工频机型UPS的输出变压器

摘要：本文对工频机型UPS的输出变压器的作用进行了系统的探讨，由分析得知，输出变压器并没有那么多的作用，没有输出变压器的高频机型UPS同样具有优良的稳压性能。 叙词：UPS 高频机 工频机 输出变压器 稳压 Abstract：The article discusses systematically the function of out-put transformer of industrial frequency UPS and from the discussion, it is revealed that the function of out-put transformer is over-estimated. High-frequency UPS without out-put transformer also has excellent performance for stabilizing voltage. Keyword：UPS, High-frequency machine, Industrial-frequency machine, Out-put transformer, Voltage stabilizing

1 前言

以往，UPS中的输出变压器并没有引起什么人的注意，因为它不过是整个设备的一个组成部分。曾几何时，自从无输出变压器的高频机型UPS问世后，注定顺应历史的发展规律，要替代工频机型UPS已成定局。因此，工频机型UPS的输出变压器就被抬了出来，百般推崇，简直成了香饽饽！有的将这个变压器的功能描述的活里活现，除了不能上天，简直是无所不能。为什么要这样说呢？因为高频机型UPS没有这个变压器，你没有这个变压器就没有这些优秀的功能，想替代工频机型UPS自然也就没有可能了。目的是要让工频机型UPS万世长存。

如果这个变压器真的有如此多的优越性能，也不妄其宣传者的一番苦心，也不妄有些用户受其感染。现在的情况是，有些用户在这种宣传的影响下，甚至把“带有输出隔离变压器的UPS”写入标书，非它莫属。影响之大可想而知。实际情况真的是这样吗？下面就分析一下这个变压器的真实作用。

2 关于变压器的“传说”

工频机型UPS，从问世以来就担负着保护数据的任务。在几十年的使用中也从没有人对其输出变压器产生过兴趣，就更谈不上对它的宣传与歌颂。因为这个变压器和其他环节一样，只不过是UPS的一个组成部分，因此，它的存在也几乎被用户忘记了。

在上个世纪90年代出现了高频机型UPS，因为当时还没形成气候，开始也没有引起人们的注意。尽管有几篇指责性的文章，也因作者对电源基本概念不清和对高频机型电路的不了解而没有批评到点子上。结果，由于事实的回击，以上的批评言论也就自动偃旗息鼓了。比如有的文章批评高频机型UPS，当输入电压等于输出电压时，该机器就成了一根短路电缆。这就是对UPS的基本概念不清楚。众所周知，不仅是高频机型UPS，工频机型UPS也有输入电压等于输出电压的时候，岂不是工频机型UPS也成了一根短路电缆！交流稳压器也有输入电压等于输出电压的时候，岂不是交流稳压器也成了一根短路电缆。照这种理论，那么220V变220V的变压器就是当然的“短路电缆”了。照这种说法1:1的变压器就不要绕了，用一根短路电缆代替就是了，这岂不成了笑谈。说了半天反而把自己绕进去了，又比如有文章批评说，高频机型UPS在市电供电时只不过就是一个交流稳压器（意思是说就不是UPS了）。我们不禁要问：在市电供电时不让它作交流稳压器，让它做什么呢？是转旁路、是让电池放电还是关机？这就是对UPS的基本功能不清楚。UPS的三大基本功能是：稳压、滤波、不间断。也就是，在市电供电时UPS就是稳压器和滤波器，在市电故障时它又是不间断电源。这也是工频机型UPS的基本功能，结果批评了半天又把自己绕进去了。

近几年是一波未平又起一波。本来高频机型UPS的功能就摆在那里，就没有必要再争论下去了。恰恰相反，原来的文章又提出了新观点：工频机型UPS的输出变压器可以抗干扰，而且越说越神：什么可以抗冲击电流、可以提高UPS的整机可靠性、可以适应电网的力矩变化等等。这样一来就把用户搞糊涂了，甚至也影响了某些制定标准的人，将这种观点写进了具有指导意义的“白皮书”。有的建立信息中心及机房者，觉得机房中的设备如果没有变压器心里就不踏实。

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：

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？

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中是会使波形失真的，而在实际机器中波形没有失真，就说明漏感很小，甚至几乎为零。所以这些人的分析是没有根据的，是强加给变压器的，设计者本来就不是这个意思。

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。

（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。■

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：

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？
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中是会使波形失真的，而在实际机器中波形没有失真，就说明漏感很小，甚至几乎为零。所以这些人的分析是没有根据的，是强加给变压器的，设计者本来就不是这个意思。

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。
（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。■

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。■