工频机全桥逆变器UPS输出变压器的功能

例：北京某电子公司机房采用了150kVAX5台带有输出变压器的工频机UPS，构成了4+1冗余系统。一天外电网停电，UPS工作在电池模式，此时突 然有人合上了输出端300kVA的变压器，负载变压器瞬间的短路启动电流竟导致了一场灾难：70多节100Ah电池被烧毁，如果UPS的输出变压器若能 "缓冲"一下，负载变压器的瞬间短路也就顶过去了!

认为变压器具有上述功能的误区在于把变压器当成了电感，当成了扼流圈，当成了惯性器件。

3.UPS输出变压器没有隔直流的能力

从前面讨论中已经知道在工频机UPS全桥逆变器的结构中必须要变压器，不仅是单相机，三相机更是这样：因为三相桥逆变器输出的是三条火线而没有零线，只 有通过?-Y型变换才能有三相四线制的电源。所以变压器是工频UPS不可分割的部分，考察变压器假如的历史就可知道他不具备其他功能，隔直流之说更没根 据，下面来进行具体分析。

隔直流之说的精髓是说当逆变器功率管故障后又有可能使直流电压加到用户机器的输入端，而输出变压器的初级和次 级绕组是分开的，直流电压只能停留在初级绕组上，于是就产生了隔离效果。是的，但这是其一，其二却不知会带来严重后果。事情完全不是想象中的那样，图11 示出了一般变压器的工作情况。首先承认这种变压器是变换交流电的，如图中正弦波。假如不用来变换交流电而是施加直流，如图11中将电池组开关S闭合，由于 变压器绕组内阻相当小(近似于短路)就会在电池组和变压器初级绕组之间形成相当大的短路电流，一直到将电池组或导线或绕组烧断为止。换言之，这种电源变压 器根本不能加直流。这是电工上人人皆知的常识。

图11 全桥逆变器UPS输出变压器原理图

下面再来讨论逆变器功率管损坏情况下的变压器状态。逆变器功率管的损坏有两种情况：断开或穿通(短路)。图12示出了UPS全桥逆变器一个功率管(比如VT2) 开路(断开)的情况。从图中可以看出，在此情况下的电流路径只能是一个方向的，就是说只能输出一个极性的半波，如图中所示。一个极性就意味着逆变器此时只 能输出半波电压，而半波饱含直流成分，直流电流分量在变压器初级绕组中的积累会使绕组达到饱和状态，就类似于绕组短路，形成很大的电流，以致将变压器和电 池这个回路烧断为结束。这个直流电流倒是没有进到负载端，但UPS本身烧了。

图12 全桥逆变器UPS一个功率管开路情况原理图

再看逆变器一支功率管(比如VT2)穿通(短路)的情况。只要VT3和VT4一工作就形成引发出巨大的隐患：管子截止时原来有两个串联功率管承受的高压现在都加在了一个管子上，压力增加了一倍，一旦它们承受不了这种高压就会被击穿而形成短路，如图13所示。强大的电流可将VT3或VT4瞬 间炸毁，否则就会导致全系统跳闸保护。某石油公司的兆瓦级机房就是因为这个原因而造成3+1并联冗余的4X300kVA供电系统跳闸停机。在这里的变压器 根本没有任何作为。当然如果不是断路器及时跳闸就会导致变压器起火。在这种情况下虽然也是隔断了直流，但同样是把自己烧毁了，这样的隔直流功能没给用户带 来任何好处。

以上两种情况都是用烧毁UPS本身的代价而保护了IT设备，这对IT设备用户是不是就算是一种福音呢?当然不是，因为不论是烧毁UPS还是IT设备都会使系统崩溃而无法继续工作。

如果UPS供电设备在逆变器功率管损坏的情况下不但保护了IT设备，同时也保证了本身的安然无恙，这样的隔直流功能才有实际意义，这才是用户真正需要的。

图13 全桥逆变器UPS一个功率管穿通情况原理图

持此种说法的误区在于没有搞清楚变压器不能加直流电压和电流的道理。

4.UPS变压器能提高UPS系统的可靠性和稳定性吗?

包括UPS在内的电子设备最容易出故障的主要因素是高温。在高温下，器件的漏电流增大、耐压降低。据有阿累纽斯定律介绍，当环境温度在25?C的基础 上，每上升10?C，元器件或设备的寿命就减半。当温度按照10?C的算术梯度上升时，元器件或设备的寿命就会按照1/2n (n=1，2，3…)的几何级数规律递减。而机内的温升来自机内各个电路环节的功耗，变压器是其中之一，如果没有变压器就可以少去这部分功耗。所以从这个意义上说，由于变压器的存在，在一定程度上降低了系统的可靠性。

这里的误区在于将变压器的机械稳定性和电气性能混为一谈。这里的稳定性指的是电性能的稳定性，既然由于变压器的存在降低了系统的可靠性，当然也相应地降 低了稳定性。陷入误区的人们误把电的稳定性当作机械稳定性来理解：变压器重量大，重心稳定，所以也就保证了系统的可靠性和稳定性。再者，变压器只是UPS 的一个组成部分，它不给整体添麻烦也算提高了设备的可靠性，若从这个角度上说看问题，任何一个组成部分都可以这么说。

5. UPS变压器能使系统适应大范围的电网变化吗?

有人说：由于目前的电网供电质量不高，电压波动很大，不得不采用带变压器的工频机UPS，并说工频机变压器就可以使UPS系统适应电网电压的大幅度变化，这也正是用户所关心的问题，难怪可以打动用户的心。事实如何呢?可从图14看得明白。从图中可以看出，

图14 工频机UPS输出变压器

这个变压器就是前面所介绍的输出电压变压器。这个变压器是接在逆变器的后面，它所承受的输入电压变化仅仅是?1%，可说吃的是"小灶"，不论输入电压如 何变化都和这个变压器无关。就是说，这个变压器的加入和输入端是否能承受电网的如何变化是风、马、牛毫不相关。所以那种"变压器能使系统适应大范围电网变 化"的说法也就没人相信了。

一个附带的问题：在大功率变压器中由于三角形变星形可消除三次谐波，所以这也是抗干扰。实际上在数据中心的 IT设备大部分用的是相电压220V，在这个电压上三次谐波依然存在，只是在线电压380V上由于相移的关系才消除了三次谐波，所以不用这个电压的用户享 受不到这个好处。