工頻機(jī)全橋逆變器UPS輸出變壓器的功能

　　式中：Xc是等效電容的容抗，單位是歐姆(

)

　　C是等效電容的容量，單位是法拉(F)

　　f是干擾信號(hào)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(hào)的頻率成反比，而一般干擾信號(hào)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(lái)時(shí)可以很順利地由初級(jí)通過(guò)電容C傳到次級(jí)。但浪涌到來(lái)時(shí)，由于其能量很大且頻率很低(可以到數(shù)個(gè)工頻周波)，這時(shí)候變壓器就可以按照固有的變 比將其傳導(dǎo)過(guò)去。

　　有人說(shuō)這個(gè)變壓器可以緩沖負(fù)載的短路，這也是沒(méi)有根據(jù)的。因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/變壓器">變壓器不是智能環(huán)節(jié)，根本無(wú)法判斷負(fù)載是短路還是短期的大負(fù)荷工作。圖10給出了 IEC發(fā)布的PC機(jī)典型工作電流波形，從圖10(a)中可以看出，當(dāng)機(jī)房中所有設(shè)備正常工作時(shí)，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(fù)載不大，比如平時(shí)的負(fù)載也就是60%左右，但有時(shí)也會(huì)切換到旁路上去，有時(shí)是幾秒鐘，有時(shí)是幾分鐘。UPS所以會(huì)轉(zhuǎn)旁路，在正常情況下是因?yàn)檫^(guò)載， 但過(guò)載時(shí)間超過(guò)設(shè)定值時(shí)就會(huì)轉(zhuǎn)旁路，過(guò)載消失后又切換回來(lái)。這是什么原因呢?從圖10(b)可以看出，但機(jī)房中所有或大部分計(jì)算機(jī)正巧在某一刻都工作在最 大電流值時(shí)，負(fù)載量會(huì)變得很大。比如原來(lái)每臺(tái)負(fù)載的最大電流峰值是100A，正常時(shí)由于分散，負(fù)載變得很平和;一旦同步取最大值時(shí)比如500A，如果時(shí)間 超過(guò)UPS允許的界限就會(huì)轉(zhuǎn)旁路。假如變壓器可以抗干擾和緩沖負(fù)載的突然變化，試問(wèn)此時(shí)應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是干擾給抗掉呢還是當(dāng)成短路給緩沖呢?要知道低于單機(jī)電流 峰值的的干擾由于被負(fù)載淹沒(méi)是不需要抑

　　圖10 設(shè)備系統(tǒng)不同工作狀況下的UPS的負(fù)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(xiàn)在圖10(b)的電流峰值數(shù)倍于平時(shí)，不論是被變壓器緩沖還是抑制都會(huì)造成用電系統(tǒng)的停機(jī)!這樣的電源還有人敢用嗎!實(shí)際上變壓器一不能分辨干擾，也不能分辨短路，更沒(méi)有所謂“緩沖”和“抑制”的功能。

　　例：北京某電子公司機(jī)房采用了150kVAX5臺(tái)帶有輸出變壓器的工頻機(jī)UPS，構(gòu)成了4+1冗余系統(tǒng)。一天外電網(wǎng)停電，UPS工作在電池模式，此時(shí)突 然有人合上了輸出端300kVA的變壓器，負(fù)載變壓器瞬間的短路啟動(dòng)電流竟導(dǎo)致了一場(chǎng)災(zāi)難：70多節(jié)100Ah電池被燒毀，如果UPS的輸出變壓器若能 “緩沖”一下，負(fù)載變壓器的瞬間短路也就頂過(guò)去了!

　　認(rèn)為變壓器具有上述功能的誤區(qū)在于把變壓器當(dāng)成了電感，當(dāng)成了扼流圈，當(dāng)成了慣性器件。

　　3.UPS輸出變壓器沒(méi)有隔直流的能力

　　從前面討論中已經(jīng)知道在工頻機(jī)UPS全橋逆變器的結(jié)構(gòu)中必須要變壓器，不僅是單相機(jī)，三相機(jī)更是這樣：因?yàn)槿鄻?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/逆變器">逆變器輸出的是三條火線而沒(méi)有零線，只 有通過(guò)?-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(shuō)更沒(méi)根 據(jù)，下面來(lái)進(jìn)行具體分析。

　　隔直流之說(shuō)的精髓是說(shuō)當(dāng)逆變器功率管故障后又有可能使直流電壓加到用戶機(jī)器的輸入端，而輸出變壓器的初級(jí)和次 級(jí)繞組是分開(kāi)的，直流電壓只能停留在初級(jí)繞組上，于是就產(chǎn)生了隔離效果。是的，但這是其一，其二卻不知會(huì)帶來(lái)嚴(yán)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(rèn)這種變壓器是變換交流電的，如圖中正弦波。假如不用來(lái)變換交流電而是施加直流，如圖11中將電池組開(kāi)關(guān)S閉合，由于 變壓器繞組內(nèi)阻相當(dāng)小(近似于短路)就會(huì)在電池組和變壓器初級(jí)繞組之間形成相當(dāng)大的短路電流，一直到將電池組或?qū)Ь€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(shí)。

　　圖11 全橋逆變器UPS輸出變壓器原理圖

　　下面再來(lái)討論逆變器功率管損壞情況下的變壓器狀態(tài)。逆變器功率管的損壞有兩種情況：斷開(kāi)或穿通(短路)。圖12示出了UPS全橋逆變器一個(gè)功率管(比如VT2) 開(kāi)路(斷開(kāi))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(gè)方向的，就是說(shuō)只能輸出一個(gè)極性的半波，如圖中所示。一個(gè)極性就意味著逆變器此時(shí)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(jí)繞組中的積累會(huì)使繞組達(dá)到飽和狀態(tài)，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(gè)回路燒斷為結(jié)束。這個(gè)直流電流倒是沒(méi)有進(jìn)到負(fù)載端，但UPS本身燒了。

　　圖12 全橋逆變器UPS一個(gè)功率管開(kāi)路情況原理圖

　　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(fā)出巨大的隱患：管子截止時(shí)原來(lái)有兩個(gè)串聯(lián)功率管承受的高壓現(xiàn)在都加在了一個(gè)管子上，壓力增加了一倍，一旦它們承受不了這種高壓就會(huì)被擊穿而形成短路，如圖13所示。強(qiáng)大的電流可將VT3或VT4瞬 間炸毀，否則就會(huì)導(dǎo)致全系統(tǒng)跳閘保護(hù)。某石油公司的兆瓦級(jí)機(jī)房就是因?yàn)檫@個(gè)原因而造成3+1并聯(lián)冗余的4X300kVA供電系統(tǒng)跳閘停機(jī)。在這里的變壓器 根本沒(méi)有任何作為。當(dāng)然如果不是斷路器及時(shí)跳閘就會(huì)導(dǎo)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(méi)給用戶帶 來(lái)任何好處。

　　以上兩種情況都是用燒毀UPS本身的代價(jià)而保護(hù)了IT設(shè)備，這對(duì)IT設(shè)備用戶是不是就算是一種福音呢?當(dāng)然不是，因?yàn)椴徽撌菬龤PS還是IT設(shè)備都會(huì)使系統(tǒng)崩潰而無(wú)法繼續(xù)工作。

　　如果UPS供電設(shè)備在逆變器功率管損壞的情況下不但保護(hù)了IT設(shè)備，同時(shí)也保證了本身的安然無(wú)恙，這樣的隔直流功能才有實(shí)際意義，這才是用戶真正需要的。

　　圖13 全橋逆變器UPS一個(gè)功率管穿通情況原理圖

　　持此種說(shuō)法的誤區(qū)在于沒(méi)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(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性嗎?

　　包括UPS在內(nèi)的電子設(shè)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(jù)有阿累紐斯定律介紹，當(dāng)環(huán)境溫度在25?C的基礎(chǔ) 上，每上升10?C，元器件或設(shè)備的壽命就減半。當(dāng)溫度按照10?C的算術(shù)梯度上升時(shí)，元器件或設(shè)備的壽命就會(huì)按照1/2n (n=1，2，3…)的幾何級(jí)數(shù)規(guī)律遞減。而機(jī)內(nèi)的溫升來(lái)自機(jī)內(nèi)各個(gè)電路環(huán)節(jié)的功耗，變壓器是其中之一，如果沒(méi)有變壓器就可以少去這部分功耗。所以從這個(gè)意義上說(shuō)，由于變壓器的存在，在一定程度上降低了系統(tǒng)的可靠性。

　　這里的誤區(qū)在于將變壓器的機(jī)械穩(wěn)定性和電氣性能混為一談。這里的穩(wěn)定性指的是電性能的穩(wěn)定性，既然由于變壓器的存在降低了系統(tǒng)的可靠性，當(dāng)然也相應(yīng)地降 低了穩(wěn)定性。陷入誤區(qū)的人們誤把電的穩(wěn)定性當(dāng)作機(jī)械穩(wěn)定性來(lái)理解：變壓器重量大，重心穩(wěn)定，所以也就保證了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。再者，變壓器只是UPS 的一個(gè)組成部分，它不給整體添麻煩也算提高了設(shè)備的可靠性，若從這個(gè)角度上說(shuō)看問(wèn)題，任何一個(gè)組成部分都可以這么說(shuō)。

　　5. UPS變壓器能使系統(tǒng)適應(yīng)大范圍的電網(wǎng)變化嗎?

　　有人說(shuō)：由于目前的電網(wǎng)供電質(zhì)量不高，電壓波動(dòng)很大，不得不采用帶變壓器的工頻機(jī)UPS，并說(shuō)工頻機(jī)變壓器就可以使UPS系統(tǒng)適應(yīng)電網(wǎng)電壓的大幅度變化，這也正是用戶所關(guān)心的問(wèn)題，難怪可以打動(dòng)用戶的心。事實(shí)如何呢?可從圖14看得明白。從圖中可以看出，

　　圖14 工頻機(jī)UPS輸出變壓器

　　這個(gè)變壓器就是前面所介紹的輸出電壓變壓器。這個(gè)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(shuō)吃的是“小灶”，不論輸入電壓如 何變化都和這個(gè)變壓器無(wú)關(guān)。就是說(shuō)，這個(gè)變壓器的加入和輸入端是否能承受電網(wǎng)的如何變化是風(fēng)、馬、牛毫不相關(guān)。所以那種“變壓器能使系統(tǒng)適應(yīng)大范圍電網(wǎng)變 化”的說(shuō)法也就沒(méi)人相信了。

　　一個(gè)附帶的問(wèn)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(shí)際上在數(shù)據(jù)中心的 IT設(shè)備大部分用的是相電壓220V，在這個(gè)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(guān)系才消除了三次諧波，所以不用這個(gè)電壓的用戶享 受不到這個(gè)好處。