UPS專(zhuān)用隔離變壓器

UPS有工頻機與高頻機之分，這兩者間的主要差異表現在隔離變壓器上。業(yè)界有一部分聲音認為，工頻機的隔離變壓器有降低零地電壓、抑制干擾、隔離輸出等作用。事實(shí)果真如此么？為什么工頻機需要隔離變壓器，隔離變壓器真正的作用又是如何？本文將從技術(shù)細節深入探討，揭開(kāi)隔離變壓器的神秘面紗。

　　1、工頻機與高頻機的演進(jìn)

　　上世紀60年代末誕生了第一代基于半導體器件的UPS，該UPS一共有五個(gè)變壓器，其中整流器輸入用的是自耦變壓器，另外有一副繞組用于電池充電，逆變則用了四個(gè)隔離變壓器，通過(guò)不同的相位疊加成脈波式階梯逆變電壓，再通過(guò)LC濾波器，變成正弦波。國內通常把這種含逆變隔離變壓器的UPS稱(chēng)為工頻機。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，得益于半導體的進(jìn)步，在上世紀90年代，工頻機逆變器已經(jīng)減少為一個(gè)隔離變壓器（見(jiàn)圖二），而到了本世紀初，各大UPS廠(chǎng)商紛紛推出了逆變器無(wú)隔離變壓器的UPS，稱(chēng)為高頻機。

　　2、隔離變壓器在UPS中的作用分析

　　從架構來(lái)看，工頻機與高頻機最大的區別在于高頻機省去了逆變隔離變壓器，正是因為省去了該隔離變壓器，高頻UPS的重量、體積均大幅度減小，效率提升明顯，相對工頻機有強大的競爭優(yōu)勢。由于工頻機已經(jīng)誕生幾十年，很多UPS用戶(hù)對高頻機產(chǎn)生了懷疑，認為高頻機沒(méi)有隔離變壓器，會(huì )產(chǎn)生如下一些問(wèn)題：

　　a).輸出沒(méi)有被隔離；

　　b).無(wú)法抑制干擾；

　　c).無(wú)法降低零地電壓；

　　d).無(wú)法實(shí)現故障隔離；

　　e).無(wú)法抑制低頻的3n次諧波。

　　本文從原理上進(jìn)行比較，來(lái)探討相比有輸出隔離變壓器的工頻機，去掉輸出隔離變壓器的高頻機是否真的產(chǎn)生了上述問(wèn)題。

　　2.1、輸入與輸出隔離

　　正常情況下，隔離變壓器可以提供原副邊的隔離作用，而有些場(chǎng)景，如果原邊在其他路徑與副邊有電氣連接，則隔離變壓器就失去了隔離作用。大家都知道，高頻機沒(méi)有隔離變壓器，輸出與輸入沒(méi)有隔離作用，而工頻機是否就提供了隔離作用呢？圖二為包含UPS旁路的工頻機，可以看出，在主旁同源的情況下（K1閉合），市電主輸入、旁路輸入與輸出之間并沒(méi)有被隔離，而在主旁不同源的情況下（K1斷開(kāi)），主輸入與輸出隔離，但旁路輸入與輸出之間還是沒(méi)有被隔離，即輸出還是沒(méi)有被隔離。工頻機除非在圖二中的旁路或輸出（位置1或位置2）再增加一個(gè)隔離變壓器，才能提供輸出隔離作用，而這需要額外再增加一個(gè)隔離變壓器。而如果要增加一個(gè)額外的隔離變壓器，高頻機在輸出位置增加一個(gè)額外的隔離變壓器以后，也可以提供輸出隔離作用。工頻機的逆變隔離變壓器并沒(méi)有給UPS輸出提供真正的隔離作用。

　　2.2、抑制干擾

　　UPS是一種開(kāi)關(guān)電源，需要在輸出端加LC濾波器，以降低輸出電壓的諧波。高頻機在輸出端有額外的電感，如圖3中的L2，該電感與輸出濾波電容一起，組成LC濾波器。在實(shí)際的隔離變壓器中，原邊磁通并不能全部耦合到副邊，這部分磁通就形成了漏感，圖四是實(shí)際隔離變壓器的等效原理圖。大部分工頻機均沒(méi)有輸出濾波電感，僅利用隔離變壓器的漏感，當作輸出濾波器中的感抗，用于濾波。高頻機與工頻機都需要輸出濾波感抗，不同的是高頻機有獨立電感，而工頻機是利用了隔離變壓器的漏感，兩者沒(méi)有本質(zhì)區別。所不同的是，用隔離變壓器的漏感作為濾波電感，成本處于劣勢。但對于工頻機來(lái)說(shuō)，其逆變位置一定要加隔離變壓器（原因后文會(huì )講），所以利用隔離變壓器的漏感作為濾波電感就是一種比較經(jīng)濟的手段了?？梢?jiàn)，高頻機和工頻機都能用LC濾波器抑制干擾，所不同的是，高頻機用了獨立電感，而工頻機利用隔離變壓器的漏感。

　　2.3、降低零地電壓

　　零地電壓是個(gè)頗具爭議性的問(wèn)題，我們一直認為夸大零地電壓的危害是不科學(xué)的，具體可以參見(jiàn)華為【數據中心能源白皮書(shū) 04】《零地電壓的產(chǎn)生與誤區》，此處僅從技術(shù)上分析隔離變壓器對零地電壓的作用。隔離變壓器本身不降低零地電壓，只是有用戶(hù)認為將UPS輸出N和地（PE）在工頻機的隔離變壓器上短接，這樣就可以將零地電壓降低到0了。實(shí)際上，高頻機同樣在UPS內部將N和PE短接，也可以將零地電壓降低到0。但國內普遍是TN-S配電系統，而在TN-S配電系統，無(wú)論是工頻機還是高頻機，UPS內部是不能將N和PE短接的。

　　TN-S系統中，旁路不帶隔離變壓器的UPS，旁路輸入必定帶N，連接到輸出N。圖五是通過(guò)隔離變壓器將N和PE短接示意圖，圖中的地線(xiàn)通過(guò)虛線(xiàn)連接到了隔離變壓器的中點(diǎn)，與N短接在一起，這種做導致的結果是UPS輸入側的N線(xiàn)和PE線(xiàn)已經(jīng)是并聯(lián)的兩根線(xiàn)，PE線(xiàn)已經(jīng)不再是PE線(xiàn)，而是PEN線(xiàn)，有N線(xiàn)電流通過(guò)，TN-S系統變成了TN-C系統。圖五這種接法在國外的配電系統是不被允許的，國內的《建筑電氣工程施工質(zhì)量驗收規范》(GB50303—2002)要求將UPS的N和PE短接，這已經(jīng)有很多配電專(zhuān)家提出了質(zhì)疑。如果要在TN-S系統中實(shí)現在UPS輸出端將N和PE短接的目的，則需要在旁路或者UPS輸出位置加隔離變壓器，以將N線(xiàn)和PE線(xiàn)分離開(kāi)。

　　可見(jiàn)，隔離變壓器并不能降低零地電壓，對于TN-S系統，如果旁路沒(méi)有隔離變壓器，在隔離變壓器的輸出端將N和PE短接，這是不允許的，這會(huì )改變配電系統為T(mén)N-C系統。如果用戶(hù)接受TN-C系統，那么在高頻機內也可以將PE和N短接，降低零地電壓。

　　2.4、實(shí)現故障隔離

　　UPS在逆變器故障后，都需要轉旁路供電，而無(wú)論是工頻機還是高頻機，UPS在輸出端都會(huì )配置輸出保險（見(jiàn)圖三），如果逆變器或者母線(xiàn)電容故障，將會(huì )有大能量進(jìn)入或釋放出母線(xiàn)電容，此時(shí)保險會(huì )熔斷，即無(wú)論是高頻UPS還是工頻UPS，都有故障隔離的作用。

　　2.5、抑制低頻的3n次諧波

　　THDv作為衡量輸出電壓質(zhì)量的指標，需要計算2~50次（100Hz~2.5Khz）的諧波，這部分諧波越大，THDv越高，UPS輸出電壓質(zhì)量越差。目前絕大部分工頻機的逆變都是用IGBT，開(kāi)關(guān)頻率在1K~3KHz，而市電的頻率是50Hz，即開(kāi)關(guān)頻率是市電頻率的20~60倍，這么低的開(kāi)關(guān)頻率，會(huì )產(chǎn)生大量的低次諧波（50Hz、100Hz、150Hz…）。原邊為三角形輸入的隔離變壓器，如DY、DZ型隔離變壓器，由于輸入沒(méi)有中性線(xiàn)，三次諧波無(wú)法通過(guò)，這樣就可以降低3*n次諧波，降低THDv。而高頻機的開(kāi)關(guān)頻率普遍在15K以上，是市電頻率的300倍以上，如此高的開(kāi)關(guān)頻率下，輸出電壓低次諧波含量極低，即使沒(méi)有隔離變壓器，THDv也可以做得很低，例如，華為高頻UPS的輸出THDv可以做到1%以下?？梢?jiàn)，對于開(kāi)關(guān)頻率很高的高頻機，本身就具備調制低頻諧波的能力，不需要隔離變壓器也可以實(shí)現低THDv。