——王其英

    一、問題的提出

    UPS已朝高頻化發展，因為高頻化結構的UPS具有很多優點，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規模化和一致性。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模，再加之這兩方面個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，幾十年都沒發現的這些變壓器“特點”在即將被淘汰時突然被發掘出來了。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定的，需要嚴格控制的，所以一般需另設具穩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上面所宣傳的優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：

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。

    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D-Y變壓器變成低壓（3´389V/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

圖5   UPS負載端接地時電流的流動路徑

    負載以后再也不經過VT₃和VD₃，而是經短路線B N直接回到負端N。這樣一來，電流就只經過了兩只管子：一只整流二極管和一只逆變管IGBT，即規定的路線沒走完。圖5（b）示出了UPS負載端接地時L為負壓情況下電流的流動路徑，也同樣少經過兩只管子。這會出現什么問題呢？假如一個人到正規商店買東西，要分幾步走：選貨、開票、交款、取貨。如果是少了兩個步驟，比如只選貨和交款肯定不行，不開票就無法交款，結果什么也買不到東西；如果只進行交款和取貨，這不是正規商店的做法，也不行。總之，少一個步驟也買不回東西。UPS也一樣，少一個步驟就是電路失去了原來的功能，使負載得不到應得的潔凈的和穩定的輸入電壓，UPS反而成了累贅。這還是樂觀的情況，因為輸入輸出同步，不會出大問題。但在實際應用中就不這么幸運了，幾乎100%的UPS在啟動瞬間都不是同步的，必需要經過一段時間的跟蹤才能達到同步的目的。

    以上是理想的同步情況，實際上啟動的時機幾乎都不是同步的，幾乎在100%的場合都是爆炸。為什么會爆炸呢？這是因為在電源起動瞬間，功率管的開通順序幾乎都不是按照設定的順序工作，這時的開通順序是隨機的，如圖6所示，不但不同步還不同相位，幾乎100%情況下的功率管導通是圖6（a）的樣子，即當N為正L為負時電流的路徑應該是：

圖6   UPS負載端接地而輸出又和輸入不同步的情況

    但由于接地線的加入改變了電流的路徑：電流由N出發就直接到了負載R的下端，又由于逆變器功率管VT₃的開啟，使電流不能經過負載R，而是直接經過整流管VD₄回到L。這樣一來，電流沒有經過任何負載，兩個管子的導通形成短路狀態，如圖6（b）的等效電路所示，即使管子的內阻和導線電阻不為零，但已遠遠小于1W，而且管子的功率越大則內阻也越小，加粗后的導線電阻也越小。比如一臺1kVA的UPS，逆變器的效率為90%，即消耗100W，取五倍的功率管，即500W/50A，設短路電阻為0.1W（實際上比這個值小得多），這時的短路電流就是2200A，強大的電流在管子的PN結上會產生強烈的焦耳熱量，一方面會使截面積不相稱的引線起火甚至燒斷，一方面在PN結上的劇烈高度焦耳熱也會使管子像炸彈那樣炸裂。在上個世紀90年代由某公司進口品牌為Vlctron的小功率UPS，由于沒有輸出隔離變壓器，在用戶輸入端接地時幾乎都形成爆炸。后來不得不外加輸出變壓器BT，這才保證了正常使用，如圖7所示，這時的電流路徑是：

L+® VD₂ ® VT₂®BT初級繞組 ® VT₃® VD₃® N-

    恢復了無地線時的狀態。原來的負載R換成了變壓器初級繞組，這時的初級繞組就是負載R。不過是換了一種吸取功率的方式。換言之，變壓器就是一個具有物理隔離性的、不失真傳遞電功率的中間環節。這樣一來，在變壓器的次級繞組端就可以連接接地線了，如圖7所示。當然，在有的供電環境下零地線之間的電壓過高，使用戶感到不安，此時也可將此變壓器的次級繞組接地。

圖7 全橋變換器輸出加隔離變壓器的情況

    （2）工頻機輸出隔離變壓器的第二作用——變壓

    在一般小功率UPS中，為了節省成本，一般用的電池電壓不高，圖8就是一個電池電壓用60V的例子，當然常用的電池電壓規格很多，24V，36V，48V，192V，240V，等等。對于單相UPS來說輸出電壓有效值多為220V，分正負半波，半波的峰值是有效值的1.414倍，即220V´1.414=310V，正負半波的峰峰值就是620V，如圖8所示。由60V到620 V有10倍之差，不用變壓器是無法實現的，所以這個輸出變壓器的第二功能是變壓。

    所以UPS輸出變壓器的功能就是兩個：產生隔離接地點和變壓。

    2.UPS變壓器不具備抗（抑制）干擾和緩沖短路的功能

    那么，上述變壓器是否有抗干擾的功能呢？回答是否定的，而且也不允許其抗干擾。這里所謂的干擾只能來自負載，UPS的逆變器是不產生干擾的。負載對電壓源的要求是：輸出端動態性能一定要好，即動態內阻一定要小，這樣電源的輸出才能適應負載的變化，不允許有慣性。只有慣性環節才有抗干擾能力，變壓器不是電抗器，在正常工作時是線性的，不失真地傳遞信號，所以不具備抗干擾能力。那么從結構原理上又如何解釋呢？圖9示出了這種變壓器的結構原理圖。從圖9（a）的變壓器原理圖可以看出，普通電源變壓器都有初級和次級，而且都是一層層用漆包線繞成的，如圖9（b）的變壓器結構剖面圖所示。就是說，變壓器是由繞在鐵芯上的一層層銅漆包線構成，初級和次級也是這樣，兩層漆包線之間都墊有絕緣層，這樣一來，每層繞組就構成一個導體平板，兩層繞組之間就構成了一個平板電容器，進而在初次級繞組之間就形成了一個等效電容器C，如圖9（b）所示。在初次級繞組之間也就形成了一個容抗X_C，其數值的大小為：

圖9 變壓器結構原理圖

    式中：  X_c是等效電容的容抗，單位是歐姆（W）

    C是等效電容的容量，單位是法拉（F）

    f是干擾信號頻率，單位是赫茲（Hz）

    從式（1）中可以看出，電容的容抗和干擾信號的頻率成反比，而一般干擾信號的頻率很高，可以從幾千赫茲到幾十兆赫茲，尤其是各種形式的噪聲、尖峰等。但這些干擾到來時可以很順利地由初級通過電容C傳到次級。但浪涌到來時，由于其能量很大且頻率很低（可以到數個工頻周波），這時候變壓器就可以按照固有的變比將其傳導過去。

    有人說這個變壓器可以緩沖負載的短路，這也是沒有根據的。因為變壓器不是智能環節，根本無法判斷負載是短路還是短期的大負荷工作。圖10給出了IEC發布的PC機典型工作電流波形，從圖10（a）中可以看出，當機房中所有設備正常工作時，它們向UPS索取的最大電流值是分散的，所以從電源的電表上看負載不大，比如平時的負載也就是60%左右，但有時也會切換到旁路上去，有時是幾秒鐘，有時是幾分鐘。UPS所以會轉旁路，在正常情況下是因為過載，但過載時間超過設定值時就會轉旁路，過載消失后又切換回來。這是什么原因呢？從圖10（b）可以看出，但機房中所有或大部分計算機正巧在某一刻都工作在最大電流值時，負載量會變得很大。比如原來每臺負載的最大電流峰值是100A，正常時由于分散，負載變得很平和；一旦同步取最大值時比如500A，如果時間超過UPS允許的界限就會轉旁路。假如變壓器可以抗干擾和緩沖負載的突然變化，試問此時應當認為是干擾給抗掉呢還是當成短路給緩沖呢？要知道低于單機電流峰值的的干擾由于被負載淹沒是不需要抑圖10  設備系統不同工作狀況下的UPS的負載情況制的，只有抑制那些高于峰值電流的干擾才有意義。現在圖10（b）的電流峰值數倍于平時，不論是被變壓器緩沖還是抑制都會造成用電系統的停機！這樣的電源還有人敢用嗎！實際上變壓器一不能分辨干擾，也不能分辨短路，更沒有所謂“緩沖”和“抑制”的功能。

    例：北京某電子公司機房采用了150kVA´5臺帶有輸出變壓器的工頻機UPS，構成了4+1冗余系統。一天外電網停電，UPS工作在電池模式，此時突然有人合上了輸出端300kVA的變壓器，負載變壓器瞬間的短路啟動電流竟導致了一場災難：70多節100Ah電池被燒毀，如果UPS的輸出變壓器若能“緩沖”一下，負載變壓器的瞬間短路也就頂過去了!認為變壓器具有上述功能的誤區在于把變壓器當成了電感，當成了扼流圈，當成了慣性器件。

    從前面討論中已經知道在工頻機UPS全橋逆變器的結構中必須要變壓器，不僅是單相機，三相機更是這樣：因為三相橋逆變器輸出的是三條火線而沒有零線，只有通過D-Y型變換才能有三相四線制的電源。所以變壓器是工頻UPS不可分割的部分，考察變壓器假如的歷史就可知道他不具備其他功能，隔直流之說更沒根據，下面來進行具體分析。

    隔直流之說的精髓是說當逆變器功率管故障后又有可能使直流電壓加到用戶機器的輸入端，而輸出變壓器的初級和次級繞組是分開的，直流電壓只能停留在初級繞組上，于是就產生了隔離效果。是的，但這是其一，其二卻不知會帶來嚴重后果。事情完全不是想象中的那樣，圖11示出了一般變壓器的工作情況。首先承認這種變壓器是變換交流電的，如圖中正弦波。假如不用來變換交流電而是施加直流，如圖11中將電池組開關S閉合，由于變壓器繞組內阻相當小（近似于短路）就會在電池組和變壓器初級繞組之間形成相當大的短路電流，一直到將電池組或導線或繞組燒斷為止。換言之，這種電源變壓器根本不能加直流。這是電工上人人皆知的常識。

    下面再來討論逆變器功率管損壞情況下的變壓器狀態。逆變器功率管的損壞有兩種情況：斷開或穿通（短路）。圖12示出了UPS全橋逆變器一個功率管（比如VT₂）開路（斷開）的情況。從圖中可以看出，在此情況下的電流路徑只能是一個方向的，就是說只能輸出一個極性的半波，如圖中所示。一個極性就意味著逆變器此時只能輸出半波電壓，而半波飽含直流成分，直流電流分量在變壓器初級繞組中的積累會使繞組達到飽和狀態，就類似于繞組短路，形成很大的電流，以致將變壓器和電池這個回路燒斷為結束。這個直流電流倒是沒有進到負載端，但UPS本身燒了。

    再看逆變器一支功率管（比如VT₂）穿通（短路）的情況。只要VT₃和VT₄一工作就形成引發出巨大的隱患：管子截止時原來有兩個串聯功率管承受的高壓現在都加在了一個管子上，壓力增加了一倍，一旦它們承受不了這種高壓就會被擊穿而形成短路，如圖13所示。強大的電流可將VT₃或VT₄瞬間炸毀，否則就會導致全系統跳閘保護。某石油公司的兆瓦級機房就是因為這個原因而造成3+1并聯冗余的4´300kVA供電系統跳閘停機。在這里的變壓器根本沒有任何作為。當然如果不是斷路器及時跳閘就會導致變壓器起火。在這種情況下雖然也是隔斷了直流，但同樣是把自己燒毀了，這樣的隔直流功能沒給用戶帶來任何好處。

    以上兩種情況都是用燒毀UPS本身的代價而保護了IT設備，這對IT設備用戶是不是就算是一種福音呢？當然不是，因為不論是燒毀UPS還是IT設備都會使系統崩潰而無法繼續工作。

    如果UPS供電設備在逆變器功率管損壞的情況下不但保護了IT設備，同時也保證了本身的安然無恙，這樣的隔直流功能才有實際意義，這才是用戶真正需要的。

圖13 全橋逆變器UPS一個功率管穿通情況原理圖

    持此種說法的誤區在于沒有搞清楚變壓器不能加直流電壓和電流的道理。

    4．UPS變壓器能提高UPS系統的可靠性和穩定性嗎？

    包括UPS在內的電子設備最容易出故障的主要因素是高溫。在高溫下，器件的漏電流增大、耐壓降低。據有阿累紐斯定律介紹，當環境溫度在25°C的基礎上，每上升10°C，元器件或設備的壽命就減半。當溫度按照10°C的算術梯度上升時，元器件或設備的壽命就會按照1/ （n=1，2，3…）的幾何級數規律遞減。而機內的溫升來自機內各個電路環節的功耗，變壓器是其中之一，如果沒有變壓器就可以少去這部分功耗。所以從這個意義上說，由于變壓器的存在，在一定程度上降低了系統的可靠性。

    這里的誤區在于將變壓器的機械穩定性和電氣性能混為一談。這里的穩定性指的是電性能的穩定性，既然由于變壓器的存在降低了系統的可靠性，當然也相應地降低了穩定性。陷入誤區的人們誤把電的穩定性當作機械穩定性來理解：變壓器重量大，重心穩定，所以也就保證了系統的可靠性和穩定性。再者，變壓器只是UPS的一個組成部分，它不給整體添麻煩也算提高了設備的可靠性，若從這個角度上說看問題，任何一個組成部分都可以這么說。

    有人說：由于目前的電網供電質量不高，電壓波動很大，不得不采用帶變壓器的工頻機UPS，并說工頻機變壓器就可以使UPS系統適應電網電壓的大幅度變化，這也正是用戶所關心的問題，難怪可以打動用戶的心。事實如何呢？可從圖14看得明白。從圖中可以看出，

    這個變壓器就是前面所介紹的輸出電壓變壓器。這個變壓器是接在逆變器的后面，它所承受的輸入電壓變化僅僅是±1%，可說吃的是“小灶”，不論輸入電壓如何變化都和這個變壓器無關。就是說，這個變壓器的加入和輸入端是否能承受電網的如何變化是風、馬、牛毫不相關。所以那種“變壓器能使系統適應大范圍電網變化”的說法也就沒人相信了。

    一個附帶的問題：在大功率變壓器中由于三角形變星形可消除三次諧波，所以這也是抗干擾。實際上在數據中心的IT設備大部分用的是相電壓220V，在這個電壓上三次諧波依然存在，只是在線電壓380V上由于相移的關系才消除了三次諧波，所以不用這個電壓的用戶享受不到這個好處。■