前言
UPS有工頻機(jī)與高頻機(jī)之分，這兩者間的主要差異表現(xiàn)在隔離變壓器上。業(yè)界有一部分聲音認(rèn)為，工頻機(jī)的隔離變壓器有降低零地電壓、抑制干擾、隔離輸出等作用。事實(shí)果真如此么？為什么工頻機(jī)需要隔離變壓器，隔離變壓器真正的作用又是如何？本文將從技術(shù)細(xì)節(jié)深入探討，揭開(kāi)隔離變壓器的神秘面紗。
 
1、工頻機(jī)與高頻機(jī)的演進(jìn)
上世紀(jì)60年代末誕生了第一代基于半導(dǎo)體器件的UPS，該UPS一共有五個(gè)變壓器，其中整流器輸入用的是自耦變壓器，另外有一副繞組用于電池充電，逆變則用了四個(gè)隔離變壓器，通過(guò)不同的相位疊加成脈波式階梯逆變電壓，再通過(guò)LC濾波器，變成正弦波。國(guó)內(nèi)通常把這種含逆變隔離變壓器的UPS稱(chēng)為工頻機(jī)。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，得益于半導(dǎo)體的進(jìn)步，在上世紀(jì)90年代，工頻機(jī)逆變器已經(jīng)減少為一個(gè)隔離變壓器（見(jiàn)圖二），而到了本世紀(jì)初，各大UPS廠商紛紛推出了逆變器無(wú)隔離變壓器的UPS，稱(chēng)為高頻機(jī)。

2、隔離變壓器在UPS中的作用分析
從架構(gòu)來(lái)看，工頻機(jī)與高頻機(jī)較大的區(qū)別在于高頻機(jī)省去了逆變隔離變壓器，正是因?yàn)槭∪チ嗽摳綦x變壓器，高頻UPS的重量、體積均大幅度減小，效率提升明顯，相對(duì)工頻機(jī)有強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。由于工頻機(jī)已經(jīng)誕生幾十年，很多UPS用戶對(duì)高頻機(jī)產(chǎn)生了懷疑，認(rèn)為高頻機(jī)沒(méi)有隔離變壓器，會(huì)產(chǎn)生如下一些問(wèn)題：
a).輸出沒(méi)有被隔離；
b).無(wú)法抑制干擾；
c).無(wú)法降低零地電壓；
d).無(wú)法實(shí)現(xiàn)故障隔離；
e).無(wú)法抑制低頻的3n次諧波。
本文從原理上進(jìn)行比較，來(lái)探討相比有輸出隔離變壓器的工頻機(jī)，去掉輸出隔離變壓器的高頻機(jī)是否真的產(chǎn)生了上述問(wèn)題。

2.1、輸入與輸出隔離
正常情況下，隔離變壓器可以提供原副邊的隔離作用，而有些場(chǎng)景，如果原邊在其他路徑與副邊有電氣連接，則隔離變壓器就失去了隔離作用。大家都知道，高頻機(jī)沒(méi)有隔離變壓器，輸出與輸入沒(méi)有隔離作用，而工頻機(jī)是否就提供了隔離作用呢？圖二為包含UPS旁路的工頻機(jī)，可以看出，在主旁同源的情況下（K1閉合），市電主輸入、旁路輸入與輸出之間并沒(méi)有被隔離，而在主旁不同源的情況下（K1斷開(kāi)），主輸入與輸出隔離，但旁路輸入與輸出之間還是沒(méi)有被隔離，即輸出還是沒(méi)有被隔離。工頻機(jī)除非在圖二中的旁路或輸出（位置1或位置2）再增加一個(gè)隔離變壓器，才能提供輸出隔離作用，而這需要額外再增加一個(gè)隔離變壓器。而如果要增加一個(gè)額外的隔離變壓器，高頻機(jī)在輸出位置增加一個(gè)額外的隔離變壓器以后，也可以提供輸出隔離作用。工頻機(jī)的逆變隔離變壓器并沒(méi)有給UPS輸出提供真正的隔離作用。
 
2.2、抑制干擾
UPS是一種開(kāi)關(guān)電源，需要在輸出端加LC濾波器，以降低輸出電壓的諧波。高頻機(jī)在輸出端有額外的電感，如圖3中的L2，該電感與輸出濾波電容一起，組成LC濾波器。在實(shí)際的隔離變壓器中，原邊磁通并不能全部耦合到副邊，這部分磁通就形成了漏感，圖四是實(shí)際隔離變壓器的等效原理圖。大部分工頻機(jī)均沒(méi)有輸出濾波電感，僅利用隔離變壓器的漏感，當(dāng)作輸出濾波器中的感抗，用于濾波。高頻機(jī)與工頻機(jī)都需要輸出濾波感抗，不同的是高頻機(jī)有獨(dú)立電感，而工頻機(jī)是利用了隔離變壓器的漏感，兩者沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別。所不同的是，用隔離變壓器的漏感作為濾波電感，成本處于劣勢(shì)。但對(duì)于工頻機(jī)來(lái)說(shuō)，其逆變位置一定要加隔離變壓器（原因后文會(huì)講），所以利用隔離變壓器的漏感作為濾波電感就是一種比較經(jīng)濟(jì)的手段了?？梢?jiàn)，高頻機(jī)和工頻機(jī)都能用LC濾波器抑制干擾，所不同的是，高頻機(jī)用了獨(dú)立電感，而工頻機(jī)利用隔離變壓器的漏感。

2.3、降低零地電壓
零地電壓是個(gè)頗具爭(zhēng)議性的問(wèn)題，我們一直認(rèn)為夸大零地電壓的危害是不科學(xué)的，具體可以參見(jiàn)華為【數(shù)據(jù)中心能源白皮書(shū) 04】《零地電壓的產(chǎn)生與誤區(qū)》，此處僅從技術(shù)上分析隔離變壓器對(duì)零地電壓的作用。隔離變壓器本身不降低零地電壓，只是有用戶認(rèn)為將UPS輸出N和地（PE）在工頻機(jī)的隔離變壓器上短接，這樣就可以將零地電壓降低到0了。實(shí)際上，高頻機(jī)同樣在UPS內(nèi)部將N和PE短接，也可以將零地電壓降低到0。但國(guó)內(nèi)普遍是TN-S配電系統(tǒng)，而在TN-S配電系統(tǒng)，無(wú)論是工頻機(jī)還是高頻機(jī)，UPS內(nèi)部是不能將N和PE短接的。
TN-S系統(tǒng)中，旁路不帶隔離變壓器的UPS，旁路輸入必定帶N，連接到輸出N。圖五是通過(guò)隔離變壓器將N和PE短接示意圖，圖中的地線通過(guò)虛線連接到了隔離變壓器的中點(diǎn)，與N短接在一起，這種做導(dǎo)致的結(jié)果是UPS輸入側(cè)的N線和PE線已經(jīng)是并聯(lián)的兩根線，PE線已經(jīng)不再是PE線，而是PEN線，有N線電流通過(guò)，TN-S系統(tǒng)變成了TN-C系統(tǒng)。圖五這種接法在國(guó)外的配電系統(tǒng)是不被允許的，國(guó)內(nèi)的《建筑電氣工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》(GB50303—2002)要求將UPS的N和PE短接，這已經(jīng)有很多配電專(zhuān)家提出了質(zhì)疑。如果要在TN-S系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)在UPS輸出端將N和PE短接的目的，則需要在旁路或者UPS輸出位置加隔離變壓器，以將N線和PE線分離開(kāi)。

可見(jiàn)，隔離變壓器并不能降低零地電壓，對(duì)于TN-S系統(tǒng)，如果旁路沒(méi)有隔離變壓器，在隔離變壓器的輸出端將N和PE短接，這是不允許的，這會(huì)改變配電系統(tǒng)為T(mén)N-C系統(tǒng)。如果用戶接受TN-C系統(tǒng)，那么在高頻機(jī)內(nèi)也可以將PE和N短接，降低零地電壓。
 
2.4、實(shí)現(xiàn)故障隔離
UPS在逆變器故障后，都需要轉(zhuǎn)旁路供電，而無(wú)論是工頻機(jī)還是高頻機(jī)，UPS在輸出端都會(huì)配置輸出保險(xiǎn)（見(jiàn)圖三），如果逆變器或者母線電容故障，將會(huì)有大能量進(jìn)入或釋放出母線電容，此時(shí)保險(xiǎn)會(huì)熔斷，即無(wú)論是高頻UPS還是工頻UPS，都有故障隔離的作用。
 
2.5、抑制低頻的3n次諧波
THDv作為衡量輸出電壓質(zhì)量的指標(biāo)，需要計(jì)算2~50次（100Hz~2.5Khz）的諧波，這部分諧波越大，THDv越高，UPS輸出電壓質(zhì)量越差。目前絕大部分工頻機(jī)的逆變都是用IGBT，開(kāi)關(guān)頻率在1K~3KHz，而市電的頻率是50Hz，即開(kāi)關(guān)頻率是市電頻率的20~60倍，這么低的開(kāi)關(guān)頻率，會(huì)產(chǎn)生大量的低次諧波（50Hz、100Hz、150Hz…）。原邊為三角形輸入的隔離變壓器，如DY、DZ型隔離變壓器，由于輸入沒(méi)有中性線，三次諧波無(wú)法通過(guò)，這樣就可以降低3*n次諧波，降低THDv。而高頻機(jī)的開(kāi)關(guān)頻率普遍在15K以上，是市電頻率的300倍以上，如此高的開(kāi)關(guān)頻率下，輸出電壓低次諧波含量極低，即使沒(méi)有隔離變壓器，THDv也可以做得很低，例如，華為高頻UPS的輸出THDv可以做到1%以下。可見(jiàn)，對(duì)于開(kāi)關(guān)頻率很高的高頻機(jī)，本身就具備調(diào)制低頻諧波的能力，不需要隔離變壓器也可以實(shí)現(xiàn)低THDv。
 
3、隔離變壓器在工頻機(jī)中的作用
通過(guò)以上的分析，我們發(fā)現(xiàn)隔離變壓器在UPS中并沒(méi)有起不可替代的作用，那么為什么工頻機(jī)UPS還是有隔離變壓器呢？實(shí)際上，由于工頻機(jī)自身特點(diǎn)，其隔離變壓器還真是不可替代的。隔離變壓器在工頻機(jī)中不可替代的作用是升壓，另外，還有一重要作用：濾除三次諧波。
 
3.1、升壓的作用
如圖二，12脈波工頻機(jī)的輸入由晶閘管組成（6脈波工頻機(jī)也是如此），380V市電整流后得到的直流電壓不錯(cuò)為380*√2，538.8V，實(shí)際低于此值，一般在432V，直流432V母線經(jīng)過(guò)逆變電路，考慮1.2的調(diào)制比，無(wú)法產(chǎn)生380V的AC線電壓，實(shí)際工頻機(jī)產(chǎn)生的是不包含中心線的190V線電壓，而逆變所需要的帶N線的220V相電壓，工頻機(jī)只能通過(guò)隔離變壓器實(shí)現(xiàn)這一升壓目的。
 
3.2、濾除三次諧波 的作用
前面已經(jīng)分析過(guò)，工頻機(jī)由于開(kāi)關(guān)頻率低，無(wú)法濾除低次諧波，而3*n次諧波無(wú)法進(jìn)入三角形輸入變壓器，這樣隔離變壓器對(duì)工頻機(jī)的電壓質(zhì)量起著很大的作用。高頻機(jī)由于開(kāi)關(guān)頻率高，逆變器自身PWM調(diào)制可以把低次諧波降低到很低的水平，不用隔離變壓器也可以實(shí)現(xiàn)低的輸出電壓THDv。
 
4、結(jié)論
隔離變壓器在早期工頻機(jī)UPS中起著不可替代的作用，隨著技術(shù)的發(fā)展，UPS中的逆變隔離變壓器個(gè)數(shù)越來(lái)越少，較開(kāi)始為四個(gè)，目前較先進(jìn)的工頻機(jī)僅剩下一個(gè)逆變隔離變壓器。由于工頻機(jī)架構(gòu)特點(diǎn)，這一隔離變壓器無(wú)法去除，而高頻機(jī)憑借先進(jìn)的技術(shù)，已經(jīng)去掉了隔離變壓器。無(wú)隔離變壓器UPS帶來(lái)了諸多優(yōu)勢(shì)，體積、重量減小，效率更高，但也引起了用戶的疑慮，加上部分工頻機(jī)廠商的刻意引導(dǎo)，很多用戶擔(dān)心無(wú)隔離變壓器UPS的可靠使用。通過(guò)本文的分析，可以發(fā)現(xiàn)，相比有隔離變壓器的工頻機(jī)，無(wú)隔離變壓器的高頻機(jī)并沒(méi)有降低可靠性和性能。目前一些傳統(tǒng)工頻機(jī)占據(jù)優(yōu)勢(shì)市場(chǎng)的UPS廠商，刻意夸大隔離變壓器的作用，企圖延緩高頻機(jī)取代工頻機(jī)這一趨勢(shì)，長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這將是徒勞的。