉合，由于 變壓器繞組內(nèi)阻相當(dāng)小(近似于短路)就會在電池組和變壓器初級繞組之間形成相當(dāng)大的短路電流，一直到將電池組或?qū)Ь€或繞組燒斷為止。換言之，這種電源變壓 器根本不能加直流。這是電工上人人皆知的常識。

　　圖11 全橋逆變器UPS輸出變壓器原理圖

　　下面再來討論逆變器功率管損壞情況下的變壓器狀態(tài)。逆變器功率管的損壞有兩種情況：斷開或穿通(短路)。圖12示出了UPS全橋逆變器一個功率管(比如VT2) 開路(斷開)的情況。從圖中可以看出，在此情況下的電流路徑只能是一個方向的，就是說只能輸出一個極性的半波，如圖中所示。一個極性就意味著逆變器此時只 能輸出半波電壓，而半波飽含直流成分，直流電流分量在變壓器初級繞組中的積累會使繞組達(dá)到飽和狀態(tài)，就類似于繞組短路，形成很大的電流，以致將變壓器和電 池這個回路燒斷為結(jié)束。這個直流電流倒是沒有進(jìn)到負(fù)載端，但UPS本身燒了。

　　圖12 全橋逆變器UPS一個功率管開路情況原理圖

　　再看逆變器一支功率管(比如VT2)穿通(短路)的情況。只要VT3和VT4一工作就形成引發(fā)出巨大的隱患：管子截止時原來有兩個串聯(lián)功率管承受的高壓現(xiàn)在都加在了一個管子上，壓力增加了一倍，一旦它們承受不了這種高壓就會被擊穿而形成短路，如圖13所示。強(qiáng)大的電流可將VT3或VT4瞬 間炸毀，否則就會導(dǎo)致全系統(tǒng)跳閘保護(hù)。某石油公司的兆瓦級機(jī)房就是因為這個原因而造成3+1并聯(lián)冗余的4X300kVA供電系統(tǒng)跳閘停機(jī)。在這里的變壓器 根本沒有任何作為。當(dāng)然如果不是斷路器及時跳閘就會導(dǎo)致變壓器起火。在這種情況下雖然也是隔斷了直流，但同樣是把自己燒毀了，這樣的隔直流功能沒給用戶帶 來任何好處。

　　以上兩種情況都是用燒毀UPS本身的代價而保護(hù)了IT設(shè)備，這對IT設(shè)備用戶是不是就算是一種福音呢?當(dāng)然不是，因為不論是燒毀UPS還是IT設(shè)備都會使系統(tǒng)崩潰而無法繼續(xù)工作。

　　如果UPS供電設(shè)備在逆變器功率管損壞的情況下不但保護(hù)了IT設(shè)備，同時也保證了本身的安然無恙，這樣的隔直流功能才有實際意義，這才是用戶真正需要的。

　　圖13 全橋逆變器UPS一個功率管穿通情況原理圖

　　持此種說法的誤區(qū)在于沒有搞清楚變壓器不能加直流電壓和電流的道理。

　　4.UPS變壓器能提高UPS系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性嗎?

　　包括UPS在內(nèi)的電子設(shè)備最容易出故障的主要因素是高溫。在高溫下，器件的漏電流增大、耐壓降低。據(jù)有阿累紐斯定律介紹，當(dāng)環(huán)境溫度在25?C的基礎(chǔ) 上，每上升10?C，元器件或設(shè)備的壽命就減半。當(dāng)溫度按照10?C的算術(shù)梯度上升時，元器件或設(shè)備的壽命就會按照1/2n (n=1，2，3…)的幾何級數(shù)規(guī)律遞減。而機(jī)內(nèi)的溫升來自機(jī)內(nèi)各個電路環(huán)節(jié)的功耗，變壓器是其中之一，如果沒有變壓器就可以少去這部分功耗。所以從這個意義上說，由于變壓器的存在，在一定程度上降低了系統(tǒng)的可靠性。

　　這里的誤區(qū)在于將變壓器的機(jī)械穩(wěn)定性和電氣性能混為一談。這里的穩(wěn)定性指的是電性能的穩(wěn)定性，既然由于變壓器的存在降低了系統(tǒng)的可靠性，當(dāng)然也相應(yīng)地降 低了穩(wěn)定性。陷入誤區(qū)的人們誤把電的穩(wěn)定性當(dāng)作機(jī)械穩(wěn)定性來理解：變壓器重量大，重心穩(wěn)定，所以也就保證了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。再者，變壓器只是UPS 的一個組成部分，它不給整體添麻煩也算提高了設(shè)備的可靠性，若從這個角度上說看問題，任何一個組成部分都可以這么說。

　　5. UPS變壓器能使系統(tǒng)適應(yīng)大范圍的電網(wǎng)變化嗎?

　　有人說：由于目前的電網(wǎng)供電質(zhì)量不高，電壓波動很大，不得不采用帶變壓器的工頻機(jī)UPS，并說工頻機(jī)變壓器就可以使UPS系統(tǒng)適應(yīng)電網(wǎng)電壓的大幅度變化，這也正是用戶所關(guān)心的問題，難怪可以打動用戶的心。事實如何呢?可從圖14看得明白。從圖中可以看出，

　　圖14 工頻機(jī)UPS輸出變壓器

　　這個變壓器就是前面所介紹的輸出電壓變壓器。這個變壓器是接在逆變器的后面，它所承受的輸入電壓變化僅僅是?1%，可說吃的是“小灶”，不論輸入電壓如 何變化都和這個變壓器無關(guān)。就是說，這個變壓器的加入和輸入端是否能承受電網(wǎng)的如何變化是風(fēng)、馬、牛毫不相關(guān)。所以那種“變壓器能使系統(tǒng)適應(yīng)大范圍電網(wǎng)變 化”的說法也就沒人相信了。

　　一個附帶的問題：在大功率變壓器中由于三角形變星形可消除三次諧波，所以這也是抗干擾。實際上在數(shù)據(jù)中心的 IT設(shè)備大部分用的是相電壓220V，在這個電壓上三次諧波依然存在，只是在線電壓380V上由于相移的關(guān)系才消除了三次諧波，所以不用這個電壓的用戶享 受不到這個好處。