工頻機(jī)全橋逆變器UPS輸出變壓器的功能

　　負(fù)載以后再也不經(jīng)過VT3和VD3，而是經(jīng)短路線B N直接回到負(fù)端N。這樣一來，電流就只經(jīng)過了兩只管子：一只整流二極管和一只逆變管IGBT，即規(guī)定的路線沒走完。圖5(b)示出了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，也同樣少經(jīng)過兩只管子。這會(huì)出現(xiàn)什么問題呢?假如一個(gè)人到正規(guī)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(gè)步驟，比如只選貨和交款肯定不行，不開票就無法交款，結(jié)果什么也買不到東西;如果只進(jìn)行交款和取貨，這不是正規(guī)商店的做法，也不行?？傊?，少一個(gè)步驟 也買不回東西。UPS也一樣，少一個(gè)步驟就是電路失去了原來的功能，使負(fù)載得不到應(yīng)得的潔凈的和穩(wěn)定的輸入電壓，UPS反而成了累贅。這還是樂觀的情況， 因?yàn)檩斎?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/輸出">輸出同步，不會(huì)出大問題。但在實(shí)際應(yīng)用中就不這么幸運(yùn)了，幾乎100%的UPS在啟動(dòng)瞬間都不是同步的，必需要經(jīng)過一段時(shí)間的跟蹤才能達(dá)到同步的 目的。

　　以上是理想的同步情況，實(shí)際上啟動(dòng)的時(shí)機(jī)幾乎都不是同步的，幾乎在100%的場合都是爆炸。為什么會(huì)爆炸呢?這是因?yàn)樵陔娫雌饎?dòng) 瞬間，功率管的開通順序幾乎都不是按照設(shè)定的順序工作，這時(shí)的開通順序是隨機(jī)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(dǎo)通是圖 6(a)的樣子，即當(dāng)N為正L為負(fù)時(shí)電流的路徑應(yīng)該是：

　　N→VD1→VT2→R→VT3→VD4→L

　　(a) 輸出與輸入不同步時(shí)的電流路徑

　　(b)輸出與輸入不同步時(shí)電流路徑的等效電路

　　圖6 UPS負(fù)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(fā)就直接到了負(fù)載R的下端，又由于逆變器功率管VT3的開啟，使電流不能經(jīng)過負(fù)載R，而是直接經(jīng)過 整流管VD4回到L。這樣一來，電流沒有經(jīng)過任何負(fù)載，兩個(gè)管子的導(dǎo)通形成短路狀態(tài)，如圖6(b)的等效電路所示，即使管子的內(nèi)阻和導(dǎo)線電阻不為零，但已 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1?，而且管子的功率越大則內(nèi)阻也越小，加粗后的導(dǎo)線電阻也越小。比如一臺(tái)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(shè)短路電阻為0.1?(實(shí)際上比這個(gè)值小得多)，這時(shí)的短路電流就是2200A，強(qiáng)大的電流在管子的PN結(jié)上會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的焦耳 熱量，一方面會(huì)使截面積不相稱的引線起火甚至燒斷，一方面在PN結(jié)上的劇烈高度焦耳熱也會(huì)使管子像炸彈那樣炸裂。在上個(gè)世紀(jì)90年代由某公司進(jìn)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(shí)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(shí)的電流路徑是：

　　L+→VD2→VT2→BT初級繞組→VT3→VD3→N-

　　恢復(fù)了無地線時(shí)的狀態(tài)。原來的負(fù)載R換成了變壓器初級繞組，這時(shí)的初級繞組就是負(fù)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(gè)具有物理 隔離性的、不失真?zhèn)鬟f電功率的中間環(huán)節(jié)。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(dāng)然，在有的供電環(huán)境下零地線之間的電壓過高， 使用戶感到不安，此時(shí)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(jī)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(jié)省成本，一般用的電池電壓不高，圖8就是一個(gè)電池電壓用60V的例子，當(dāng)然常用的電池電壓規(guī)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(fù)半波，半波的峰值是有效值的1.414 倍，即220VX1.414=310V，正負(fù)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(shí)現(xiàn)的，所以這個(gè)輸出變壓器的第二功能是變壓。

　　圖8 3-25 變壓器的升壓作用原理圖

　　所以UPS輸出變壓器的功能就是兩個(gè)：產(chǎn)生隔離接地點(diǎn)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(fù)載，UPS的逆變器是不產(chǎn)生干擾的。負(fù)載對電壓 源的要求是：輸出端動(dòng)態(tài)性能一定要好，即動(dòng)態(tài)內(nèi)阻一定要小，這樣電源的輸出才能適應(yīng)負(fù)載的變化，不允許有慣性。只有慣性環(huán)節(jié)才有抗干擾能力，變壓器不是電 抗器，在正常工作時(shí)是線性的，不失真地傳遞信號(hào)，所以不具備抗干擾能力。那么從結(jié)構(gòu)原理上又如何解釋呢?圖9示出了這種變壓器的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(gòu)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(gòu)成一個(gè)導(dǎo)體平板，兩層繞組之間就構(gòu)成了一個(gè)平板電容 器，進(jìn)而在初次級繞組之間就形成了一個(gè)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(gè)容抗XC，其數(shù)值的大小為：

　　　　　　　　　　　　(1)

　　(a)變壓器原理圖 (b)變壓器結(jié)構(gòu)剖面圖

　　圖9 變壓器結(jié)構(gòu)原理圖