工頻機全橋逆變器UPS輸出變壓器簡(jiǎn)介

負載以后再也不經(jīng)過(guò)VT3和VD3，而是經(jīng)短路線(xiàn)B N直接回到負端N。這樣一來(lái)，電流就只經(jīng)過(guò)了兩只管子：一只整流二極管和一只逆變管IGBT，即規定的路線(xiàn)沒(méi)走完。圖5(b)示出了UPS負載端接地時(shí)L 為負壓情況下電流的流動(dòng)路徑，也同樣少經(jīng)過(guò)兩只管子。這會(huì )出現什么問(wèn)題呢?假如一個(gè)人到正規商店買(mǎi)東西，要分幾步走：選貨、開(kāi)票、交款、取貨。如果是少了 兩個(gè)步驟，比如只選貨和交款肯定不行，不開(kāi)票就無(wú)法交款，結果什么也買(mǎi)不到東西;如果只進(jìn)行交款和取貨，這不是正規商店的做法，也不行?？傊?，少一個(gè)步驟 也買(mǎi)不回東西。UPS也一樣，少一個(gè)步驟就是電路失去了原來(lái)的功能，使負載得不到應得的潔凈的和穩定的輸入電壓，UPS反而成了累贅。這還是樂(lè )觀(guān)的情況， 因為輸入輸出同步，不會(huì )出大問(wèn)題。但在實(shí)際應用中就不這么幸運了，幾乎100%的UPS在啟動(dòng)瞬間都不是同步的，必需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的跟蹤才能達到同步的 目的。

　　以上是理想的同步情況，實(shí)際上啟動(dòng)的時(shí)機幾乎都不是同步的，幾乎在100%的場(chǎng)合都是爆炸。為什么會(huì )爆炸呢?這是因為在電源起動(dòng) 瞬間，功率管的開(kāi)通順序幾乎都不是按照設定的順序工作，這時(shí)的開(kāi)通順序是隨機的，如圖6所示，不但不同步還不同相位，幾乎100%情況下的功率管導通是圖 6(a)的樣子，即當N為正L為負時(shí)電流的路徑應該是：

　　N→VD1→VT2→R→VT3→VD4→L

　　(a) 輸出與輸入不同步時(shí)的電流路徑

　　(b)輸出與輸入不同步時(shí)電流路徑的等效電路

　　圖6 UPS負載端接地而輸出又和輸入不同步的情況

　　但由于接地線(xiàn)的加入改變了電流的路徑：電流由N出發(fā)就直接到了負載R的下端，又由于逆變器功率管VT3的開(kāi)啟，使電流不能經(jīng)過(guò)負載R，而是直接經(jīng)過(guò) 整流管VD4回到L。這樣一來(lái)，電流沒(méi)有經(jīng)過(guò)任何負載，兩個(gè)管子的導通形成短路狀態(tài)，如圖6(b)的等效電路所示，即使管子的內阻和導線(xiàn)電阻不為零，但已 遠遠小于1?，而且管子的功率越大則內阻也越小，加粗后的導線(xiàn)電阻也越小。比如一臺1kVA的UPS，逆變器的效率為90%，即消耗100W，取五倍的功 率管，即500W/50A，設短路電阻為0.1?(實(shí)際上比這個(gè)值小得多)，這時(shí)的短路電流就是2200A，強大的電流在管子的PN結上會(huì )產(chǎn)生強烈的焦耳 熱量，一方面會(huì )使截面積不相稱(chēng)的引線(xiàn)起火甚至燒斷，一方面在PN結上的劇烈高度焦耳熱也會(huì )使管子像炸彈那樣炸裂。在上個(gè)世紀90年代由某公司進(jìn)口品牌為 Vlctron的小功率UPS，由于沒(méi)有輸出隔離變壓器，在用戶(hù)輸入端接地時(shí)幾乎都形成爆炸。后來(lái)不得不外加輸出變壓器BT，這才保證了正常使用，如圖7 所示，這時(shí)的電流路徑是：

　　L+→VD2→VT2→BT初級繞組→VT3→VD3→N-

　　恢復了無(wú)地線(xiàn)時(shí)的狀態(tài)。原來(lái)的負載R換成了變壓器初級繞組，這時(shí)的初級繞組就是負載R。不過(guò)是換了一種吸取功率的方式。換言之，變壓器就是一個(gè)具有物理 隔離性的、不失真傳遞電功率的中間環(huán)節。這樣一來(lái)，在變壓器的次級繞組端就可以連接接地線(xiàn)了，如圖7所示。當然，在有的供電環(huán)境下零地線(xiàn)之間的電壓過(guò)高， 使用戶(hù)感到不安，此時(shí)也可將此變壓器的次級繞組接地。

　　圖7 全橋變換器輸出加隔離變壓器的情況

　　(2)工頻機輸出隔離變壓器的第二作用——變壓

　　在一般小功率UPS中，為了節省成本，一般用的電池電壓不高，圖8就是一個(gè)電池電壓用60V的例子，當然常用的電池電壓規格很 多，24V，36V，48V，192V，240V，等等。對于單相UPS來(lái)說(shuō)輸出電壓有效值多為220V，分正負半波，半波的峰值是有效值的1.414 倍，即220VX1.414=310V，正負半波的峰峰值就是620V，如圖8所示。由60V到620 V有10倍之差，不用變壓器是無(wú)法實(shí)現的，所以這個(gè)輸出變壓器的第二功能是變壓。

　　圖8 3-25 變壓器的升壓作用原理圖

　　所以UPS輸出變壓器的功能就是兩個(gè)：產(chǎn)生隔離接地點(diǎn)和變壓。

　　2.UPS變壓器不具備抗(抑制)干擾和緩沖短路的功能

　　那么，上述變壓器是否有抗干擾的功能呢?回答是否定的，而且也不允許其抗干擾。這里所謂的干擾只能來(lái)自負載，UPS的逆變器是不產(chǎn)生干擾的。負載對電壓 源的要求是：輸出端動(dòng)態(tài)性能一定要好，即動(dòng)態(tài)內阻一定要小，這樣電源的輸出才能適應負載的變化，不允許有慣性。只有慣性環(huán)節才有抗干擾能力，變壓器不是電 抗器，在正常工作時(shí)是線(xiàn)性的，不失真地傳遞信號，所以不具備抗干擾能力。那么從結構原理上又如何解釋呢?圖9示出了這種變壓器的結構原理圖。從圖9(a) 的變壓器原理圖可以看出，普通電源變壓器都有初級和次級，而且都是一層層用漆包線(xiàn)繞成的，如圖9(b)的變壓器結構剖面圖所示。就是說(shuō)，變壓器是由繞在鐵 芯上的一層層銅漆包線(xiàn)構成，初級和次級也是這樣，兩層漆包線(xiàn)之間都墊有絕緣層，這樣一來(lái)，每層繞組就構成一個(gè)導體平板，兩層繞組之間就構成了一個(gè)平板電容 器，進(jìn)而在初次級繞組之間就形成了一個(gè)等效電容器C，如圖9(b)所示。在初次級繞組之間也就形成了一個(gè)容抗XC，其數值的大小為：

　　　　　　　　　　　　(1)

　　(a)變壓器原理圖 (b)變壓器結構剖面圖

　　圖9 變壓器結構原理圖