高频机结构UPS也有变压器（东莞市万江广源变频电子设备厂）
时间：2011-02-18 阅读：4079
伊人思之再三，忽得良策：发现高频机结构UPS没有“变压器”。既然高频机结构UPS没有变压器，那就不会有变压器的“优点”。这就是工频机产品的“柳暗花明”*之术。
为什么工频机UPS必须要输出变压器？
1.工频变压器的*作用是变压
UPS输出的有效值为220V的正弦波交流电压的峰峰值电压是620V，而一般单相UPS的输入整流电压才310V（这还不包括一般为48V电池的情况），为了使逆变器不失真地输出有效值为220V的正弦波交流电压，逆变器前面的直流电压必须是650V～870V。由于工频机逆变器的输入电压远远低于这个值，所以必须加一个输出变压器将电压提升到额定峰值以上才可使用，如图1所示。图中所示为电池电压为48V的情况，在中小功率中，为了节约成本，一般都不将电池电压做得太高，所以输出隔离变压器一般为升压工作方式。图中虚线以左的部分为输入隔离变压器，现在已不作为标配。
2.工频变压器的*作用是产生隔离接地点
工频机UPS采用的是全桥变换器，图2所示为工频机整流/逆变电流途径原理图。从电路中可看出，这种变换器输出的两根线不是一根火线和一根零线，而是两根火线，如图2（a）所示输入输出同步时，L为正半波时电流流动方向，可以看出正半波时电流的路径是两个整流二极管、两个逆变功率管和负载。但一般的UPS负载要求必须具有零线，以便于接地，如果在没有输出隔离变压器的情况下，就将一根火线硬性接地，如图2（b）所示在上述情况下的一端接地情况，就会导致UPS的工作失常。图中给出了在电压正弦波正半波时的电流流动方向和途径，负半波也是如此。从图中可以看出，由于零线的接入，使负载电流经过负载后不是经过整流器和逆变管，而是直接流回市电的零线输入端，在这种情况下，图中只有用浅灰色标出的一只整流器和一只逆变功率管起作用。按照正常的工作程序，负载电流应该流过两个桥式电路的各2只管子，在这里少了一半。
上述是输入输出同步的情况，还不会出现太严重的情况。如果不同步，其N为正半波时的电流流动方向，在这里电流只经过了两个管子而没有流经负载，其等效电路如图2（c）所示。图2（d）是图（c）的等效电路，在这种情况下就会导致逆变器功率管爆炸。为了杜绝这种情况的发生，就必须在逆变器输出端接输出变压器，如图2（e）所示。这样一来这个变压器是全桥电路不可分割的一部分。是为了解决上述困难的权宜之计，并不是为了增加别的功能而另外增加的环节。换句话说，工频机结构UPS在这种情况下如果不加输出隔离变压器，用户就不会接受。
（a）无输出变压器正半波时的电流流动方向和途径（输入输出同步）
（b）无输出变压器正半波输出一端接地时电流流动方向和途径（输入输出同步）
（c）无输出变压器负半波输出一段接地时电流流动方向和途径（输入输出不同步）
（d）无输出变压器负半波输出一端接地时电流的等效电路（输入输出不同步）
（e）有输出变压器正半波时的电流流动方向和途径
2.三相电压UPS
三相电压的工频机结构UPS也是这样，图3示出了三相工频机结构UPS主电路图，从电路图中也可以看出，其三相全桥逆变器的三根输出线也都是火线，而绝大多数用户所需要的的是三相四线制供电模式，即3380V/220V体系。这就需要将三相三线制电压经-Y变换而转换成三相四线制电压系统。另一方面，工频机结构UPS的直流电压都是采用的单一直流电压，即用的是一组电池，如图3所示，这也就决定了它的输出电压模式必然是全火线输出，也只有用隔离变压器才能得出隔离接地点。
从以上的分析可以看出，并压器是工频机结构UPS不可分离的一部分。
高频机UPS不需要变压器吗？
1.变压器的定义
和认识其他事物一样，在对变压器的认识上也有误区。比如早期的电视机是一个带有庞大显像管的立体设备，现在的电视机已发展到没有显像管的平面型结构;以前的炉子是具有明火燃烧的装置，而现在的微波炉、电磁炉既无明火也不燃烧。这些改变和以前的习惯形象面目全非，但人们也习惯了称作电视机和电炉子。
在这里也是这样。以往的变压器印象是一个在矽钢片铁芯上饶了很多圈数漆包线的装置，但现在电子变压器的出现和发展也和以往的形象大相径庭，难道就不是变压器了？和电视机、炉子的定义一样，凡是能将一种形式的电压变换成另一种形式电压的装置就是变压器。即，不能以结构去定义一个东西，要以它的功能去定义一个东西的方法更科学一些。
2.单相电压UPS
根据以上的讨论可以看出，高频机UPS也必须有变压器，因为高频机UPS的输出电压也需要中线接地点;由于电池电压也为低压（比如36V，48V等），所以也需要变压器。图4（a）就示出了高频机UPS的一种主电路图，虚线框内就是由电感L、开关管（IGBT）S、隔离二极管VD和电容器C1、C2构成的电子变压器。从图中可以看出，电路和以往的工频机UPS有了很大的区别：结构中没有了电磁式的变压器，这里用的是半桥逆变器，而且电子变压器不是在半桥逆变器的后面，而是在其前面，二极管整流器的后面也没有习惯上的电容滤波器，因此再用普通分析工频机UPS的方法去分析这个电路就会走偏了。下面就来介绍一下电子变压器的工作原理。
市电经过二极管整流器整流成半波脉动波，如图4（b）从上而下第三个波形所示。该半波首先被电子变压器的电子开关高频切割，如图图4（b）上图所示：当开关S闭合时，电流从市电经整流器电感L开关S流回市电，这时在电感L中储能。由于S导通时整个电压几乎都降在了L上，bc处于短路状态，所以二极管VD是反偏压，不导通，因此输入带来的任何干扰也不能传递过去。开关S断开时，在电感L内激起反电势
其极性是a-b+，反电势幅度的大小取决于L，而且此时的反电势e和整流电压此时的瞬时值相加，形成更高的幅度，如4（b）从上而下第二、三个波形所示，这时VD导通给电容器C1、C2充电。S再一次导通又重复上述过程。一般这种开关的重复频率在20kHz以上。
经过了再三深入挖掘，终于找出了工频机变压器的几大优点：
*工频机变压器可以抗干扰
*工频机变压器可以缓冲负载的突然变化和短路
*逆变器功率管故障时工频机变压器可以隔直流，以保护负载被直流损坏
*工频机变压器可以提高整个设备的可靠性
*工频机变压器可以提高整个设备对电网电压变化和冲击的能力
这些优点已被公布的确引起了不少用户兴趣，一时间点名要“带有变压器的工频机UPS”的技术条件豁然出现在招标书上，大有对高频机结构产品不屑一敝而打入冷宫的气氛。对于这些所谓的几大优点笔者在多个杂志和书籍中已有论述，再不重复。一句话，这几大优点不但没有任何根据，而且有的还违背了对UPS和电源变压器的基本要求。
事实如何呢？真的是这样吗？如果是事实，那么高频化的发展方向就错了。但无数事实证明电子产品不走高频化的道路就没有出路。问题出在何处？下面就来揭开变压器真正作用的面纱。
该电子变压器的工作主要做了三件事：
（1）提高逆变器输入电压幅度
该变压器使逆变器输入端直流电压达到220V正弦交流有效值电压缝制电压的幅度要求，使取消电磁升压变压器成为可能。
（2）使输入功率因数接近于1
一般工频机UPS所以输入功率因数低，其主要原因就是整流脉冲电压集中的一个很小的范围，电流的等效相位与电压出现了较大的差距。从4（b）中波形可以看出，其整流电流均匀分布在整个电压宽度上，其电流等效相位几乎与电压重合，所以输入功率因数高。
（3）双向抗干扰
从工作原理已经看出，在开关S闭合时，bc处于短路状态，输入端的任何干扰都被屏蔽掉了，这几隔离了输入端进入的干扰，二极管VD是单向导通器件，从输出端来的任何干扰都在此被隔离。所以高频机UPS的电子变压器具有双向抗干扰的功能。
3.半桥逆变器
串并联调整式UPS每一相的电压才220V，峰值也只有308V，那么电池438V的浮充电压是如何实现的？
串并联调整式UPS的电池高浮充电压是靠BOOST充电器实现的。它的主变换器构成了两个BOOST充电器两路在正负半波进行充电，如图所示。
3.三相电压UPS
一路是VT2、VD1、L、C2、GB1。当UPS输出电压为正半波时，脉宽调制脉冲打开VT2，电流的路径是ALMVT2C2B，是L储能过程;脉冲结束后，电感L有一个反电势E=L（di/dt）,极性是M+、A-，这时VD1导通给电池GB1充电,路径是MVD1GB1+BA。控制脉冲的宽度和电流的大小，就可以控制L的储能大小，从而控制反电势的幅度，也就给定了电池电压的高低。
另一路是VT1、VD2、L、C1、GB2。当UPS输出电压为负半波时，脉宽调制脉冲打开VT1，电流的路径是BC1VT1MLA，是L储能过程;脉冲结束后，电感的反电势E=L（di/dt）的极性是M-、A+，这时VD2导通给电池GB2充电,路径是ABGB2+VD2M。控制脉冲的宽度和电流的大小，也可以控制L的储能大小，从而控制反电势的幅度，就就给定了电池电压的高低。
于是就实现了用220V的相电压可以给出高达460V的直流充电电压的目标。