工頻機(jī)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?yàn)楦哳l化結(jié)構(gòu)的UPS具有很多優(yōu)點(diǎn)，比如它比目前所謂工頻機(jī)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(jià)格低等，是當(dāng)前信息中心機(jī)房節(jié)能高效的理想選擇。但由于高頻機(jī)結(jié)構(gòu)UPS相對(duì)于工頻機(jī)UPS而言，制造困難，對(duì)制造工藝、生產(chǎn)手段要求較高，一 般手工方式很難實(shí)現(xiàn)規(guī)模化和一致性。因此，也就推遲了工頻機(jī)UPS的“退休”時(shí)間，再加之工頻機(jī)UPS不論對(duì)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(shí)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(jī)UPS不能順利代之以高頻機(jī)UPS。比如對(duì)輸出隔離變壓器的 誤解就是一個(gè)例子。由于高頻機(jī)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(jī)UPS就沒取消，反而成了工頻機(jī)結(jié)構(gòu)UPS的優(yōu) 點(diǎn)。這就引出了好多不能取消這個(gè)變壓器的說法，比如說這個(gè)變壓器：

　　* 可以在逆變器故障時(shí)切斷直流電壓到負(fù)載的通路，防止負(fù)載損壞，

　　* 可以抗干擾，

　　* 可以緩沖負(fù)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(diǎn)”在即將被淘汰時(shí)突然被發(fā)掘出來了。實(shí)際的情況如何呢?在這里不妨將這些所謂特點(diǎn)逐條加以討論。

　　二、工頻機(jī)結(jié)構(gòu)全橋逆變器UPS輸出變壓器的必要性

　　1.工頻機(jī)UPS輸出變壓器的功能

　　在上個(gè)世紀(jì)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(gè)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(jī)UPS電原理方框圖

　　這種早期的工頻機(jī)UPS輸入端是降壓變壓器，輸出端是升壓變壓器;另一個(gè)特點(diǎn)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?yàn)樵谶@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(yán)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(gè)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(jī)UPS的輸出變壓器還有多少功能?沒有它行不行?是工頻機(jī)產(chǎn)品不可缺少的部分還是專門為了實(shí)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(gè)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(jī)輸出隔離變壓器的第一作用---產(chǎn)生隔離接地點(diǎn)

　　圖3給出了一個(gè)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(shí)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(gè)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(shí)的電流路徑是：

　　L+→VD2→VT2→R→VT3→VD3→N-

　　圖3 UPS負(fù)載端不接地時(shí)L為正壓情況下電流的流動(dòng)路徑

　　從路徑上可以看出，電流在形成一個(gè)回路的流動(dòng)中經(jīng)過了兩個(gè)整流器二極管和兩個(gè)逆變器IGBT。此時(shí)UPS的工作是正常的。

　　當(dāng)輸入電壓為負(fù)半波時(shí)的情況也一樣，不過在負(fù)半波時(shí)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(shí)輸出的是不接地的懸空電壓，如果負(fù)載機(jī)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(diǎn)接地，不接地就不給用戶開機(jī)。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)?-Y變壓器變成低壓(3X389V/220V)后，當(dāng)即就把次級(jí)繞組Y的中點(diǎn)接地，然后再由這一點(diǎn)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(diǎn)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?qǐng)D3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(shí)，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(yuǎn)遠(yuǎn)小于電路內(nèi)幾個(gè)功率管 和導(dǎo)線的電阻，所以電流在流過

　　(a) UPS負(fù)載端接地時(shí)L為正壓情況下電流的流動(dòng)路徑

　　(b) UPS負(fù)載端接地時(shí)L為負(fù)壓情況下電流的流動(dòng)路徑

　　圖5 UPS負(fù)載端接地時(shí)電流的流動(dòng)路徑