工頻機全橋逆變器UPS輸出變壓器的功能

　　一、問題的提出

　　UPS已朝高頻化發(fā) 展，因為高頻化結構的UPS具有很多優(yōu)點，比如它比目前所謂工頻機結構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。但由于高頻機結構UPS相對于工頻機UPS而言，制造困難，對制造工藝、生產手段要求較高，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UPS的“退休”時間，再加之工頻機UPS不論對一般生產者還是一些用戶而言都有些戀戀不舍。 以手工為主要生產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。由于高頻機結構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，反而成了工頻機結構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、工頻機結構全橋逆變器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的一般電路原理結構圖

　　(1)工頻機輸出隔離變壓器的第一作用---產生隔離接地點

　　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 下電流的經過路徑。這時的電流路徑是：

　　L+→VD2→VT2→R→VT3→VD3→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。

　　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?-Y變壓器變成低壓(3X389V/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幾個功率管 和導線的電阻，所以電流在流過

　　(a) UPS負載端接地時L為正壓情況下電流的流動路徑

　　(b) UPS負載端接地時L為負壓情況下電流的流動路徑

　　圖5 UPS負載端接地時電流的流動路徑