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(dāng)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)?；鸵恢滦浴Ｒ虼?，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UPS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)構(gòu)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(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)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。
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---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：
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(dāng)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。
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(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遠小于電路內(nèi)幾個功率管和導(dǎo)線的電阻,，所以電流在流過
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)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%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(dǎo)通是圖6（a）的樣子,，即當(dāng)N為正L為負時電流的路徑應(yīng)該是：
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(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(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0.1W（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(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,。
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,，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：
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(dāng)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(dāng)認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)不同工作狀況下的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?，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！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(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(dāng)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(dāng)?。ń朴诙搪罚┚蜁陔姵亟M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,。
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,。
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。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(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/ （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UPS，并說工頻機變壓器就可以使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，
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,。■