工頻機UPS輸出變壓器的真正作用

1、工頻機UPS輸出變壓器的真正作用 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， 是當前信息中心機房節(jié)能高效的理想選擇。但由于高頻機結(jié)構(gòu)UPS相對于工頻機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)模化和一致性。因此，也就推遲了工 頻機UPS的“退休”時間，再加之工頻機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U

2、PS不能順利代之以高頻機 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UPS就沒取消，反而成了工頻機結(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載的通路，防止負載損壞，* 可以抗干擾，* 可以緩沖負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、工頻機結(jié)

3、才全橋逆變器 UPS輸出變壓器的必要性1.工頻機UPS輸出變壓器的功能在上個世紀七十年代，由于半導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UPS電原理方框圖這種早期的工頻機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， 需要嚴格控制的，所以一般需另設(shè)具穩(wěn)

4、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，所以輸出還要加開壓變壓器。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UPS的輸出變壓器還有多少功能？沒有它行不行？是工頻機產(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。晶體雷宛電黔圖2中小功率UPS的一般電路原理結(jié)構(gòu)圖（1）工頻機輸出隔離變壓器的第一作用-廣生隔離接地點圖3給出了一個單相UPS的主電路圖，它的輸出端不接地

5、，輸入電壓正半波（ 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 管的導通情況是根據(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（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為正壓）的情況。:全橋逆變器幾個功率IGBT是在電壓正半波L+- VDa - VTz，R VTVDy N"圖3 UPS負載端不接地時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。當輸入電壓為負半波時的情況也一樣，不過在負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

6、。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，如果負載機器沒有輸入接地的 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。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)D-Y變壓器變成低壓(3'389V/220V)后，當即就把次級繞組 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

7、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遠小于電路內(nèi)幾個功率管和導線的電阻，所以電流在流過Ca) UPS費贛卷鏤地時L為正壓恃氏下電泳的戒劫路役0 UPS熊載端擂效時L為負壓情況下電灌的而劭路役圖5 UPS負載端接地時電流的流動路徑負載以后再也不經(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負載 端接地時L為負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)

8、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；如果只進行交款和取貨，這不是正規(guī)商 店的做法，也不行。總之，少一個步驟也買不回東西。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到同步的目的。以上是理想的同步情況，實際上啟動的時機幾乎都不是同步的，幾乎在100%

9、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%情況下的功率管導通是圖6 (a) 的樣子，即當N為正L為負時電流的路徑應(yīng)該是：輸出與輸入不冏步時電瓶路役的等效電路圖6 UPS負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)過任何負載，兩個管子的導通形成短路狀態(tài)，如圖 6 (b)的等效電路所示，即使管子

10、的內(nèi)阻和導 線電阻不為零，但已遠遠小于1W,而且管子的功率越大則內(nèi)阻也越小，加粗后的導線電阻也越小。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0.1W (實際上比這個值小得多)，這時的短路電流就是 2200A,強大的電流在管子的PN 結(jié)上會產(chǎn)生強烈的焦耳熱量，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90年代由某公司進口品牌為 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

11、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-恢復了無地線時的狀態(tài)。原來的負載R換成了變壓器初級繞組，這時的初級繞組就是負載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。市電-降壓圖& 3-25變壓器的升壓作用原里圖"圖7全橋變換器輸出加隔離變壓器的情況(2)工頻機輸出隔離變壓器的第二作用變壓

12、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,分正負半波，半波的峰值是有效值的 1.414倍，即220V'1.414=310V,正負 半波的峰lb!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 95變壓黔竹升壓作用原理圖+二橫管,二撮年所以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

13、)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載，UPS的逆變器是不產(chǎn)生干擾的。負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，

14、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)成一個導體平板，兩層繞組之間就構(gòu)成了一 個平板電容器，進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：變壓器原理圖變壓鵬結(jié)構(gòu)制面圖圖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(W)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

15、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過去。有人說這個變壓器可以緩沖負載的短路， 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 斷負載是短路還是短期的大負荷工作。 圖10給出了 IEC發(fā)布的PC機典型工作電流波形，從圖10 (a) 中可以看出，當機房中所有設(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載不大，比如平時的負載也就是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

16、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，但機房中所有或大部分計算機正 巧在某一刻都工作在最大電流值時，負載量會變得很大。比如原來每臺負載的最大電流峰值是 100A, 正常時由于分散，負載變得很平和；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載的突然變化，試問此時應(yīng)當認為是干擾給抗掉呢還是當成短路給緩沖呢？要知道低于單機電流峰值的的干擾由于被負載淹沒是不需要抑圖10設(shè)備系統(tǒng) 不同工作X況下的UPS的負載情況制的，只有抑制那些高于峰值電流的干擾才有意義。 現(xiàn)在圖10(b)

17、 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！ 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：北京某電子公司機房采用了 150kVA'5臺帶有輸出變壓器的工頻機 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，負載變壓器 路間的短路啟動電流竟導致了一場災難：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，負載變壓器的瞬間短路也就頂過去了 ！認為變壓器具有上述功能的誤區(qū)在于把變壓器當成 了電感，當成了扼

18、流圈，當成了慣性器件。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 UPS全橋逆變器的結(jié)構(gòu)中必須要變壓器，不僅是單相機，三相機更 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 D-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)，下面來進行具體分析。隔直流之說的精髓是說當逆變器功率管故障后又有可能使直流電壓加到用戶機器的輸入端，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重后果。事情完

19、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魚標逆變翳UPS輸出央凡黔原理國，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

20、，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到負載端，但UPS本身燒了。國12全展逆變翳UPS 一個不率因拜跪情宜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

21、會被擊穿而形成短路，如圖13所示。強大白電流可將 VT3或VT4瞬間炸毀，否則就會導致全系統(tǒng)跳閘保護。某石油公司的兆瓦級機房就是因為這個原因而造成 3+1并聯(lián) 冗余的4'300kVA供電系統(tǒng)跳閘停機。在這里的變壓器根本沒有任何作為。當然如果不是斷路器及時 跳閘就會導致變壓器起火。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

22、下不但保護了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。灌22所國13全橋辿變黔UPS 一個切率盲穿遍情況匿理國+'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？包才SUPS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/ (n=1, 2, 3,)的幾何級數(shù)規(guī)律遞減。而機內(nèi)的溫升來自機內(nèi)各個電路