「干货」隔离变压器在UPS中的作用

2、隔离变压器在UPS中的作用解析
从架构来看，工频机与高频机最大的差别在于高频机省去了逆变隔离变压器，正是由于省去了该隔离变压器，高频UPS的重量、体积均大幅度减少，效益提高显著，相对工频机有强力的竞争优势。因为工频机已然衍生几十年，许多UPS客户对高频机构成了猜疑，认定高频机没有隔离变压器，会构成如下许多问题：
a).流出没有被隔离；
b).不能抑止烦扰；
c).不能减低零地电压；
d).不能实行故障隔离；
e).不能抑止低频的3n次谐波。
本文从原理上进行较为，来讨论相比有流出隔离变压器的工频机，去掉流出隔离变压器的高频机能否真的构成了上述问题。

2.1、填写与流出隔离
常态状况下，隔离变压器能够供应原副边的隔离作用，而有类情景，假设原边在其余路径与副边有电气连通，则隔离变压器就得到了隔离作用。大家都知晓，高频机没有隔离变压器，流出与填写没有隔离作用，而工频机能否就供应了隔离作用呢？图二为含盖UPS旁路的工频机，能够看出，在主旁同源的状况下（K1闭合），市电主填写、旁路填写与流出之间并没有被隔离，但在主旁不同源的状况下（K1断开），主填写与流出隔离，但旁路填写与流出之间还是没有被隔离，即流出还是没有被隔离。工频机除非在图二中的旁路或流出（位子1或位子2）再加大1个隔离变压器，才能供应流出隔离作用，而这须要额外再加大1个隔离变压器。而假设要加大1个额外的隔离变压器，高频机在流出位子加大1个额外的隔离变压器之后，也能够供应流出隔离作用。工频机的逆变隔离变压器并没有给UPS流出供应真实的隔离作用。
2.2、抑止烦扰
UPS是一类开关电源，须要在流出端加LC滤波器，以减低流出电压的谐波。高频机在流出端有额外的电感，如图3中的L2，该电感与流出滤波电容一块，构成LC滤波器。在实际的隔离变压器中，原边磁通并非能整个耦合到副边，这部份磁通就生成了漏感，图四是实际隔离变压器的等效原理图。大部份工频机均没有流出滤波电感，仅借用隔离变压器的漏感，当做流出滤波器中的感抗，用来滤波。高频机与工频机都须要流出滤波感抗，不同的是高频机有独立电感，而工频机是借用了隔离变压器的漏感，二者没有实质差别。所不同的是，用隔离变压器的漏感成为滤波电感，本钱处于劣势。但针对工频机来说，其逆变位子绝对要加隔离变压器（原因后文会讲），因此借用隔离变压器的漏感成为滤波电感就是一类较为经济的措施了。因此，高频机和工频机都能用LC滤波器抑止烦扰，所不同的是，高频机用了独立电感，而工频机借用隔离变压器的漏感。

2.3、减低零地电压
零地电压是个颇具争论性的问题，咱们总是认定夸大零地电压的风险是不科学的，详细能够拜见华为【信息核心能源白皮书 04】《零地电压的构成与误区》，此处仅从技术上解析隔离变压器对零地电压的作用。隔离变压器自身不减低零地电压，不过有客户认定将UPS流出N和地（PE）在工频机的隔离变压器上短接，如此就能够将零地电压减低到0了。实际上，高频机一样在UPS内部将N和PE短接，也能够将零地电压减低到0。但海内广泛是TN-S配电体系，但在TN-S配电体系，不管是工频机还是高频机，UPS内部是不可将N和PE短接的。
TN-S体系中，旁路不带隔离变压器的UPS，旁路填写肯定带N，连通到流出N。图五是通过隔离变压器将N和PE短接表示图，图中的地线通过虚线连通到了隔离变压器的中点，与N短接在一块，这类做造成的结果是UPS填写侧的N线和PE线已然是并联的两根线，PE线已然不再是PE线，而是PEN线，有N线电流通过，TN-S体系成为了TN-C体系。图五这类接法在海外的配电体系是不被容许的，海内的《建筑电气工程施工品质验收标准》(GB50303—2002)需要将UPS的N和PE短接，这已然有许多配电顾问提出了质疑。假设要在TN-S体系中实行在UPS流出端将N和PE短接的目标，则须要在旁路或者UPS流出位子加隔离变压器，以将N线和PE线分分开。

因此，隔离变压器并非能减低零地电压，针对TN-S体系，假设旁路没有隔离变压器，在隔离变压器的流出端将N和PE短接，这是不容许的，这会变化配电体系为TN-C体系。假设客户接受TN-C体系，如此在高频机内也能够将PE和N短接，减低零地电压。
2.4、实行故障隔离
UPS在逆变器故障后，都须要转旁路供电，而不管是工频机还是高频机，UPS在流出端都会配置流出保险（见图三），假设逆变器或者母线电容故障，将会有大能量加入或宣泄出母线电容，这时保险会熔断，即不管是高频UPS还是工频UPS，都有故障隔离的作用。
2.5、抑止低频的3n次谐波
THDv成为掂量流出电压品质的指标，须要计算2~50次（100Hz~2.5Khz）的谐波，这部份谐波越大，THDv越高，UPS流出电压品质越差。现在绝大部份工频机的逆变全是用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，如此低的开关频率，会构成批量的低次谐波（50Hz、100Hz、150Hz…）。原边为三角形填写的隔离变压器，如DY、DZ型隔离变压器，因为填写没有中性线，三次谐波不能通过，如此就能够减低3*n次谐波，减低THDv。而高频机的开关频率广泛在15K以上，是市电频率的300倍以上，这样高的开关频率下，流出电抬高次谐波含量极低，纵然没有隔离变压器，THDv也能够做得很低，比如，华为高频UPS的流出THDv能够做到1%下列。因此，针对开关频率较高的高频机，自身就具有调制低频谐波的本领，不须要隔离变压器也能够实行低THDv。
3、隔离变压器在工频机中的作用
通过以上的解析，咱们发掘隔离变压器在UPS中并没有起不能代替的作用，如此为什么工频机UPS还是有隔离变压器呢？实际上，因为工频机本身特征，其隔离变压器还真是不能代替的。隔离变压器在工频机中不能代替的作用是升压，此外，还有一首要作用：滤除三次谐波。
3.1、升压的作用
如图二，12脉波工频机的填写由晶闸管构成（6脉波工频机也是这样），380V市电整流后获得的直流电压最高为380*√2，538.8V，实际低过此值，通常在432V，直流432V母线经过逆变电路，参考1.2的调制比，不能构成380V的AC线电压，实际工频机构成的是不含盖核心线的190V线电压，而逆变所须要的带N线的220V相电压，工频机只可通过隔离变压器实行这一升压目标。
3.2、滤除三次谐波 的作用
前面已然解析过，工频机因为开关频率低，不能滤除低次谐波，而3*n次谐波不能加入三角形填写变压器，如此隔离变压器对工频机的电压品质起着较大的作用。高频机因为开关频率高，逆变器本身PWM调制能够把低次谐波减低到很低的程度，不必隔离变压器也能够实行低的流出电压THDv。
4、论断
隔离变压器在初期工频机UPS中起着不能代替的作用，紧随技术的成长，UPS中的逆变隔离变压器个数越来越小，最开启为4个，现在最超前的工频机仅剩下1个逆变隔离变压器。因为工频机架构特征，这一隔离变压器不能除去，而高频机凭仗超前的技术，已然去掉了隔离变压器。无隔离变压器UPS带来了诸多优势，体积、重量减少，效益更高，但也引发了客户的疑虑，加上部份工频机厂商的刻意疏导，许多客户担忧无隔离变压器UPS的牢靠应用。通过本文的解析，能够发掘，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减低牢靠性和功能。现在许多传统工频机盘踞优势市场的UPS厂商，刻意夸大隔离变压器的作用，试图延迟高频机代替工频机这一形势，深远来看，这将是白费的。