工頻機(jī)也有其自身特點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域，

時(shí)間：2021-07-09作者：上海全邁智能科技有限公司瀏覽：26

1 前言

    以往，UPS中的輸出變壓器并沒(méi)有引起什么人的注意，因?yàn)樗贿^(guò)是整個(gè)設(shè)備的一個(gè)組成部分。曾幾何時(shí)，自從無(wú)輸出變壓器的高頻機(jī)型UPS問(wèn)世后，注定順應(yīng)歷史的發(fā)展規(guī)律，要替代工頻機(jī)型UPS已成定局。因此，工頻機(jī)型UPS的輸出變壓器就被抬了出來(lái)，百般推崇，簡(jiǎn)直成了香餑餑！有的將這個(gè)變壓器的功能描述的活里活現(xiàn)，除了不能上天，簡(jiǎn)直是無(wú)所不能。為什么要這樣說(shuō)呢？因?yàn)楦哳l機(jī)型UPS沒(méi)有這個(gè)變壓器，你沒(méi)有這個(gè)變壓器就沒(méi)有這些優(yōu)秀的功能，想替代工頻機(jī)型UPS自然也就沒(méi)有可能了。目的是要讓工頻機(jī)型UPS萬(wàn)世長(zhǎng)存。

    如果這個(gè)變壓器真的有如此多的優(yōu)越性能，也不妄其宣傳者的一番苦心，也不妄有些用戶受其感染?，F(xiàn)在的情況是，有些用戶在這種宣傳的影響下，甚至把“帶有輸出隔離變壓器的UPS”寫(xiě)入標(biāo)書(shū)，非它莫屬。影響之大可想而知。實(shí)際情況真的是這樣嗎？下面就分析一下這個(gè)變壓器的真實(shí)作用。

    2 關(guān)于變壓器的“傳說(shuō)”

    工頻機(jī)型UPS，從問(wèn)世以來(lái)就擔(dān)負(fù)著保護(hù)數(shù)據(jù)的任務(wù)。在幾十年的使用中也從沒(méi)有人對(duì)其輸出變壓器產(chǎn)生過(guò)興趣，就較談不上對(duì)它的宣傳與歌頌。因?yàn)檫@個(gè)變壓器和其他環(huán)節(jié)一樣，只不過(guò)是UPS的一個(gè)組成部分，因此，它的存在也幾乎被用戶忘記了。

    在上個(gè)世紀(jì)90年代出現(xiàn)了高頻機(jī)型UPS，因?yàn)楫?dāng)時(shí)還沒(méi)形成氣候，開(kāi)始也沒(méi)有引起人們的注意。盡管有幾篇指責(zé)性的文章，也因作者對(duì)電源基本概念不清和對(duì)高頻機(jī)型電路的不了解而沒(méi)有批評(píng)到點(diǎn)子上。結(jié)果，由于事實(shí)的回?fù)簦陨系呐u(píng)言論也就自動(dòng)偃旗息鼓了。比如有的文章批評(píng)高頻機(jī)型UPS，當(dāng)輸入電壓等于輸出電壓時(shí)，該機(jī)器就成了一根短路電纜。這就是對(duì)UPS的基本概念不清楚。眾所周知，不僅是高頻機(jī)型UPS，工頻機(jī)型UPS也有輸入電壓等于輸出電壓的時(shí)候，豈不是工頻機(jī)型UPS也成了一根短路電纜！交流穩(wěn)壓器也有輸入電壓等于輸出電壓的時(shí)候，豈不是交流穩(wěn)壓器也成了一根短路電纜。照這種理論，那么220V變220V的變壓器就是當(dāng)然的“短路電纜”了。照這種說(shuō)法1:1的變壓器就不要繞了，用一根短路電纜代替就是了，這豈不成了笑談。說(shuō)了半天反而把自己繞進(jìn)去了，又比如有文章批評(píng)說(shuō)，高頻機(jī)型UPS在市電供電時(shí)只不過(guò)就是一個(gè)交流穩(wěn)壓器（意思是說(shuō)就不是UPS了）。我們不禁要問(wèn)：在市電供電時(shí)不讓它作交流穩(wěn)壓器，讓它做什么呢？是轉(zhuǎn)旁路、是讓電池放電還是關(guān)機(jī)？這就是對(duì)UPS的基本功能不清楚。UPS的三大基本功能是：穩(wěn)壓、濾波、不間斷。也就是，在市電供電時(shí)UPS就是穩(wěn)壓器和濾波器，在市電故障時(shí)它又是不間斷電源。這也是工頻機(jī)型UPS的基本功能，結(jié)果批評(píng)了半天又把自己繞進(jìn)去了。

    近幾年是一波未平又起一波。本來(lái)高頻機(jī)型UPS的功能就擺在那里，就沒(méi)有必要再爭(zhēng)論下去了。恰恰相反，原來(lái)的文章又提出了新觀點(diǎn)：工頻機(jī)型UPS的輸出變壓器可以抗干擾，而且越說(shuō)越神：什么可以抗沖擊電流、可以提高UPS的整機(jī)可靠性、可以適應(yīng)電網(wǎng)的力矩變化等等。這樣一來(lái)就把用戶搞糊涂了，甚至也影響了某些制定標(biāo)準(zhǔn)的人，將這種觀點(diǎn)寫(xiě)進(jìn)了具有指導(dǎo)意義的“白皮書(shū)”。有的建立信息中心及機(jī)房者，覺(jué)得機(jī)房中的設(shè)備如果沒(méi)有變壓器心里就不踏實(shí)。

 3 設(shè)備電源變壓器的基本要求

    一個(gè)合格的變壓器不需要有很小的漏感，換言之，變壓器的漏感越小越好。這是因?yàn)閷?duì)變壓器的要求是輸出波形不失真，即輸入什么波形輸出也必須是什么波形，輸出只是幅度的改變，而形狀決不能改變。要達(dá)到這一目的，就必須要求變壓器的工作模式是線性的。這一點(diǎn)非常重要，原因是UPS有一個(gè)非常重要的指標(biāo)，那就是輸出電壓的動(dòng)態(tài)性能。UPS是一個(gè)電壓源，也就是穩(wěn)壓源。穩(wěn)壓源的特點(diǎn)是電流變化時(shí)電壓不變，對(duì)UPS來(lái)說(shuō)在其能力范圍內(nèi)負(fù)載電流無(wú)論如何變化，電壓都是穩(wěn)定的。圖1示出了工頻機(jī)型UPS的原理框圖。



圖1  工頻機(jī)UPS的原理方框圖

    具體來(lái)說(shuō)，UPS的輸出端在變壓器的后面，也就是說(shuō)變壓器后面的負(fù)載電流不論如何變化，其輸出電壓都不許變化，這就是對(duì)動(dòng)態(tài)性能的要求。如何實(shí)現(xiàn)這個(gè)性能呢？



圖2  作為電壓源的UPS和輸出端負(fù)載關(guān)系原理圖

    通過(guò)對(duì)圖2關(guān)系的計(jì)算就可以找出實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)性能的途徑。圖2中點(diǎn)劃線方框代表的是UPS，E是逆變器輸出的電壓，r是包括變壓器在內(nèi)的UPS內(nèi)阻抗，R是負(fù)載電阻，I是負(fù)載電流，U是負(fù)載端電壓。由此可以看出：





 4 變壓器其他功能剖析

    （1）      變壓器可緩沖負(fù)載電流的突然變化剖析

    眾所周知，IT負(fù)載電流是隨機(jī)變化的，這種變化是根據(jù)其工作量的大小來(lái)決定的。往往有這樣的情況，機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備在正常工作時(shí)，比如從UPS的LCD上顯示負(fù)載量是70%，這是很讓人放心的良好情況。但即使這樣，也有轉(zhuǎn)旁路的情況。什么原因呢？UPS轉(zhuǎn)旁路有幾種原因：過(guò)載、短路和逆變器故障。顯然既不是逆變器故障也不是短路，就只有一種可能：短時(shí)間過(guò)載。為什么會(huì)過(guò)載呢？不是才有70%的負(fù)載量嗎？這就是當(dāng)代負(fù)載的特點(diǎn)，那70%的負(fù)載量是平時(shí)的平均功率，就是說(shuō)機(jī)房中眾多機(jī)器工作量不均衡，有的大有的小，所以平均下來(lái)70%，如圖3所示。但有時(shí)候幾乎所有的機(jī)器在同一時(shí)間都工作在較大負(fù)載狀態(tài)，這時(shí)即出現(xiàn)了電流峰值。這個(gè)峰值有時(shí)甚至很大，持續(xù)時(shí)間也許數(shù)毫秒、也許幾秒，其值之大不是UPS承擔(dān)得了的，就只好切換到旁路。

    圖3表示的是UPS輸出電壓和電流關(guān)系原理圖，上面的電壓不論任何時(shí)間都應(yīng)該是基本穩(wěn)定的，這就是有好的動(dòng)態(tài)性能。有人說(shuō)變壓器可以緩沖負(fù)載的電流突變（包括短路故障），現(xiàn)在就用圖3來(lái)分析。在正常情況下，電流的變化都不太大，根據(jù)上述的討論，一旦機(jī)房?jī)?nèi)幾乎所有設(shè)備都同時(shí)工作在較大負(fù)荷，比如在t1需要一個(gè)很大的脈沖電流I1，按照有些人的說(shuō)法，變壓器要緩沖。所謂緩沖：在時(shí)間上緩就是不馬上提供，到t2才給出，在幅度上緩就是不給那么大的電流I1，只提供較小的I2。舉例說(shuō)，IT在t1需要5kW的峰值功率，變壓器給緩沖成在t2才給出3kW的峰值功率，請(qǐng)問(wèn)，在這種情況下IT是什么反應(yīng)？罷工！這是其一。



圖3 UPS輸出電壓和電流關(guān)系原理圖

    其二，在電源上限制電流的辦法就是降低電壓，如圖3所示。為了減小電流就使變壓器上的壓降變大，如圖中對(duì)應(yīng)電流的電壓下沖。這個(gè)下沖就是反電勢(shì)，這就犯了電源的大忌：要想有這么大的反電勢(shì)，就必須有這么大的電感量。變壓器成了電感，線性環(huán)節(jié)變成了非線性環(huán)節(jié)，這已經(jīng)不是變壓器了！這樣的所謂變壓器在電路

中是會(huì)使波形失真的，而在實(shí)際機(jī)器中波形沒(méi)有失真，就說(shuō)明漏感很小，甚至幾乎為零。所以這些人的分析是沒(méi)有根據(jù)的，是強(qiáng)加給變壓器的，設(shè)計(jì)者本來(lái)就不是這個(gè)意思。
    有對(duì)變壓器防浪涌電流者作了這樣的比喻：變壓器就好比海邊上的防波堤，一個(gè)浪打來(lái)，它就能抵擋一下。可惜變壓器不是防波堤，而是平滑的沙灘。

    從式（2）可以看出，如果UPS的內(nèi)阻r等于零，那么括號(hào)內(nèi)的值就是1，就可以實(shí)現(xiàn)U=E ，這就是一臺(tái)合格的UPS。在這里需要注意的是，負(fù)載電流I不是穩(wěn)定的直流電流，而是隨機(jī)變化的脈沖電流，也就是說(shuō)存在變化率。如果在電源通往負(fù)載的線路上有電感L存在，在負(fù)載電流變化時(shí)就會(huì)有反電勢(shì)e 。這個(gè)反電勢(shì)就取決于負(fù)載電流的變化率，即：



    這時(shí)就有U=E - e，照樣造成輸出電壓的不穩(wěn)定，即動(dòng)態(tài)性能不好的結(jié)果。也就是說(shuō)電感是阻礙電流變化的，是脈沖電流的大敵。所以，在電源通往負(fù)載的線路中不允許有任何電感存在。較可能有電感的環(huán)節(jié)就是變壓器，所以在繞制變壓器時(shí)較怕有漏感，漏感越小變壓器的質(zhì)量越高。那些說(shuō)變壓器可以抗干擾者的根據(jù)恐怕就是基于變壓器的電感，變壓器沒(méi)有了電感還靠什么抗干擾？

   （2）      UPS的輸出變壓器所在位置起到抗干擾作用剖析

    用圖4對(duì)這個(gè)觀點(diǎn)進(jìn)行分析。圖中的箭頭指向就是兩個(gè)UPS的輸出端，眾所周知，在用戶的標(biāo)書(shū)中都明確規(guī)定：UPS輸出電壓失真要小于3%~5%，就是說(shuō)，如果達(dá)不到這個(gè)指標(biāo)就有失敗的危險(xiǎn)。實(shí)際中，兩類UPS都達(dá)到了這個(gè)指標(biāo)，但值得注意的是工頻機(jī)型UPS有變壓器而高頻機(jī)型UPS沒(méi)有變壓器，從圖中可以看出，UPS輸出有沒(méi)有變壓器的結(jié)果是一樣的。為什么呢？眾所周知，UPS逆變器不是干擾發(fā)生器，其輸出波形是很正規(guī)的，并沒(méi)有所謂的干擾，用不著去抗。那么輸出端是不是有干擾反饋過(guò)來(lái)呢？我們用圖5進(jìn)行討論。



圖4 兩種機(jī)型UPS的輸出電路比較



圖5  UPS輸出到負(fù)載的饋電關(guān)系

    圖5點(diǎn)劃線方框的后面是連接負(fù)載的電纜W，電纜的末端是脈沖負(fù)載RL。要知道電纜本身是有阻抗ZW的，其值的大小可用式（4）表示 



    式中：

    ZW ——導(dǎo)線在長(zhǎng)度l時(shí)的阻抗；

    l——導(dǎo)線W的長(zhǎng)度；

    S——導(dǎo)線W的截面積；

    XL——導(dǎo)線W的自感阻抗，且XLμ l ；

    r——導(dǎo)線W的電阻率。

   因此，當(dāng)負(fù)載電流IL通過(guò)時(shí)就會(huì)有壓降，其大小如下式所示：

    URZw=IL ZW                                                         （5）

    這樣一來(lái)，負(fù)載端的電壓UL就是從UPS輸出電壓UUPS減去線路壓降ILZW，可用下式表示：

    UL=UUPS-ILZW                                                     （6）

    從圖中可以看出，在脈沖負(fù)載電流IL通過(guò)時(shí)，線路壓降ILZW隨著導(dǎo)線的長(zhǎng)度延長(zhǎng)而增大，在負(fù)載端較大，這就使負(fù)載端出現(xiàn)電壓波形失真的原因。

    同樣從圖中也可以看出，供電線路是以UPS輸出端A、B為起點(diǎn)的，很明顯在這一點(diǎn)的線路長(zhǎng)度l=0，所以線路壓降ILZW=0，此點(diǎn)的電壓

    UL=UUPS-ILZW=UUPS  

    換言之，負(fù)載脈沖電流在線路上形成的壓降根本就反饋不到UPS輸出端來(lái)，那么變壓器在這里也就沒(méi)有所謂抗“干擾”的任務(wù)。從眾多實(shí)際用戶機(jī)房測(cè)試中完全證明了這一點(diǎn)，這里面既有工頻機(jī)型UPS也有高頻機(jī)型UPS。由此證明，所謂工頻機(jī)型UPS輸出變壓器在這里抗干擾是虛晃一槍。當(dāng)然會(huì)有人說(shuō)，你講的不對(duì)，我們的那臺(tái)UPS輸出端就有波形失真。這能說(shuō)明什么問(wèn)題呢？只能說(shuō)明兩個(gè)問(wèn)題：

    ① 你的那臺(tái)UPS輸出動(dòng)態(tài)不好；

    ② 較說(shuō)明那個(gè)變壓器沒(méi)有起啥作用。

    既然變壓器兩端都沒(méi)有干擾，那么UPS輸出端的濾波器是起什么作用的呢？因?yàn)閁PS逆變器輸出的是脈寬調(diào)制波，這個(gè)濾波器是做解調(diào)用的，把正弦波解調(diào)出來(lái)送到輸出。這和變壓器沒(méi)有關(guān)系。

    （3）      實(shí)際經(jīng)驗(yàn)證明變壓器能抗干擾剖析

    我們的發(fā)電機(jī)容量沒(méi)有問(wèn)題，后面是6脈沖整流的UPS，但是由于6脈沖整流器的作用出現(xiàn)了干擾，發(fā)電機(jī)帶不了UPS，后來(lái)就到工廠隨便繞了個(gè)1:1的變壓器，接上以后，發(fā)電機(jī)就可以帶UPS了，這不是把干擾給抗了嗎！這的確是個(gè)好例子，好就好在發(fā)電機(jī)可以帶UPS了。但其抗干擾作用的機(jī)制是變壓器的漏感，可以說(shuō)這個(gè)變壓器的漏感很大，是個(gè)不合格的變壓器，如果用在UPS輸出就會(huì)導(dǎo)致波形失真。實(shí)際上在這種情況下不必那么費(fèi)事，在發(fā)電機(jī)和UPS之間接個(gè)濾波器就可以了，既省錢又省地方，還省力。

    5  結(jié)束語(yǔ)

    通過(guò)對(duì)工頻機(jī)型UP S的輸出變壓器可以緩沖負(fù)載的電流突變，可以起到抗干擾作用的討論知道，該變壓器沒(méi)有這么多的作用。因此，對(duì)于沒(méi)有輸出變壓器的高頻機(jī)型UPS，在穩(wěn)壓功能方面不會(huì)受到影響。■


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