工频机型UPS的输出变压器真的那么神

 3 设备电源变压器的基本要求

    一个合格的变压器不需要有很小的漏感，换言之，变压器的漏感越小越好。这是因为对变压器的要求是输出波形不失真，即输入什么波形输出也必须是什么波形，输出只是幅度的改变，而形状决不能改变。要达到这一目的，就必须要求变压器的工作模式是线性的。这一点非常重要，原因是UPS有一个非常重要的指标，那就是输出电压的动态性能。UPS是一个电压源，也就是稳压源。稳压源的特点是电流变化时电压不变，对UPS来说在其能力范围内负载电流无论如何变化，电压都是稳定的。图1示出了工频机型UPS的原理框图。

图1  工频机UPS的原理方框图

    具体来说，UPS的输出端在变压器的后面，也就是说变压器后面的负载电流不论如何变化，其输出电压都不许变化，这就是对动态性能的要求。如何实现这个性能呢？

图2  作为电压源的UPS和输出端负载关系原理图

    通过对图2关系的计算就可以找出实现动态性能的途径。图2中点划线方框代表的是UPS，E是逆变器输出的电压，r是包括变压器在内的UPS内阻抗，R是负载电阻，I是负载电流，U是负载端电压。由此可以看出：

 4 变压器其他功能剖析

    （1）      变压器可缓冲负载电流的突然变化剖析

    众所周知，IT负载电流是随机变化的，这种变化是根据其工作量的大小来决定的。往往有这样的情况，机房内设备在正常工作时，比如从UPS的LCD上显示负载量是70%，这是很让人放心的良好情况。但即使这样，也有转旁路的情况。什么原因呢？UPS转旁路有几种原因：过载、短路和逆变器故障。显然既不是逆变器故障也不是短路，就只有一种可能：短时间过载。为什么会过载呢？不是才有70%的负载量吗？这就是当代负载的特点，那70%的负载量是平时的平均功率，就是说机房中众多机器工作量不均衡，有的大有的小，所以平均下来70%，如图3所示。但有时候几乎所有的机器在同一时间都工作在最大负载状态，这时即出现了电流峰值。这个峰值有时甚至很大，持续时间也许数毫秒、也许几秒，其值之大不是UPS承担得了的，就只好切换到旁路。

    图3表示的是UPS输出电压和电流关系原理图，上面的电压不论任何时间都应该是基本稳定的，这就是有好的动态性能。有人说变压器可以缓冲负载的电流突变（包括短路故障），现在就用图3来分析。在正常情况下，电流的变化都不太大，根据上述的讨论，一旦机房内几乎所有设备都同时工作在最大负荷，比如在t1需要一个很大的脉冲电流I1，按照有些人的说法，变压器要缓冲。所谓缓冲：在时间上缓就是不马上提供，到t2才给出，在幅度上缓就是不给那么大的电流I1，只提供较小的I2。举例说，IT在t1需要5kW的峰值功率，变压器给缓冲成在t2才给出3kW的峰值功率，请问，在这种情况下IT是什么反应？罢工！这是其一。

图3 UPS输出电压和电流关系原理图

    其二，在电源上限制电流的办法就是降低电压，如图3所示。为了减小电流就使变压器上的压降变大，如图中对应电流的电压下冲。这个下冲就是反电势，这就犯了电源的大忌：要想有这么大的反电势，就必须有这么大的电感量。变压器成了电感，线性环节变成了非线性环节，这已经不是变压器了！这样的所谓变压器在电路

    有对变压器防浪涌电流者作了这样的比喻：变压器就好比海边上的防波堤，一个浪打来，它就能抵挡一下。可惜变压器不是防波堤，而是平滑的沙滩。

    从式（2）可以看出，如果UPS的内阻r等于零，那么括号内的值就是1，就可以实现U=E ，这就是一台合格的UPS。在这里需要注意的是，负载电流I不是稳定的直流电流，而是随机变化的脉冲电流，也就是说存在变化率。如果在电源通往负载的线路上有电感L存在，在负载电流变化时就会有反电势e 。这个反电势就取决于负载电流的变化率，即：

    这时就有U=E - e，照样造成输出电压的不稳定，即动态性能不好的结果。也就是说电感是阻碍电流变化的，是脉冲电流的大敌。所以，在电源通往负载的线路中不允许有任何电感存在。最可能有电感的环节就是变压器，所以在绕制变压器时最怕有漏感，漏感越小变压器的质量越高。那些说变压器可以抗干扰者的根据恐怕就是基于变压器的电感，变压器没有了电感还靠什么抗干扰？

   （2）      UPS的输出变压器所在位置起到抗干扰作用剖析

    用图4对这个观点进行分析。图中的箭头指向就是两个UPS的输出端，众所周知，在用户的标书中都明确规定：UPS输出电压失真要小于3%~5%，就是说，如果达不到这个指标就有失败的危险。实际中，两类UPS都达到了这个指标，但值得注意的是工频机型UPS有变压器而高频机型UPS没有变压器，从图中可以看出，UPS输出有没有变压器的结果是一样的。为什么呢？众所周知，UPS逆变器不是干扰发生器，其输出波形是很正规的，并没有所谓的干扰，用不着去抗。那么输出端是不是有干扰反馈过来呢？我们用图5进行讨论。

图4 两种机型UPS的输出电路比较

图5  UPS输出到负载的馈电关系

    图5点划线方框的后面是连接负载的电缆W，电缆的末端是脉冲负载RL。要知道电缆本身是有阻抗ZW的，其值的大小可用式（4）表示 

    式中：

    ZW ——导线在长度l时的阻抗；

    l——导线W的长度；

    S——导线W的截面积；

    XL——导线W的自感阻抗，且XLµ l ；

    r——导线W的电阻率。

   因此，当负载电流IL通过时就会有压降，其大小如下式所示：

    URZw=IL ZW                                                         （5）

    这样一来，负载端的电压UL就是从UPS输出电压UUPS减去线路压降ILZW，可用下式表示：

    UL=UUPS-ILZW                                                     （6）

    从图中可以看出，在脉冲负载电流IL通过时，线路压降ILZW随着导线的长度延长而增大，在负载端最大，这就使负载端出现电压波形失真的原因。

    同样从图中也可以看出，供电线路是以UPS输出端A、B为起点的，很明显在这一点的线路长度l=0，所以线路压降ILZW=0，此点的电压

    UL=UUPS-ILZW=UUPS  

    换言之，负载脉冲电流在线路上形成的压降根本就反馈不到UPS输出端来，那么变压器在这里也就没有所谓抗“干扰”的任务。从众多实际用户机房测试中完全证明了这一点，这里面既有工频机型UPS也有高频机型UPS。由此证明，所谓工频机型UPS输出变压器在这里抗干扰是虚晃一枪。当然会有人说，你讲的不对，我们的那台UPS输出端就有波形失真。这能说明什么问题呢？只能说明两个问题：

    ① 你的那台UPS输出动态不好；

    ② 更说明那个变压器没有起啥作用。

    既然变压器两端都没有干扰，那么UPS输出端的滤波器是起什么作用的呢？因为UPS逆变器输出的是脉宽调制波，这个滤波器是做解调用的，把正弦波解调出来送到输出。这和变压器没有关系。

    （3）      实际经验证明变压器能抗干扰剖析

    我们的发电机容量没有问题，后面是6脉冲整流的UPS，但是由于6脉冲整流器的作用出现了干扰，发电机带不了UPS，后来就到工厂随便绕了个1:1的变压器，接上以后，发电机就可以带UPS了，这不是把干扰给抗了吗！这的确是个好例子，好就好在发电机可以带UPS了。但其抗干扰作用的机制是变压器的漏感，可以说这个变压器的漏感很大，是个不合格的变压器，如果用在UPS输出就会导致波形失真。实际上在这种情况下不必那么费事，在发电机和UPS之间接个滤波器就可以了，既省钱又省地方，还省力。

    5  结束语

    通过对工频机型UP S的输出变压器可以缓冲负载的电流突变，可以起到抗干扰作用的讨论知道，该变压器没有这么多的作用。因此，对于没有输出变压器的高频机型UPS，在稳压功能方面不会受到影响。■