了解傳統UPS輸出隔離變壓器的功能是非常重要的,因為只有當用電路措施能夠完全實現它的功能時,才有可能在新一代設備中替代并取消它。
  
  應該說,這個變壓器是工頻機全橋逆變器不可分離的構成部分。
  
  要提示的概念(一)輸出變壓器的功能:升壓和產生三相四線輸出的零線。
  
  (1)輸出變壓器的功能之一是為單相負載/三相負載提供所需的零線
  
  帶輸出變壓器的UPS的DC/AC逆變器通常是由全橋電路組成,如圖2所示。輸出端必須加變壓器,否則就完不成輸出單相或三相四線交流電壓的功能。所以此變壓器應視為產生輸出零線的變壓器。
  
  (2)輸出變壓器的功能之二是對輸出電壓的匹配作用
  
  傳統大中型UPS主回路結構采用可控硅整流將輸入的交流電整流為直流電,電池直接(或經過DC/DC變換)掛在直流母線上。當輸入市電正常時,靠可控硅整流電路的調節為橋式逆變器供電。從系統結構可以看出,從整流輸入到逆變輸出的過程中,每個環節都是降壓環節:可控硅整流要“斬掉”一部分輸入電壓,其輸出電壓恒定的代價是輸出電壓恒定在低于全波整流輸出電壓的某個數值上。而逆變環節同樣是一個降壓環節,逆變器采用脈寬調制(PWM)方法逆變出正弦交流電,其結果同樣是輸出電壓等級的再次降低。正是由于上述的原因,在此種結構的UPS逆變器中,輸出變壓器起著電壓匹配和提升的作用,將逆變器輸出的電壓升到合理的范圍。工頻機輸出變壓器設計參數如圖3所示。
  
  根據參考文獻[1]的分析,輸出變壓器的實際升壓比應該是1∶1.8左右。
  
  需要糾正的概念(二)在系統中,科華工頻機UPS輸出變壓器沒有隔離功能
  
  在科華UPS供電系統中,UPS設備的一個至關重要的功能是當輸出過載或者UPS逆變器故障時,自動轉靜態旁路供電。另外,在系統中還設置了維護旁路,當UPS需要維護時可手動轉維護旁路向負載供電。執行這兩個操作時,都是由旁路輸入三相四線電壓直接向負載供電,所以系統的零線要與負載端的零線必須短接在一起。這就決定了帶輸出變壓器的UPS的變壓器次級新產生的零線也必須連接到輸入電源系統的零線上,如圖4所示。也就是說,UPS機內的變壓器沒有系統隔離的功能。
  
  如果一定賦予輸出變壓器具備系統隔離功能,就需要把變壓器輸出零線(也是UPS三線輸出零線)直接接系統地,如圖5所示。其后果是,系統正常工作時,單相IT負載工作電流通過系統零線到系統接地極,然后通過系統地線回到輸出變壓器零線,結果是地線中有的工作電流流過,系統地電位浮動,造成的地線壓差比零線二次接地(零線地線并聯)還要大4倍(零線地線串聯),嚴重影響IT系統運行的穩定性和安全性。
  
  實際上,工頻機UPS廠商的服務工程師也深諳此中道理,他們在實際安裝時毫無例外地都是把輸出變壓器(UPS逆變端變壓器)的零線接在系統零線上,所以“工頻機UPS輸出隔離變壓器有隔離作用”這一概念純屬捏造。
  
  需要糾正的概念(三)科華工頻機UPS輸出變壓器在系統中沒有抗干擾功能
  
  由于變壓器的阻抗有一定的感性成分,因而說這個變壓器具有一定的抗干擾作用是可以理解的。但是逆變器輸出變壓器卻不是為抗干擾而設置的,它的抗干擾能力也是有限的。
  
  并不是隔離變壓器就能抗干擾,普通線性隔離變壓器的抗干擾能力是有限的。首先,對于輸入電壓中存在的低頻干擾和電壓畸變,變壓器不可能也不允許“抗干擾”,否則通過變壓器傳輸的電壓波形就會失真;而對由地線環路帶來的設備間的相互高頻干擾有一定的抑制作用,但因繞組間存在的分布電容,使它對共模干擾的抑制效果隨干擾頻率的升高而下降。再者,變壓器是靠磁耦合實現原邊和副邊的電壓變換的,因而它也不具備抗差模干擾的功能。在1kHz～100MHz的干擾頻率范圍內,普通線性隔離變壓器對共模和差模干擾的衰減能力都微乎其微。對普通隔離變壓器的共模抑制能力的分析表明,要提高對共模干擾的抑制能力,關鍵是減小變壓器繞組的匝間耦合電容,為此需要在變壓器初、次級間加設屏蔽層,而這正是所謂的“超級隔離變壓器”,如圖6和圖7所示。
  

  圖6中,C1為初級繞阻與屏蔽層之間的分布電容,C2為次級繞阻與屏蔽層之間的分布電容,Z1為屏蔽層接地阻抗,Z2為負載的對地阻抗,E1為初級干擾(共模型)電壓,E2為E1通過耦合傳導到次級的干擾(共模型)電壓。如果C1和C2的阻抗遠大于屏蔽層接地阻抗,則偶合傳導到次級的干擾電壓E2就會遠小于E1。
  
  超級屏蔽隔離變壓器有3屏蔽層,靠近初級繞阻的屏蔽層連接在初級中性線上,可以濾掉初級出現的高頻差模干擾。而對50Hz的工頻電壓則不產生任何影響,靠近次級繞阻的屏蔽層連接在次級中性線上,可以濾掉次級出現的高頻差模干擾。中間屏蔽層則與變壓器外殼連在一起,再接大地,主要用來濾掉共模干擾。
  
  需要糾正的概念(四)科華工頻機UPS輸出變壓器不具備也不允許有耐負載電流沖擊的能力
  
  一種說法是,工頻機UPS輸出變壓器有抗負載電流沖擊的能力。我們姑且不說一個線性變壓器具有抗負載沖擊能力是否有理論根據和實驗數據,而僅就UPS輸出變壓器供電的負載性質而言,也不允許它具備這種能力。UPS輸出變壓器是直接對IT設備供電的,IT負載的沖擊有兩種,一是設備開機時的啟動電流,二是系統正常運行時設備投入運行的動態電流。特別是正常運行時設備投入運行的動態變化電流,是不允許“抗”和“抑制”的,如果IT設備投入運行時,輸入電流有40%的突然增加,為其供電的電源UPS就必須瞬間給出,否則就會影響IT設備的正常運行。
  
  變壓器并不儲備能量,負載的任何沖擊都會傳遞到逆變器主電路,UPS輸出可緩解負載電流沖擊對逆變電路影響的器件是可儲能并可瞬間給出變化電流的電容,而非輸出變壓器。