变压器在UPS电源系统中的作用

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1、变压器在UPS电源系统中的作用人们普遍认为，最初在UPS系统中安排内部变压器是为了在UPS输入与输出之间提供电隔离。这是错误的。早期UPS系统中采用内部变压器的真正原因在于UPS设计中所采用的功率逆变器技术使之成为必然的需要。最初的UPS产品在40多年前开发，采用一种以地为基准的蓄电池系统。接地的电路和蓄电池配置要求这些系统具备两个变压器，以便与主回路隔离：一个位于输入整流器上，另一个位于输出逆变器内。此后对这些设计的改进是将蓄电池母线移至零线导线或使之电气上悬浮，去掉了其中一个变压器（通常是去除整流器变压器）。借助于近15年内出现的高压、高速功率半导体技术，最新的UPS设计

2、采用的是将输入和输出变压器均撤销的全新设计。在有些数据中心电源系统设计中，UPS无需配用任何变压器；但在很多情况下必须或建议将变压器与UPS组合安装。本文将介绍，对一套UPS系统有92种不同的变压器可能组合可供使用，而可与并联式或其它冗余配置配合使用的组合则更多。如果不能理解各种不同备选方案之间的重要差异，则无法研究变压器在UPS系统中的使用。UPS系统的配置按照是否存在静态旁路及其连接方式分为三个基本类别。这三个类别通常称为单输入、双输入和无旁路单输入。它们在图1中示意性示出。在单输入配置中，由一条输入连接对在UPS上连接在一起的旁路和UPS模块同时供电。这是最常见的安排方

3、式，也是许多小型UPS系统中支持的唯一的安排方式。此类安排见于大多数较小型的数据中心设施以及许多大型数据中心设施。此类系统的主要好处是安装简单、成本低，且许多与电流循环和接地相关的复杂因素均不存在。此类系统的缺点是，实际的输入供电系统无法在不对关键负载断电的条件下被隔离以进行维护，尽管部分不利因素可以通过输入上的环绕式断路器加以克服。当旁路由不同于对UPS整流器输入供电的输入的另一条输入供电时，需要采用双输入配置。输入的差异可小（例如，由同一面板上的不同断路器供电）可大（例如，它们来自接地系统不同甚至电压都不同的完全独立的电源）。有多种数据中心冗余架构规定采用此类配置。采用双

4、输入配置的另一个原因是可以在对关键负载供电的同时将两输入中的任何一条停用以进行维护。应注意，当使用发电机时此配置可以使用，但非必需，因为发电机通常通过一个自动转换开关（ATS）连接至UPS的输入母线上游处，以使其向UPS供电的同时，也向其它负载（如冷水机组）供电。双输入配置在某些数据中心架构中必须采用，并被作为许多较大型的数据中心的优选方案，以实现并行维护并/或使系统整体可靠性稍稍提高，因为它可以防止UPS的上游连线和断路器成为电源系统的单一故障点。最后一种配置无旁路单输入主要用于输入电源质量被认为极差的环境和被确定为不再适合由输入通过旁路对关键负载供电的地方。这可能会在输入

5、频率（50或60Hz）与IT负载频率不同的工业应用、船舶或小岛等场合中出现，或者在供电压力很大的发展中国家电网中出现。在一些国家（例如美国），这是一种极其罕见的方式，而在其它国家（例如印度）则很常见，在某些地区甚至占到安装设施的多数。注：对上述三种配置进行全面分析比较可能涉及在价格、复杂性、可靠性、可维护性以及电力质量等方面的折衷；此分析已超出本文的范围。本文将重点介绍如何在每一种配置内使用变压器。上文所介绍的三种配置可能在功率路径上包含一个或多个变压器。图2示出了三种UPS配置中变压器的可能位置。图2中所示的基本配置（UPS模块、变压器和旁路的各种组合）在本文中被称为"UP

6、S系统"。类似地，"UPS模块"指UPS系统的功率变换器和储能组件，它们结合起来提供不间断电源。"UPS产品"是指处于一个机箱内、包含至少一个UPS模块的设备，此外还可能包含各种变压器和旁路器件。由于市场上所销售的UPS产品可能在"产品"所含内容（旁路和变压器选件）方面有很大差异，本文将主要使用更具体的术语"UPS系统"和"UPS模块"。UPS产品经常被描述为"基于变压器式"或"无变压器式"。此区别是指UPS产品机箱内存在或不存在逆变器变压器。图2中所示除逆变器变压器之外的各种变压器或者是可在UPS产品内部选装的所有选件，或者是可以安装在UPS机箱外部的所有选件。此问题对于下

7、文讨论非常重要，必须进一步澄清：无变压器式UPS产品与基于变压器式UPS产品的区别在于是否有逆变器变压器。可能在UPS系统中使用的其它所有变压器均为选装，并可与基于变压器式和无变压器式UPS产品配用。应注意，在任何设施中均存在为UPS系统及其它负载供电的上游变压器。图2中简图所示的输入、旁路及整流器变压器表示专门针对UPS系统使用的变压器；它们不同于对市电电网中压进行降压的变压器。在这三种UPS系统配置的每一种情况下，可能存在变压器的任何组合，即从没有到全部。对于单输入配置，有8种可能的变压器安排；对于