谈工频机UPS输出变压器的真正作用

一、问题的提出

UPS已朝高频化发展，因为高频化结构的UPS具有很多优点，比如它比目前所谓工频机结构UPS的效率高、体积小、输入功率因数高、允许输入电压变化范围大、不需要输出隔离变压器和价格低等，是当前信息中心机房节能高效的理想选择。但由于高频机结构UPS相对于工频机UPS而言，制造困难，对制造工艺、生产手段要求较高，一般手工方式很难实现规模化和一致性。
 
因此，也就推迟了工频机UPS的“退休”时间，再加之工频机UPS不论对一般生产者还是一些用户而言都有些恋恋不舍。以手工为主要生产方式的厂家一时还很难上规模，再加之这两方面个别的也存在一些误解，使工频机UPS不能顺利代之以高频机UPS。比如对输出隔离变压器的误解就是一个例子。由于高频机结构UPS取消了用漆包线绕在矽钢片铁心上这种方式的隔离变压器，而工频机UPS就没取消，反而成了工频机结构UPS的优点。这就引出了好多不能取消这个变压器的说法，比如说这个变压器：

* 可以在逆变器故障时切断直流电压到负载的通路，防止负载损坏，

* 可以抗干扰，

* 可以缓冲负载端的短路和突然变化，

* 可以提高UPS的可靠性，

* 可以耐电网电压的大范围变化，

等等。将它的作用说得神乎其神，几十年都没发现的这些变压器“特点”在即将被淘汰时突然被发掘出来了。实际的情况如何呢？在这里不妨将这些所谓特点逐条加以讨论。

二、工频机结构全桥逆变器UPS输出变压器的必要性

1.工频机UPS输出变压器的功能

在上个世纪七十年代，由于半导体器件的水平和品种所限，比如通流能力小和耐压能力差，不得不在输入端加一个降压变压器，经逆变器后再把电压升上去，如图1所示。所以

这种早期的工频机UPS输入端是降压变压器，输出端是升压变压器；另一个特点是输入整流器和后面的逆变器都工作在工业频率，即50Hz（或60Hz）。在一些中小功率UPS中，输入整流器和充电器是分开的。这主要是因为在这些UPS中的输入整流器都是采用的没有任何调整能力的整流二极管，而电池电压的电平必须是稳定的，需要严格控制的，所以一般需另设具稳压功能的充电器电路，如图2所示。在小功率中，早期的充电器一般用一个稳压块，到后来才采用了PWM开关电源，提高了充电速度和充电效率。由于中小功率UPS中采用的电池电压很低，所以输出还要加升压变压器。后来由于器件的发展才取消了输入降压变压器，成了今天的样子。
到底工频机UPS的输出变压器还有多少功能？没有它行不行？是工频机产品不可缺少的部分还是专门为了实现上面所宣传的优越功能而专门加上去的呢？只有搞清楚这个问题才可以谈它是否优越的问题。

 （1）工频机输出隔离变压器的第一作用---产生隔离接地点
图3给出了一个单相UPS的主电路图，它的输出端不接地，输入电压正半波（L为正压）的情况。此时的电路中无变压器，逆变器输出与输入端的电压同步锁相，锁相的含义是:全桥逆变器几个功率管的导通情况是根据输入电压的相位要求而决定的，如3所示的浅色二极管和IGBT是在电压正半波（L为正压）的情况下电流的经过路径。这时的电流路径是：
L+® VD2 ® VT2® R® VT3® VD3® N-

 
图3  UPS负载端不接地时L为正压情况下电流的流动路径
 
从路径上可以看出，电流在形成一个回路的流动中经过了两个整流器二极管和两个逆变器IGBT。此时UPS的工作是正常的。
当输入电压为负半波时的情况也一样，不过在负半波时电流流过的是另外两只整流器二极管和逆变器的IGBT。
在此情况下供电是没有问题的，不过这时输出的是不接地的悬空电压，如果负载机器没有输入接地的要求，一切均无问题。然而偏偏有一些电子设备要求其输入电压（UPS的输出电压）零点接地，不接地就不给用户开机。这样一来使得原来悬空电压的一端必须接地。要知道，在我国的用电制度中，变电站将11kV的高压经D-Y变压器变成低压（3´389V/220V）后，当即就把次级绕组Y的中点接地，然后再由这一点引出两条线：一条中线N和一条地线E，如图4所示。

图4 零线和地线连接的情况
 
因此，在UPS输出端有一点接地也就和输入端电压的零线接到了一起，如图5中粗灰线所示。如果还是按照图3假设的条件，即输出电压和输入电压同步锁相，在输入为正半波时，如图5（a）所示，虽然逆变器功率管的导通和整流器二极管都按照输入的要求开通，但由于如图示的短路中线电阻远远小于电路内几个功率管和导线的电阻，所以电流在流过

 
（a）         UPS负载端接地时L为正压情况下电流的流动路径

 
（b）         UPS负载端接地时L为负压情况下电流的流动路径
图5   UPS负载端接地时电流的流动路径
 
负载以后再也不经过VT3和VD3，而是经短路线B N直接回到负端N。这样一来，电流就只经过了两只管子：一只整流二极管和一只逆变管IGBT，即规定的路线没走完。图5（b）示出了UPS负载端接地时L为负压情况下电流的流动路径，也同样少经过两只管子。这会出现什么问题呢？假如一个人到正规商店买东西，要分几步走：选货、开票、交款、取货。如果是少了两个步骤，比如只选货和交款肯定不行，不开票就无法交款，结果什么也买不到东西；如果只进行交款和取货，这不是正规商店的做法，也不行。总之，少一个步骤也买不回东西。UPS也一样，少一个步骤就是电路失去了原来的功能，使负载得不到应得的洁净的和稳定的输入电压，UPS反而成了累赘。这还是乐观的情况，因为输入输出同步，不会出大问题。但在实际应用中就不这么幸运了，几乎100%的UPS在启动瞬间都不是同步的，必需要经过一段时间的跟踪才能达到同步的目的。
以上是理想的同步情况，实际上启动的时机几乎都不是同步的，几乎在100%的场合都是爆炸。为什么会爆炸呢？这是因为在电源起动瞬间，功率管的开通顺序几乎都不是按照设定的顺序工作，这时的开通顺序是随机的，如图6所示，不但不同步还不同相位，几乎100%情况下的功率管导通是图6（a）的样子，即当N为正L为负时电流的路径应该是：

（a）         输出与输入不同步时的电流路径

 
（b）输出与输入不同步时电流路径的等效电路
 
图6   UPS负载端接地而输出又和输入不同步的情况
 
但由于接地线的加入改变了电流的路径：电流由N出发就直接到了负载R的下端，又由于逆变器功率管VT3的开启，使电流不能经过负载R，而是直接经过整流管VD4回到L。这样一来，电流没有经过任何负载，两个管子的导通形成短路状态，如图6（b）的等效电路所示，即使管子的内阻和导线电阻不为零，但已远远小于1W，而且管子的功率越大则内阻也越小，加粗后的导线电阻也越小。比如一台1kVA的UPS，逆变器的效率为90%，即消耗100W，取五倍的功率管，即500W/50A，设短路电阻为0.1W（实际上比这个值小得多），这时的短路电流就是2200A，强大的电流在管子的PN结上会产生强烈的焦耳热量，一方面会使截面积不相称的引线起火甚至烧断，一方面在PN结上的剧烈高度焦耳热也会使管子像炸弹那样炸裂。在上个世纪90年代由某公司进口品牌为Vlctron的小功率UPS，由于没有输出隔离变压器，在用户输入端接地时几乎都形成爆炸。后来不得不外加输出变压器BT，这才保证了正常使用，如图7所示，这时的电流路径是：
L+® VD2 ® VT2®BT初级绕组® VT3® VD3® N-
恢复了无地线时的状态。原来的负载R换成了变压器初级绕组，这时的初级绕组就是负载R。不过是换了一种吸取功率的方式。换言之，变压器就是一个具有物理隔离性的、不失真传递电功率的中间环节。这样一来，在变压器的次级绕组端就可以连接接地线了，如图7所示。当然，在有的供电环境下零地线之间的电压过高，使用户感到不安，此时也可将此变压器的次级绕组接地。

 
图7 全桥变换器输出加隔离变压器的情况
 
（2）工频机输出隔离变压器的第二作用——变压
在一般小功率UPS中，为了节省成本，一般用的电池电压不高，图8就是一个电池电压用60V的例子，当然常用的电池电压规格很多，24V，36V，48V，192V，240V，等等。对于单相UPS来说输出电压有效值多为220V，分正负半波，半波的峰值是有效值的1.414倍，即220V´1.414=310V，正负半波的峰峰值就是620V，如图8所示。由60V到620 V有10倍之差，不用变压器是无法实现的，所以这个输出变压器的第二功能是变压。

图8  3-25  变压器的升压作用原理图
 
所以UPS输出变压器的功能就是两个：产生隔离接地点和变压。
2.UPS变压器不具备抗（抑制）干扰和缓冲短路的功能
那么，上述变压器是否有抗干扰的功能呢？回答是否定的，而且也不允许其抗干扰。这里所谓的干扰只能来自负载，UPS的逆变器是不产生干扰的。负载对电压源的要求是：输出端动态性能一定要好，即动态内阻一定要小，这样电源的输出才能适应负载的变化，不允许有惯性。只有惯性环节才有抗干扰能力，变压器不是电抗器，在正常工作时是线性的，不失真地传递信号，所以不具备抗干扰能力。那么从结构原理上又如何解释呢？图9示出了这种变压器的结构原理图。从图9（a）的变压器原理图可以看出，普通电源变压器都有初级和次级，而且都是一层层用漆包线绕成的，如图9（b）的变压器结构剖面图所示。就是说，变压器是由绕在铁芯上的一层层铜漆包线构成，初级和次级也是这样，两层漆包线之间都垫有绝缘层，这样一来，每层绕组就构成一个导体平板，两层绕组之间就构成了一个平板电容器，进而在初次级绕组之间就形成了一个等效电容器C，如图9（b）所示。在初次级绕组之间也就形成了一个容抗XC，其数值的大小为：
                                                
（a）变压器原理图                       （b）变压器结构剖面图

 
式中：  Xc是等效电容的容抗，单位是欧姆（W）
C是等效电容的容量，单位是法拉（F）
f是干扰信号频率，单位是赫兹（Hz）
从式（1）中可以看出，电容的容抗和干扰信号的频率成反比，而一般干扰信号的频率很高，可以从几千赫兹到几十兆赫兹，尤其是各种形式的噪声、尖峰等。但这些干扰到来时可以很顺利地由初级通过电容C传到次级。但浪涌到来时，由于其能量很大且频率很低（可以到数个工频周波），这时候变压器就可以按照固有的变比将其传导过去。

有人说这个变压器可以缓冲负载的短路，这也是没有根据的。因为变压器不是智能环节，根本无法判断负载是短路还是短期的大负荷工作。图10给出了IEC发布的PC机典型工作电流波形，从图10（a）中可以看出，当机房中所有设备正常工作时，它们向UPS索取的最大电流值是分散的，所以从电源的电表上看负载不大，比如平时的负载也就是60%左右，但有时也会切换到旁路上去，有时是几秒钟，有时是几分钟。UPS所以会转旁路，在正常情况下是因为过载，但过载时间超过设定值时就会转旁路，过载消失后又切换回来。这是什么原因呢？从图10（b）可以看出，但机房中所有或大部分计算机正巧在某一刻都工作在最大电流值时，负载量会变得很大。比如原来每台负载的最大电流峰值是100A，正常时由于分散，负载变得很平和；一旦同步取最大值时比如500A，如果时间超过UPS允许的界限就会转旁路。假如变压器可以抗干扰和缓冲负载的突然变化，试问此时应当认为是干扰给抗掉呢还是当成短路给缓冲呢？要知道低于单机电流峰值的的干扰由于被负载淹没是不需要抑

图10  设备系统不同工作状况下的UPS的负载情况
 
制的，只有抑制那些高于峰值电流的干扰才有意义。现在图10（b）的电流峰值数倍于平时，不论是被变压器缓冲还是抑制都会造成用电系统的停机！这样的电源还有人敢用吗！实际上变压器一不能分辨干扰，也不能分辨短路，更没有所谓“缓冲”和“抑制”的功能。
例：北京某电子公司机房采用了150kVA´5台带有输出变压器的工频机UPS，构成了4+1冗余系统。一天外电网停电，UPS工作在电池模式，此时突然有人合上了输出端300kVA的变压器，负载变压器瞬间的短路启动电流竟导致了一场灾难：70多节100Ah电池被烧毁，如果UPS的输出变压器若能“缓冲”一下，负载变压器的瞬间短路也就顶过去了!

认为变压器具有上述功能的误区在于把变压器当成了电感，当成了扼流圈，当成了惯性器件。

3.UPS输出变压器没有隔直流的能力

从前面讨论中已经知道在工频机UPS全桥逆变器的结构中必须要变压器，不仅是单相机，三相机更是这样：因为三相桥逆变器输出的是三条火线而没有零线，只有通过D-Y型变换才能有三相四线制的电源。所以变压器是工频UPS不可分割的部分，考察变压器假如的历史就可知道他不具备其他功能，隔直流之说更没根据，下面来进行具体分析。

    隔直流之说的精髓是说当逆变器功率管故障后又有可能使直流电压加到用户机器的输入端，而输出变压器的初级和次级绕组是分开的，直流电压只能停留在初级绕组上，于是就产生了隔离效果。是的，但这是其一，其二却不知会带来严重后果。事情完全不是想象中的那样，图11示出了一般变压器的工作情况。首先承认这种变压器是变换交流电的，如图中正弦波。假如不用来变换交流电而是施加直流，如图11中将电池组开关S闭合，由于变压器绕组内阻相当小（近似于短路）就会在电池组和变压器初级绕组之间形成相当大的短路电流，一直到将电池组或导线或绕组烧断为止。换言之，这种电源变压器根本不能加直流。这是电工上人人皆知的常识。
 
下面再来讨论逆变器功率管损坏情况下的变压器状态。逆变器功率管的损坏有两种情况：断开或穿通（短路）。图12示出了UPS全桥逆变器一个功率管（比如VT2）开路（断开）的情况。从图中可以看出，在此情况下的电流路径只能是一个方向的，就是说只能输出一个极性的半波，如图中所示。一个极性就意味着逆变器此时只能输出半波电压，而半波饱含直流成分，直流电流分量在变压器初级绕组中的积累会使绕组达到饱和状态，就类似于绕组短路，形成很大的电流，以致将变压器和电池这个回路烧断为结束。这个直流电流倒是没有进到负载端，但UPS本身烧了
 
再看逆变器一支功率管（比如VT2）穿通（短路）的情况。只要VT3和VT4一工作就形成引发出巨大的隐患：管子截止时原来有两个串联功率管承受的高压现在都加在了一个管子上，压力增加了一倍，一旦它们承受不了这种高压就会被击穿而形成短路，如图13所示。强大的电流可将VT3或VT4瞬间炸毁，否则就会导致全系统跳闸保护。某石油公司的兆瓦级机房就是因为这个原因而造成3+1并联冗余的4´300kVA供电系统跳闸停机。在这里的变压器根本没有任何作为。当然如果不是断路器及时跳闸就会导致变压器起火。在这种情况下虽然也是隔断了直流，但同样是把自己烧毁了，这样的隔直流功能没给用户带来任何好处。

以上两种情况都是用烧毁UPS本身的代价而保护了IT设备，这对IT设备用户是不是就算是一种福音呢？当然不是，因为不论是烧毁UPS还是IT设备都会使系统崩溃而无法继续工作。

如果UPS供电设备在逆变器功率管损坏的情况下不但保护了IT设备，同时也保证了本身的安然无恙，这样的隔直流功能才有实际意义，这才是用户真正需要的。
 
持此种说法的误区在于没有搞清楚变压器不能加直流电压和电流的道理。

4．UPS变压器能提高UPS系统的可靠性和稳定性吗？

包括UPS在内的电子设备最容易出故障的主要因素是高温。在高温下，器件的漏电流增大、耐压降低。据有阿累纽斯定律介绍，当环境温度在25°C的基础上，每上升10°C，元器件或设备的寿命就减半。当温度按照10°C的算术梯度上升时，元器件或设备的寿命就会按照1/ （n=1，2，3…）的几何级数规律递减。而机内的温升来自机内各个电路环节的功耗，变压器是其中之一，如果没有变压器就可以少去这部分功耗。所以从这个意义上说，由于变压器的存在，在一定程度上降低了系统的可靠性。
这里的误区在于将变压器的机械稳定性和电气性能混为一谈。这里的稳定性指的是电性能的稳定性，既然由于变压器的存在降低了系统的可靠性，当然也相应地降低了稳定性。陷入误区的人们误把电的稳定性当作机械稳定性来理解：变压器重量大，重心稳定，所以也就保证了系统的可靠性和稳定性。再者，变压器只是UPS的一个组成部分，它不给整体添麻烦也算提高了设备的可靠性，若从这个角度上说看问题，任何一个组成部分都可以这么说。

5. UPS变压器能使系统适应大范围的电网变化吗？

有人说：由于目前的电网供电质量不高，电压波动很大，不得不采用带变压器的工频机UPS，并说工频机变压器就可以使UPS系统适应电网电压的大幅度变化，这也正是用户所关心的问题，难怪可以打动用户的心。事实如何呢？可从图14看得明白。从图中可以看出，

 这个变压器就是前面所介绍的输出电压变压器。这个变压器是接在逆变器的后面，它所承受的输入电压变化仅仅是±1%，可说吃的是“小灶”，不论输入电压如何变化都和这个变压器无关。就是说，这个变压器的加入和输入端是否能承受电网的如何变化是风、马、牛毫不相关。所以那种“变压器能使系统适应大范围电网变化”的说法也就没人相信了。

一个附带的问题：在大功率变压器中由于三角形变星形可消除三次谐波，所以这也是抗干扰。实际上在数据中心的IT设备大部分用的是相电压220V，在这个电压上三次谐波依然存在，只是在线电压380V上由于相移的关系才消除了三次谐波，所以不用这个电压的用户享受不到这个好处。