山特工频机UPS电源逆变器输出变压器的必要性

1.山特工频机UPS电源输出变压器的功能

在上个世纪七十年代，由于半导体器件的水平和品种所限，比如通流能力小和耐压能力差，不得不在输入端加一个降压变压器，经逆变器后再把电压升上去，如图1所示。所以

这种早期的山特工频机UPS电源输入端是降压变压器，输出端是升压变压器；另一个特点是输入整流器和后面的逆变器都工作在工业频率，即50Hz（或60Hz）。在一些中小功率UPS中，输入整流器和充电器是分开的。这主要是因为在这些UPS中的输入整流器都是采用的没有任何调整能力的整流二极管，而电池电压的电平必须是稳定的，需要严格控制的，所以一般需另设具稳压功能的充电器电路，如图2所示。在小功率中，早期的充电器一般用一个稳压块，到后来才采用了PWM开关电源，提高了充电速度和充电效率。由于中小功率UPS中采用的电池电压很低，所以输出还要加升压变压器。后来由于器件的发展才取消了输入降压变压器，成了今天的样子。

到底山特工频机UPS电源的输出变压器还有多少功能？没有它行不行？是工频机产品不可缺少的部分还是专门为了实现上面所宣传的优越功能而专门加上去的呢？只有搞清楚这个问题才可以谈它是否优越的问题。

图2中小功率UPS的一般电路原理结构图

（1）工频机输出隔离变压器的第一作用---产生隔离接地点

图3给出了一个单相UPS的主电路图，它的输出端不接地，输入电压正半波（L为正压）的情况。此时的电路中无变压器，逆变器输出与输入端的电压同步锁相，锁相的含义是:全桥逆变器几个功率管的导通情况是根据输入电压的相位要求而决定的，如3所示的浅色二极管和IGBT是在电压正半波（L为正压）的情况下电流的经过路径。这时的电流路径是：

从路径上可以看出，电流在形成一个回路的流动中经过了两个整流器二极管和两个逆变器IGBT。此时UPS的工作是正常的。

当输入电压为负半波时的情况也一样，不过在负半波时电流流过的是另外两只整流器二极管和逆变器的IGBT。

在此情况下供电是没有问题的，不过这时输出的是不接地的悬空电压，如果负载机器没有输入接地的要求，一切均无问题。然而偏偏有一些电子设备要求其输入电压（UPS的输出电压）零点接地，不接地就不给用户开机。这样一来使得原来悬空电压的一端必须接地。要知道，在我国的用电制度中，变电站将11kV的高压经D-Y变压器变成低压（3?389V/220V）后，当即就把次级绕组Y的中点接地，然后再由这一点引出两条线：一条中线N和一条地线E，如图4所示。

因此，在UPS输出端有一点接地也就和输入端电压的零线接到了一起，如图5中粗灰线所示。如果还是按照图3假设的条件，即输出电压和输入电压同步锁相，在输入为正半波时，如图5（a）所示，虽然逆变器功率管的导通和整流器二极管都按照输入的要求开通，但由于如图示的短路中线电阻远远小于电路内几个功率管和导线的电阻，所以电流在流过

负载以后再也不经过VT3和VD3，而是经短路线B N直接回到负端N。这样一来，电流就只经过了两只管子：一只整流二极管和一只逆变管IGBT，即规定的路线没走完。图5（b）示出了UPS电源负载端接地时L为负压情况下电流的流动路径，也同样少经过两只管子。这会出现什么问题呢？假如一个人到正规商店买东西，要分几步走：选货、开票、交款、取货。如果是少了两个步骤，比如只选货和交款肯定不行，不开票就无法交款，结果什么也买不到东西；如果只进行交款和取货，这不是正规商店的做法，也不行。总之，少一个步骤也买不回东西。UPS也一样，少一个步骤就是电路失去了原来的功能，使负载得不到应得的洁净的和稳定的输入电压，UPS反而成了累赘。这还是乐观的情况，因为输入输出同步，不会出大问题。但在实际应用中就不这么幸运了，几乎100%的UPS在启动瞬间都不是同步的，必需要经过一段时间的跟踪才能达到同步的目的。

以上是理想的同步情况，实际上启动的时机几乎都不是同步的，几乎在100%的场合都是爆炸。为什么会爆炸呢？这是因为在电源起动瞬间，功率管的开通顺序几乎都不是按照设定的顺序工作，这时的开通顺序是随机的，如图6所示，不但不同步还不同相位，几乎100%情况下的功率管导通是图6（a）的样子，即当N为正L为负时电流的路径应该是：

但由于接地线的加入改变了电流的路径：电流由N出发就直接到了负载R的下端，又由于逆变器功率管VT3的开启，使电流不能经过负载R，而是直接经过整流管VD4回到L。这样一来，电流没有经过任何负载，两个管子的导通形成短路状态，如图6（b）的等效电路所示，即使管子的内阻和导线电阻不为零，但已远远小于1W，而且管子的功率越大则内阻也越小，加粗后的导线电阻也越小。比如一台1kVA的UPS，逆变器的效率为90%，即消耗100W，取五倍的功率管，即500W/50A，设短路电阻为0.1W（实际上比这个值小得多），这时的短路电流就是2200A，强大的电流在管子的PN结上会产生强烈的焦耳热量，一方面会使截面积不相称的引线起火甚至烧断，一方面在PN结上的剧烈高度焦耳热也会使管子像*那样炸裂。在上个世纪90年代由某公司进口品牌为Vlctron的小功率UPS，由于没有输出隔离变压器，在用户输入端接地时几乎都形成爆炸。后来不得不外加输出变压器BT，这才保证了正常使用，如图7所示，这时的电流路径是：

恢复了无地线时的状态。原来的负载R换成了变压器初级绕组，这时的初级绕组就是负载R。不过是换了一种吸取功率的方式。换言之，变压器就是一个具有物理隔离性的、不失真传递电功率的中间环节。这样一来，在变压器的次级绕组端就可以连接接地线了，

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