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高频机结构UPS也有变压器

来源:中国绿色数据中心 作者:王其英 更新时间:2009-12-14 15:41:19

摘要:UPS的发展方向之一就是高频化,高频化结构的UPS不但性能好,而且节能减排,正好符合当前的国策。但是由于技术的发展都有一个过程,所以多年来人们一直使用的是工频机结构UPS,而且用得也不错,所以突然改用新产品,心里有些不踏实。

    一、前言
   
    UPS的发展方向之一就是高频化,高频化结构的UPS不但性能好,而且节能减排,正好符合当前的国策。但是由于技术的发展都有一个过程,所以多年来人们一直使用的是工频机结构UPS,而且用得也不错,所以突然改用新产品,心里有些不踏实。尽管高频机结构UPS实际上已有十多年的历史,性能也远远超过工频机结构产品,但由于对技术和生产工艺要求比较严格,一般生产厂家的手工作业难以适应,在技术上也要慢慢提高。再加之用户的惰性,所以也就不忙于改变现状。但高频化毕竟是方向,是历史潮流,如果找不出延长工频机结构产品的理由也恐怕难以长久。

    伊人思之再三,忽得良策:发现高频机结构UPS没有“变压器”。既然高频机结构UPS没有变压器,那就不会有变压器的“优点”。这就是工频机产品的“柳暗花明”起死回生之术。

    经过了再三深入挖掘,终于找出了工频机变压器的几大优点: 
    * 工频机变压器可以抗干扰 
    * 工频机变压器可以缓冲负载的突然变化和短路 
    * 逆变器功率管故障时工频机变压器可以隔直流,以保护负载被直流损坏 
    * 工频机变压器可以提高整个设备的可靠性 
    * 工频机变压器可以提高整个设备对电网电压变化和冲击的能力

    这些优点已被公布的确引起了不少用户兴趣,一时间点名要“带有变压器的工频机UPS”的技术条件豁然出现在招标书上,大有对高频机结构产品不屑一敝而打入冷宫的气氛。对于这些所谓的几大优点笔者在多个杂志和书籍中已有论述,再不重复。一句话,这几大优点不但没有任何根据,而且有的还违背了对UPS和电源变压器的基本要求。

    事实如何呢?真的是这样吗?如果是事实,那么高频化的发展方向就错了。但无数事实证明电子产品不走高频化的道路就没有出路。问题出在何处?下面就来揭开变压器真正作用的面纱。

    二、为什么工频机UPS必须要输出变压器? 
   
    1.工频变压器的第一作用是变压 
    UPS输出的有效值为220V的正弦波交流电压的峰峰值电压是620V,而一般单相UPS的输入整流电压才310V(这还不包括一般为48V电池的情况),为了使逆变器不失真地输出有效值为220V的正弦波交流电压,逆变器前面的直流电压必须是650V∼870V。由于工频机逆变器的输入电压远远低于这个值,所以必须加一个输出变压器将电压提升到额定峰值以上才可使用,如图1所示。图中所示为电池电压为48V的情况,在中小功率中,为了节约成本,一般都不将电池电压做得太高,所以输出隔离变压器一般为升压工作方式。图中虚线以左的部分为输入隔离变压器,现在已不作为标配。

    2. 工频变压器的第一作用是产生隔离接地点
    工频机UPS采用的是全桥变换器,图2所示为工频机整流/逆变电流途径原理图。从电路中可看出,这种变换器输出的两根线不是一根火线和一根零线,而是两根火线,如图2(a)所示输入输出同步时,L为正半波时电流流动方向,可以看出正半波时电流的路径是两个整流二极管、两个逆变功率管和负载。但一般的UPS负载要求必须具有零线,以便于接地,如果在没有输出隔离变压器的情况下,就将一根火线硬性接地,如图2(b)所示在上述情况下的一端接地情况,就会导致UPS的工作失常。图中给出了在电压正弦波正半波时的电流流动方向和途径,负半波也是如此。从图中可以看出,由于零线的接入,使负载电流经过负载后不是经过整流器和逆变管,而是直接流回市电的零线输入端,在这种情况下,图中只有用浅灰色标出的一只整流器和一只逆变功率管起作用。按照正常的工作程序,负载电流应该流过两个桥式电路的各2只管子,在这里少了一半。


图1 输出隔离变压器的升压作用电原理图

    上述是输入输出同步的情况,还不会出现太严重的情况。如果不同步,其N为正半波时的电流流动方向,在这里电流只经过了两个管子而没有流经负载,其等效电路如图2(c)所示。图2(d)是图(c)的等效电路,在这种情况下就会导致逆变器功率管爆炸。为了杜绝这种情况的发生,就必须在逆变器输出端接输出变压器,如图2(e)所示。这样一来这个变压器是全桥电路不可分割的一部分。是为了解决上述困难的权宜之计,并不是为了增加别的功能而另外增加的环节。换句话说,工频机结构UPS在这种情况下如果不加输出隔离变压器,用户就不会接受。


(a) 无输出变压器正半波时的电流流动方向和途径(输入输出同步)



(b)无输出变压器正半波输出一端接地时电流流动方向和途径(输入输出同步)




(c)无输出变压器负半波输出一段接地时电流流动方向和途径(输入输出不同步)

(d)无输出变压器负半波输出一端接地时电流的等效电路 (输入输出不同步)


(e)有输出变压器正半波时的电流流动方向和途径

图2 工频机整流/逆变电流途径原理图

    2.三相电压UPS
    三相电压的工频机结构UPS也是这样,图3示出了三相工频机结构UPS主电路图,从电路图中也可以看出,其三相全桥逆变器的三根输出线也都是火线,而绝大多数用户所需要的的是三相四线制供电模式,即3380V/220V体系。这就需要将三相三线制电压经-Y变换而转换成三相四线制电压系统。另一方面,工频机结构UPS的直流电压都是采用的单一直流电压,即用的是一组电池,如图3所示,这也就决定了它的输出电压模式必然是全火线输出,也只有用隔离变压器才能得出隔离接地点。


图3 三相工频机结构UPS主电路图

    从以上的分析可以看出,并压器是工频机结构UPS不可分离的一部分。 

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