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UPS高频机与工频机的若干概念问题

2019-03-01

1 去掉输出变压器是UPS设备电路技术的进步

  
  UPS技术和产品产生于60年前,60年来,随着功率半导体器件和电力电子技术的进步,UPS设备经历了由带多个输出工频变压器到单个输出工频变压器再到去掉输出变压器的演变过程,如图1所示。
  

  性能更好的大功率IGBT器件和更先进的控制技术的出现,为UPS设备从根本去掉输出隔离变压器创造了物质条件,使其在高频化、小型化、节能化和绿色环保化方面取得了长足的进展,这就是人们所说的“高频机”。这种机型集中体现了UPS电路技术的进步,代表着UPS技术的发展方向。
  
  高频机UPS的性能优势可概括为以下五个方面:
  
  ①高输入功率因数,低输入电流失真度,输入功率因数高达99%,输入谐波含量小于3%;
  
  ②工作效率提高3%,可达到95%;
  
  ③重量轻、体积小,功率密度(kW/m2)比工频机提高40%左右;占地面积(m2)比工频机减少25%左右,重量比工频机减少50%~80%;
  
  ④成本低,整机去掉输出隔离变压器、输入12脉冲移相变压器、5次或11次无源滤波器;
  
  ⑤对电性能指标的改进,输入电压范围更宽,三相负载不平衡的适应能力强,输出动态性能好。
  
  2 工频机UPS设备输出变压器的功能
  
  了解传统UPS输出隔离变压器的功能是非常重要的,因为只有当用电路措施能够完全实现它的功能时,才有可能在新一代设备中替代并取消它。
  
  应该说,这个变压器是工频机全桥逆变器不可分离的构成部分。
  
  要提示的概念(一)输出变压器的功能:升压和产生三相四线输出的零线。
  
  (1)输出变压器的功能之一是为单相负载/三相负载提供所需的零线
  
  带输出变压器的UPS的DC/AC逆变器通常是由全桥电路组成,如图2所示。输出端必须加变压器,否则就完不成输出单相或三相四线交流电压的功能。所以此变压器应视为产生输出零线的变压器。
  

  (2)输出变压器的功能之二是对输出电压的匹配作用
  
  传统大中型UPS主回路结构采用可控硅整流将输入的交流电整流为直流电,电池直接(或经过DC/DC变换)挂在直流母线上。当输入市电正常时,靠可控硅整流电路的调节为桥式逆变器供电。从系统结构可以看出,从整流输入到逆变输出的过程中,每个环节都是降压环节:可控硅整流要“斩掉”一部分输入电压,其输出电压恒定的代价是输出电压恒定在低于全波整流输出电压的某个数值上。而逆变环节同样是一个降压环节,逆变器采用脉宽调制(PWM)方法逆变出正弦交流电,其结果同样是输出电压等级的再次降低。正是由于上述的原因,在此种结构的UPS逆变器中,输出变压器起着电压匹配和提升的作用,将逆变器输出的电压升到合理的范围。工频机输出变压器设计参数如图3所示。
  

  根据参考文献[1]的分析,输出变压器的实际升压比应该是1∶1.8左右。
  
  需要纠正的概念(二)在系统中,工频机UPS设备输出变压器没有隔离功能
  
  在UPS供电系统中,UPS设备的一个至关重要的功能是当输出过载或者UPS逆变器故障时,自动转静态旁路供电。另外,在系统中还设置了维护旁路,当UPS需要维护时可手动转维护旁路向负载供电。执行这两个操作时,都是由旁路输入三相四线电压直接向负载供电,所以系统的零线要与负载端的零线必须短接在一起。这就决定了带输出变压器的UPS的变压器次级新产生的零线也必须连接到输入电源系统的零线上,如图4所示。也就是说,UPS机内的变压器没有系统隔离的功能。
  

  如果一定赋予输出变压器具备系统隔离功能,就需要把变压器输出零线(也是UPS三线输出零线)直接接系统地,如图5所示。其后果是,系统正常工作时,单相IT负载工作电流通过系统零线到系统接地极,然后通过系统地线回到输出变压器零线,结果是地线中有100%的工作电流流过,系统地电位浮动,造成的地线压差比零线二次接地(零线地线并联)还要大4倍(零线地线串联),严重影响IT系统运行的稳定性和安全性。
  

  实际上,工频机UPS厂商的服务工程师也深谙此中道理,他们在实际安装时毫无例外地都是把输出变压器(UPS逆变端变压器)的零线接在系统零线上,所以“工频机UPS输出隔离变压器有隔离作用”这一概念纯属捏造。
  
  需要纠正的概念(三)工频机UPS设备输出变压器在系统中没有抗*功能
  
  由于变压器的阻抗有一定的感性成分,因而说这个变压器具有一定的抗*作用是可以理解的。但是逆变器输出变压器却不是为抗*而设置的,它的抗*能力也是有限的。
  
  并不是隔离变压器就能抗*,普通线性隔离变压器的抗*能力是有限的。首先,对于输入电压中存在的低频*和电压畸变,变压器不可能也不允许“抗*”,否则通过变压器传输的电压波形就会失真;而对由地线环路带来的设备间的相互高频*有一定的抑制作用,但因绕组间存在的分布电容,使它对共模*的抑制效果随*频率的升高而下降。再者,变压器是靠磁耦合实现原边和副边的电压变换的,因而它也不具备抗差模*的功能。在1kHz~100MHz的*频率范围内,普通线性隔离变压器对共模和差模*的衰减能力都微乎其微。对普通隔离变压器的共模抑制能力的分析表明,要提高对共模*的抑制能力,关键是减小变压器绕组的匝间耦合电容,为此需要在变压器初、次级间加设屏蔽层,而这正是所谓的“超级隔离变压器”,如图6和图7所示。
  


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