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1、工頻機與高頻機的演進

　　上世紀60年代末誕生了第一代基于半導體器件的UPS，該UPS一共有五個變壓器，其中整流器輸入用的是自耦變壓器，另外有一副繞組用于電池充電，逆變則用了四個隔離變壓器，通過不同的相位疊加成脈波式階梯逆變電壓，再通過LC濾波器，變成正弦波。國內(nèi)通常把這種含逆變隔離變壓器的UPS稱為工頻機。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，得益于半導體的進步，在上世紀90年代，工頻機逆變器已經(jīng)減少為一個隔離變壓器(見圖二)，而到了本世紀初，各大UPS廠商紛紛推出了逆變器無隔離變壓器的UPS，稱為高頻機。

 

　　圖一 第一代基于半導體的UPS(不包含旁路)

 

　　圖二 12脈波、單隔離變壓器的工頻機UPS

　　2、隔離變壓器在UPS中的作用分析

　　從架構(gòu)來看，工頻機與高頻機最大的區(qū)別在于高頻機省去了逆變隔離變壓器，正是因為省去了該隔離變壓器，高頻UPS的重量、體積均大幅度減小，效率提升明顯，相對工頻機有強大的競爭優(yōu)勢。由于工頻機已經(jīng)誕生幾十年，很多UPS用戶對高頻機產(chǎn)生了懷疑，認為高頻機沒有隔離變壓器，會產(chǎn)生如下一些問題：

　　a).輸出沒有被隔離;

　　b).無法抑制干擾;

　　c).無法降低零地電壓;

　　d).無法實現(xiàn)故障隔離;

　　e).無法抑制低頻的3n次諧波。

　　本文從原理上進行比較，來探討相比有輸出隔離變壓器的工頻機，去掉輸出隔離變壓器的高頻機是否真的產(chǎn)生了上述問題。

 

　　圖三 無隔離變壓器UPS典型拓撲

　　2.1、輸入與輸出隔離

　　正常情況下，隔離變壓器可以提供原副邊的隔離作用，而有些場景，如果原邊在其他路徑與副邊有電氣連接，則隔離變壓器就失去了隔離作用。大家都知道，高頻機沒有隔離變壓器，輸出與輸入沒有隔離作用，而工頻機是否就提供了隔離作用呢?圖二為包含UPS旁路的工頻機，可以看出，在主旁同源的情況下(K1閉合)，市電主輸入、旁路輸入與輸出之間并沒有被隔離，而在主旁不同源的情況下(K1斷開)，主輸入與輸出隔離，但旁路輸入與輸出之間還是沒有被隔離，即輸出還是沒有被隔離。工頻機除非在圖二中的旁路或輸出(位置1或位置2)再增加一個隔離變壓器，才能提供輸出隔離作用，而這需要額外再增加一個隔離變壓器。而如果要增加一個額外的隔離變壓器，高頻機在輸出位置增加一個額外的隔離變壓器以后，也可以提供輸出隔離作用。工頻機的逆變隔離變壓器并沒有給UPS輸出提供真正的隔離作用。

2.2、抑制干擾

　　UPS是一種開關電源，需要在輸出端加LC濾波器，以降低輸出電壓的諧波。高頻機在輸出端有額外的電感，如圖3中的L2，該電感與輸出濾波電容一起，組成LC濾波器。在實際的隔離變壓器中，原邊磁通并不能全部耦合到副邊，這部分磁通就形成了漏感，圖四是實際隔離變壓器的等效原理圖。大部分工頻機均沒有輸出濾波電感，僅利用隔離變壓器的漏感，當作輸出濾波器中的感抗，用于濾波。高頻機與工頻機都需要輸出濾波感抗，不同的是高頻機有獨立電感，而工頻機是利用了隔離變壓器的漏感，兩者沒有本質(zhì)區(qū)別。所不同的是，用隔離變壓器的漏感作為濾波電感，成本處于劣勢。但對于工頻機來說，其逆變位置一定要加隔離變壓器(原因后文會講)，所以利用隔離變壓器的漏感作為濾波電感就是一種比較經(jīng)濟的手段了?？梢姡哳l機和工頻機都能用LC濾波器抑制干擾，所不同的是，高頻機用了獨立電感，而工頻機利用隔離變壓器的漏感。

 

　　圖四 隔離變壓器等效原理圖

　　2.3、降低零地電壓

　　零地電壓是個頗具爭議性的問題，我們一直認為夸大零地電壓的危害是不科學的，具體可以參見華為【數(shù)據(jù)中心能源白皮書 04】《零地電壓的產(chǎn)生與誤區(qū)》，此處僅從技術(shù)上分析隔離變壓器對零地電壓的作用。隔離變壓器本身不降低零地電壓，只是有用戶認為將UPS輸出N和地(PE)在工頻機的隔離變壓器上短接，這樣就可以將零地電壓降低到0了。實際上，高頻機同樣在UPS內(nèi)部將N和PE短接，也可以將零地電壓降低到0。但國內(nèi)普遍是TN-S配電系統(tǒng)，而在TN-S配電系統(tǒng)，無論是工頻機還是高頻機，UPS內(nèi)部是不能將N和PE短接的。

　　TN-S系統(tǒng)中，旁路不帶隔離變壓器的UPS，旁路輸入必定帶N，連接到輸出N。圖五是通過隔離變壓器將N和PE短接示意圖，圖中的地線通過虛線連接到了隔離變壓器的中點，與N短接在一起，這種做導致的結(jié)果是UPS輸入側(cè)的N線和PE線已經(jīng)是并聯(lián)的兩根線，PE線已經(jīng)不再是PE線，而是PEN線，有N線電流通過，TN-S系統(tǒng)變成了TN-C系統(tǒng)。圖五這種接法在國外的配電系統(tǒng)是不被允許的，國內(nèi)的《建筑電氣工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》(GB50303—2002)要求將UPS的N和PE短接，這已經(jīng)有很多配電專家提出了質(zhì)疑。如果要在TN-S系統(tǒng)中實現(xiàn)在UPS輸出端將N和PE短接的目的，則需要在旁路或者UPS輸出位置加隔離變壓器，以將N線和PE線分離開。

 

　　圖五 TN-S配電系統(tǒng)，隔離變壓器N和PE短接示意圖

　　可見，隔離變壓器并不能降低零地電壓，對于TN-S系統(tǒng)，如果旁路沒有隔離變壓器，在隔離變壓器的輸出端將N和PE短接，這是不允許的，這會改變配電系統(tǒng)為TN-C系統(tǒng)。如果用戶接受TN-C系統(tǒng)，那么在高頻機內(nèi)也可以將PE和N短接，降低零地電壓

2.4、實現(xiàn)故障隔離

　　UPS在逆變器故障后，都需要轉(zhuǎn)旁路供電，而無論是工頻機還是高頻機，UPS在輸出端都會配置輸出保險(見圖三)，如果逆變器或者母線電容故障，將會有大能量進入或釋放出母線電容，此時保險會熔斷，即無論是高頻UPS還是工頻UPS，都有故障隔離的作用。

　　2.5、抑制低頻的3n次諧波

　　THDv作為衡量輸出電壓質(zhì)量的指標，需要計算2~50次(100Hz~2.5Khz)的諧波，這部分諧波越大，THDv越高，UPS輸出電壓質(zhì)量越差。目前絕大部分工頻機的逆變都是用IGBT，開關頻率在1K~3KHz，而市電的頻率是50Hz，即開關頻率是市電頻率的20~60倍，這么低的開關頻率，會產(chǎn)生大量的低次諧波(50Hz、100Hz、150Hz…)。原邊為三角形輸入的隔離變壓器，如DY、DZ型隔離變壓器，由于輸入沒有中性線，三次諧波無法通過，這樣就可以降低3*n次諧波，降低THDv。而高頻機的開關頻率普遍在15K以上，是市電頻率的300倍以上，如此高的開關頻率下，輸出電壓低次諧波含量極低，即使沒有隔離變壓器，THDv也可以做得很低，例如，華為高頻UPS的輸出THDv可以做到1%以下。可見，對于開關頻率很高的高頻機，本身就具備調(diào)制低頻諧波的能力，不需要隔離變壓器也可以實現(xiàn)低THDv。

　　3、隔離變壓器在工頻機中的作用

　　通過以上的分析，我們發(fā)現(xiàn)隔離變壓器在UPS中并沒有起不可替代的作用，那么為什么工頻機UPS還是有隔離變壓器呢?實際上，由于工頻機自身特點，其隔離變壓器還真是不可替代的。隔離變壓器在工頻機中不可替代的作用是升壓，另外，還有一重要作用：濾除三次諧波。

　　3.1、升壓的作用

　　如圖二，12脈波工頻機的輸入由晶閘管組成(6脈波工頻機也是如此)，380V市電整流后得到的直流電壓最高為380*√2，538.8V，實際低于此值，一般在432V，直流432V母線經(jīng)過逆變電路，考慮1.2的調(diào)制比，無法產(chǎn)生380V的AC線電壓，實際工頻機產(chǎn)生的是不包含中心線的190V線電壓，而逆變所需要的帶N線的220V相電壓，工頻機只能通過隔離變壓器實現(xiàn)這一升壓目的。

　　3.2、濾除三次諧波 的作用

　　前面已經(jīng)分析過，工頻機由于開關頻率低，無法濾除低次諧波，而3*n次諧波無法進入三角形輸入變壓器，這樣隔離變壓器對工頻機的電壓質(zhì)量起著很大的作用。高頻機由于開關頻率高，逆變器自身PWM調(diào)制可以把低次諧波降低到很低的水平，不用隔離變壓器也可以實現(xiàn)低的輸出電壓THDv。

　　4、結(jié)論

　　隔離變壓器在早期工頻機UPS中起著不可替代的作用，隨著技術(shù)的發(fā)展，UPS中的逆變隔離變壓器個數(shù)越來越少，最開始為四個，目前最先進的工頻機僅剩下一個逆變隔離變壓器。由于工頻機架構(gòu)特點，這一隔離變壓器無法去除，而高頻機憑借先進的技術(shù)，已經(jīng)去掉了隔離變壓器。無隔離變壓器UPS帶來了諸多優(yōu)勢，體積、重量減小，效率更高，但也引起了用戶的疑慮，加上部分工頻機廠商的刻意引導，很多用戶擔心無隔離變壓器UPS的可靠使用。通過本文的分析，可以發(fā)現(xiàn)，相比有隔離變壓器的工頻機，無隔離變壓器的高頻機并沒有降低可靠性和性能。目前一些傳統(tǒng)工頻機占據(jù)優(yōu)勢市場的UPS廠商，刻意夸大隔離變壓器的作用，企圖延緩高頻機取代工頻機這一趨勢，長遠來看，這將是徒勞的。