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高頻機結構UPS也有變壓器

來源:中國綠色數據中心 作者:王其英 更新時間:2009-12-14 15:41:19

摘要:UPS的發展方向之一就是高頻化,高頻化結構的UPS不但性能好,而且節能減排,正好符合當前的國策。但是由于技術的發展都有一個過程,所以多年來人們一直使用的是工頻機結構UPS,而且用得也不錯,所以突然改用新產品,心里有些不踏實。

    一、前言
   
    UPS的發展方向之一就是高頻化,高頻化結構的UPS不但性能好,而且節能減排,正好符合當前的國策。但是由于技術的發展都有一個過程,所以多年來人們一直使用的是工頻機結構UPS,而且用得也不錯,所以突然改用新產品,心里有些不踏實。盡管高頻機結構UPS實際上已有十多年的歷史,性能也遠遠超過工頻機結構產品,但由于對技術和生產工藝要求比較嚴格,一般生產廠家的手工作業難以適應,在技術上也要慢慢提高。再加之用戶的惰性,所以也就不忙于改變現狀。但高頻化畢竟是方向,是歷史潮流,如果找不出延長工頻機結構產品的理由也恐怕難以長久。

    伊人思之再三,忽得良策:發現高頻機結構UPS沒有“變壓器”。既然高頻機結構UPS沒有變壓器,那就不會有變壓器的“優點”。這就是工頻機產品的“柳暗花明”起死回生之術。

    經過了再三深入挖掘,終于找出了工頻機變壓器的幾大優點: 
    * 工頻機變壓器可以抗干擾 
    * 工頻機變壓器可以緩沖負載的突然變化和短路 
    * 逆變器功率管故障時工頻機變壓器可以隔直流,以保護負載被直流損壞 
    * 工頻機變壓器可以提高整個設備的可靠性 
    * 工頻機變壓器可以提高整個設備對電網電壓變化和沖擊的能力

    這些優點已被公布的確引起了不少用戶興趣,一時間點名要“帶有變壓器的工頻機UPS”的技術條件豁然出現在招標書上,大有對高頻機結構產品不屑一敝而打入冷宮的氣氛。對于這些所謂的幾大優點筆者在多個雜志和書籍中已有論述,再不重復。一句話,這幾大優點不但沒有任何根據,而且有的還違背了對UPS和電源變壓器的基本要求。

    事實如何呢?真的是這樣嗎?如果是事實,那么高頻化的發展方向就錯了。但無數事實證明電子產品不走高頻化的道路就沒有出路。問題出在何處?下面就來揭開變壓器真正作用的面紗。

    二、為什么工頻機UPS必須要輸出變壓器? 
   
    1.工頻變壓器的第一作用是變壓 
    UPS輸出的有效值為220V的正弦波交流電壓的峰峰值電壓是620V,而一般單相UPS的輸入整流電壓才310V(這還不包括一般為48V電池的情況),為了使逆變器不失真地輸出有效值為220V的正弦波交流電壓,逆變器前面的直流電壓必須是650V∼870V。由于工頻機逆變器的輸入電壓遠遠低于這個值,所以必須加一個輸出變壓器將電壓提升到額定峰值以上才可使用,如圖1所示。圖中所示為電池電壓為48V的情況,在中小功率中,為了節約成本,一般都不將電池電壓做得太高,所以輸出隔離變壓器一般為升壓工作方式。圖中虛線以左的部分為輸入隔離變壓器,現在已不作為標配。

    2. 工頻變壓器的第一作用是產生隔離接地點
    工頻機UPS采用的是全橋變換器,圖2所示為工頻機整流/逆變電流途徑原理圖。從電路中可看出,這種變換器輸出的兩根線不是一根火線和一根零線,而是兩根火線,如圖2(a)所示輸入輸出同步時,L為正半波時電流流動方向,可以看出正半波時電流的路徑是兩個整流二極管、兩個逆變功率管和負載。但一般的UPS負載要求必須具有零線,以便于接地,如果在沒有輸出隔離變壓器的情況下,就將一根火線硬性接地,如圖2(b)所示在上述情況下的一端接地情況,就會導致UPS的工作失常。圖中給出了在電壓正弦波正半波時的電流流動方向和途徑,負半波也是如此。從圖中可以看出,由于零線的接入,使負載電流經過負載后不是經過整流器和逆變管,而是直接流回市電的零線輸入端,在這種情況下,圖中只有用淺灰色標出的一只整流器和一只逆變功率管起作用。按照正常的工作程序,負載電流應該流過兩個橋式電路的各2只管子,在這里少了一半。


圖1 輸出隔離變壓器的升壓作用電原理圖

    上述是輸入輸出同步的情況,還不會出現太嚴重的情況。如果不同步,其N為正半波時的電流流動方向,在這里電流只經過了兩個管子而沒有流經負載,其等效電路如圖2(c)所示。圖2(d)是圖(c)的等效電路,在這種情況下就會導致逆變器功率管爆炸。為了杜絕這種情況的發生,就必須在逆變器輸出端接輸出變壓器,如圖2(e)所示。這樣一來這個變壓器是全橋電路不可分割的一部分。是為了解決上述困難的權宜之計,并不是為了增加別的功能而另外增加的環節。換句話說,工頻機結構UPS在這種情況下如果不加輸出隔離變壓器,用戶就不會接受。


(a) 無輸出變壓器正半波時的電流流動方向和途徑(輸入輸出同步)



(b)無輸出變壓器正半波輸出一端接地時電流流動方向和途徑(輸入輸出同步)




(c)無輸出變壓器負半波輸出一段接地時電流流動方向和途徑(輸入輸出不同步)

(d)無輸出變壓器負半波輸出一端接地時電流的等效電路 (輸入輸出不同步)


(e)有輸出變壓器正半波時的電流流動方向和途徑

圖2 工頻機整流/逆變電流途徑原理圖

    2.三相電壓UPS
    三相電壓的工頻機結構UPS也是這樣,圖3示出了三相工頻機結構UPS主電路圖,從電路圖中也可以看出,其三相全橋逆變器的三根輸出線也都是火線,而絕大多數用戶所需要的的是三相四線制供電模式,即3?380V/220V體系。這就需要將三相三線制電壓經?-Y變換而轉換成三相四線制電壓系統。另一方面,工頻機結構UPS的直流電壓都是采用的單一直流電壓,即用的是一組電池,如圖3所示,這也就決定了它的輸出電壓模式必然是全火線輸出,也只有用隔離變壓器才能得出隔離接地點。


圖3 三相工頻機結構UPS主電路圖

    從以上的分析可以看出,并壓器是工頻機結構UPS不可分離的一部分。 

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