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数据中心机房隔离变压器在UPS中的作用!

前言

UPS有工频机与高频机之分,这两者间的主要差异表现在隔离变压器上。业界有一部分声音认为,工频机的隔离变压器有降低零地电压、抑制干扰、隔离输出等作用。事实果真如此么?为什么工频机需要隔离变压器,隔离变压器真正的作用又是如何?本文将从技术细节深入探讨,揭开隔离变压器的神秘面纱。

 

1、工频机与高频机的演进

上世纪60年代末诞生了第一代基于半导体器件的UPS,该UPS一共有五个变压器,其中整流器输入用的是自耦变压器,另外有一副绕组用于电池充电,逆变则用了四个隔离变压器,通过不同的相位叠加成脉波式阶梯逆变电压,再通过LC滤波器,变成正弦波。国内通常把这种含逆变隔离变压器的UPS称为工频机。经过几十年的发展,得益于半导体的进步,在上世纪90年代,工频机逆变器已经减少为一个隔离变压器(见图二),而到了本世纪初,各大UPS厂商纷纷推出了逆变器无隔离变压器的UPS,称为高频机。 


2、隔离变压器在UPS中的作用分析

从架构来看,工频机与高频机最大的区别在于高频机省去了逆变隔离变压器,正是因为省去了该隔离变压器,高频UPS的重量、体积均大幅度减小,效率提升明显,相对工频机有强大的竞争优势。由于工频机已经诞生几十年,很多UPS用户对高频机产生了怀疑,认为高频机没有隔离变压器,会产生如下一些问题: 

a).输出没有被隔离; 

b).无法抑制干扰; 

c).无法降低零地电压; 

d).无法实现故障隔离; 

e).无法抑制低频的3n次谐波。 

本文从原理上进行比较,来探讨相比有输出隔离变压器的工频机,去掉输出隔离变压器的高频机是否真的产生了上述问题。


2.1、输入与输出隔离 

正常情况下,隔离变压器可以提供原副边的隔离作用,而有些场景,如果原边在其他路径与副边有电气连接,则隔离变压器就失去了隔离作用。大家都知道,高频机没有隔离变压器,输出与输入没有隔离作用,而工频机是否就提供了隔离作用呢?图二为包含UPS旁路的工频机,可以看出,在主旁同源的情况下(K1闭合),市电主输入、旁路输入与输出之间并没有被隔离,而在主旁不同源的情况下(K1断开),主输入与输出隔离,但旁路输入与输出之间还是没有被隔离,即输出还是没有被隔离。工频机除非在图二中的旁路或输出(位置1或位置2)再增加一个隔离变压器,才能提供输出隔离作用,而这需要额外再增加一个隔离变压器。而如果要增加一个额外的隔离变压器,高频机在输出位置增加一个额外的隔离变压器以后,也可以提供输出隔离作用。工频机的逆变隔离变压器并没有给UPS输出提供真正的隔离作用。 


2.2、抑制干扰 

UPS是一种开关电源,需要在输出端加LC滤波器,以降低输出电压的谐波。高频机在输出端有额外的电感,如图3中的L2,该电感与输出滤波电容一起,组成LC滤波器。在实际的隔离变压器中,原边磁通并不能全部耦合到副边,这部分磁通就形成了漏感,图四是实际隔离变压器的等效原理图。大部分工频机均没有输出滤波电感,仅利用隔离变压器的漏感,当作输出滤波器中的感抗,用于滤波。高频机与工频机都需要输出滤波感抗,不同的是高频机有独立电感,而工频机是利用了隔离变压器的漏感,两者没有本质区别。所不同的是,用隔离变压器的漏感作为滤波电感,成本处于劣势。但对于工频机来说,其逆变位置一定要加隔离变压器(原因后文会讲),所以利用隔离变压器的漏感作为滤波电感就是一种比较经济的手段了。可见,高频机和工频机都能用LC滤波器抑制干扰,所不同的是,高频机用了独立电感,而工频机利用隔离变压器的漏感。


2.3、降低零地电压 

零地电压是个颇具争议性的问题,我们一直认为夸大零地电压的危害是不科学的,具体可以参见华为【数据中心能源白皮书 04】《零地电压的产生与误区》,此处仅从技术上分析隔离变压器对零地电压的作用。隔离变压器本身不降低零地电压,只是有用户认为将UPS输出N和地(PE)在工频机的隔离变压器上短接,这样就可以将零地电压降低到0了。实际上,高频机同样在UPS内部将N和PE短接,也可以将零地电压降低到0。但国内普遍是TN-S配电系统,而在TN-S配电系统,无论是工频机还是高频机,UPS内部是不能将N和PE短接的。 

TN-S系统中,旁路不带隔离变压器的UPS,旁路输入必定带N,连接到输出N。图五是通过隔离变压器将N和PE短接示意图,图中的地线通过虚线连接到了隔离变压器的中点,与N短接在一起,这种做导致的结果是UPS输入侧的N线和PE线已经是并联的两根线,PE线已经不再是PE线,而是PEN线,有N线电流通过,TN-S系统变成了TN-C系统。图五这种接法在国外的配电系统是不被允许的,国内的《建筑电气工程施工质量验收规范》(GB50303—2002)要求将UPS的N和PE短接,这已经有很多配电专家提出了质疑。如果要在TN-S系统中实现在UPS输出端将N和PE短接的目的,则需要在旁路或者UPS输出位置加隔离变压器,以将N线和PE线分离开。 


可见,隔离变压器并不能降低零地电压,对于TN-S系统,如果旁路没有隔离变压器,在隔离变压器的输出端将N和PE短接,这是不允许的,这会改变配电系统为TN-C系统。如果用户接受TN-C系统,那么在高频机内也可以将PE和N短接,降低零地电压。


2.4、实现故障隔离 

UPS在逆变器故障后,都需要转旁路供电,而无论是工频机还是高频机,UPS在输出端都会配置输出保险(见图三),如果逆变器或者母线电容故障,将会有大能量进入或释放出母线电容,此时保险会熔断,即无论是高频UPS还是工频UPS,都有故障隔离的作用。 


2.5、抑制低频的3n次谐波 

THDv作为衡量输出电压质量的指标,需要计算2~50次(100Hz~2.5Khz)的谐波,这部分谐波越大,THDv越高,UPS输出电压质量越差。目前绝大部分工频机的逆变都是用IGBT,开关频率在1K~3KHz,而市电的频率是50Hz,即开关频率是市电频率的20~60倍,这么低的开关频率,会产生大量的低次谐波(50Hz、100Hz、150Hz…)。原边为三角形输入的隔离变压器,如DY、DZ型隔离变压器,由于输入没有中性线,三次谐波无法通过,这样就可以降低3*n次谐波,降低THDv。而高频机的开关频率普遍在15K以上,是市电频率的300倍以上,如此高的开关频率下,输出电压低次谐波含量极低,即使没有隔离变压器,THDv也可以做得很低,例如,华为高频UPS的输出THDv可以做到1%以下。可见,对于开关频率很高的高频机,本身就具备调制低频谐波的能力,不需要隔离变压器也可以实现低THDv。 

 

3、隔离变压器在工频机中的作用

通过以上的分析,我们发现隔离变压器在UPS中并没有起不可替代的作用,那么为什么工频机UPS还是有隔离变压器呢?实际上,由于工频机自身特点,其隔离变压器还真是不可替代的。隔离变压器在工频机中不可替代的作用是升压,另外,还有一重要作用:滤除三次谐波。


3.1、升压的作用

如图二,12脉波工频机的输入由晶闸管组成(6脉波工频机也是如此),380V市电整流后得到的直流电压最高为380*√2,538.8V,实际低于此值,一般在432V,直流432V母线经过逆变电路,考虑1.2的调制比,无法产生380V的AC线电压,实际工频机产生的是不包含中心线的190V线电压,而逆变所需要的带N线的220V相电压,工频机只能通过隔离变压器实现这一升压目的。 


3.2、滤除三次谐波 的作用

前面已经分析过,工频机由于开关频率低,无法滤除低次谐波,而3*n次谐波无法进入三角形输入变压器,这样隔离变压器对工频机的电压质量起着很大的作用。高频机由于开关频率高,逆变器自身PWM调制可以把低次谐波降低到很低的水平,不用隔离变压器也可以实现低的输出电压THDv。 

 

4、结论 

隔离变压器在早期工频机UPS中起着不可替代的作用,随着技术的发展,UPS中的逆变隔离变压器个数越来越少,最开始为四个,目前最先进的工频机仅剩下一个逆变隔离变压器。由于工频机架构特点,这一隔离变压器无法去除,而高频机凭借先进的技术,已经去掉了隔离变压器。无隔离变压器UPS带来了诸多优势,体积、重量减小,效率更高,但也引起了用户的疑虑,加上部分工频机厂商的刻意引导,很多用户担心无隔离变压器UPS的可靠使用。通过本文的分析,可以发现,相比有隔离变压器的工频机,无隔离变压器的高频机并没有降低可靠性和性能。目前一些传统工频机占据优势市场的UPS厂商,刻意夸大隔离变压器的作用,企图延缓高频机取代工频机这一趋势,长远来看,这将是徒劳的。