(1)低频变压器的作用 UPS 输出的有效值电压为 220V，其正弦波交流电压的峰峰值电压是 620V，而一般单相 UPS 的 输入整流电压才 310V（这还不包括一般为 196V 电池的情况），为了使逆变器不失线V 的正弦波交流电压，逆变器前面的直流电压必须是 650V 870V。由于工频机逆变器的输入 电压远远低于这个值， 所以必须加一个输出变压器将电压提升到额定峰值以上才可使用， 如图 3 所示。 图中所示为电池电压是 192V 的情况。 在中小功率中， 为了节省本金， 一般都不将电池电压做得太高， 所以输出隔离变压器一般为升压工作方式。图中虚线以左的部分为输入隔离变压器，现在已不作为标 配。

  1 引言 技术总是在发展的，新技术代替旧技术是历史的发展规律。然而，新旧之间的替代与转换一般 并不是那么顺利，人类社会是这样，自然、科技领域也是这样。现在的电子技术已进入数字化时代， 这是不可逆转的技术发展规律，各行各业迟早都要集中到这一条路上来。但就某一个时期来说发展是 不平衡的，这中间有诸多因素的影响，比如各自的技术发展水平不同，人员对新技术的认识和接受能 力不同等等。具体到 UPS 领域又何尝不是如此。 2 工频机 UPS 和高频 UPS 的一般概念 静止变换式工频机结构 UPS 技术出现在上个世纪 70 年代，毫无疑问在当时属于尖端技术，几 十年间也为电子电器技术领域做出了不朽的贡献，有口皆碑。一般说任何技术的先进性是相对而言， 任何先进的产品也有其一定的适用期。 随着 IT 技术的出现与发展， 工频机 UPS 组件暴露出它的缺点， 比如体积大、重量大、功耗大和输入功率因数低等坏因大大影响了数据中心的可靠性。 在历史发展中总是遵循这样一个规律：每当一种技术阻碍生产力发展时，就会有一种新的技术 产生出来将其代替。毫不例外，高频机 UPS 技术问世了。为了区别以前的 UPS，就起了一个高频机 UPS 的名字。 原来那种输入输出都工作在 50Hz 并且有输出变压器的老的电路结构称作工频机 UPS； 而这种输入输出电路都工作在 20kHz 以上且没有的输出变压器的电路就称为高频机 UPS。 3 高频 UPS 比工频机 UPS 有哪些优点 (1)输入功率因数高 工频机 UPS 一般在 200kVA 以下的输入电路都采用了可控硅 6 脉冲整流， 输入功率因数不超过 0. 8，谐波电流有 30%之大。如果前置发电机，发电机的容量至少要 3 倍于 UPS 功率；如果是单相小 功率 UPS，发电机的容量至少要 5 倍于 UPS 功率。

  图 1 高输入功率因数下的工频机 UPS 和高频机 UPS 结构方框图 由于此二者的影响， 使得工频机 UPS 的效率比高频机 UPS 低 5%。 在同样 100kW 的容量时工频 机 UPS 每年要比高频机 UPS 多消耗 5 万度电！这在中央号召节能减排的今天具有深远意义。 (3)对外干扰小 干扰有两种，一种是听得到的机械噪声，一种是听不到的电噪声，这两种噪声工频机 UPS 都有， 形成了对设备和对人的伤害。 电噪声影响机器的稳定度， 机械噪声影响人的身心健康， 降低工作效率。 而高频机 UPS 由于工作在 20kHz 以上，20kHz 是人的耳朵听不到的频率，使工作环境安静下 来。又由于高频机 UPS 的输入功率因数高达 0.99 以上，几乎是线性，所以对外干扰几乎为零。

  等效的，都起不了关键作用。为了弥补这个不足，所以在所有 UPS 的输出端都接有电流传感器，一 旦出现过载或短路现象，就用停止逆变器工作的方法来保护。 另一方面，如果上述变压器具有抗干扰功能，那么这个变压器一定要具有分辨有用信号和干扰信号 的功能，比如图 7 示出了非线性负载工作时的电流波形图。非线性负载向 UPS 索取的工作电流的大小 是不定的，随机的，哪一个变压器能从图 7 的电流波形中分辨出有用和干扰电流呢？没有一个 UPS 输出变压器具有这种分辨能力，那么抗干扰之说也就没有根据了。

  图 6 一般工频机 UPS 电源结构方框图 同样，该变压器也没有缓冲负载电流突然变化的能力。根据能量守恒定律，变压器初次级之间的 能量传递是等量的，即： U1I1=U2I2 （2） 比如当负载端短路时，次级电流 I2 就会趋向于无穷大，为了平衡负载端的变化，变压器初级电流 I1 也会趋向于无穷大。也许有人会说：变压器的漏感可阻止电流的突然变化，这一来是变压器的漏感 很小，不足以阻止这种变化，另一方面，高频机的输出端照样串有小容量的电感，在这一点上二者是

  (b) 高频机 UPS 的并联方框图 图 2 两种 UPS 并联方框图 (4)体积小、重量轻 工频机 UPS 由于有输出变压器和适应 50Hz 的电感电容等低频器件使得体积重量都很大。 比如某 品牌 200kVA 工频机 UPS 重 1380kg，而同是这一家的 250kVA 高频机 UPS 重量只有 830kg。 (5)全数字技术 工频机 UPS 开始是模拟技术，现在一般发展为数字与模拟相结合的技术。模拟技术的可靠性要 比数字技术低。而高频机 UPS 技术是一种全数字化技术，不言而喻，可靠性是很高的。 (6)对电网的适应能力强 工频机 UPS 对于适应输入电压±15%的变化已很不易； 而高频机 UPS 甚至适应输入电压±30%以 上的变化，这又大大延长了电池的寿命。 (7)能将并机环流衰减到几乎为零 工频机 UPS 的并联就是变压器的直接并联，而变压器的直接并联最容易产生环流，而且这个环 流的路径畅通无阻，如图 2(a)所示。高频机 UPS 由于没有输出变压器，它们的并联如图 2(b)所示。 能够准确的看出这里的环流路径上处处是障碍，小于 2V 的电压差根本形不成环流，而工频机 UPS 在此情 况下就会形成很大的环流。 总之，高频机 UPS 在性能上不但能完全替代工频机 UPS，而且还增加许多后者没有的特点。 4 UPS 输出隔离变压器的作用 能够取消输出隔离变器的理由何在？以往有的认为工频机的变压器具有抗干扰和缓冲负载突变 的作用，好像这个变压器是为了这些目的专门为用户设计的。是不是这样呢？回答是否定的。首先， 他把变压器当成了电抗器，岂不知电抗器与变压器有着本质的区别。再就是这个变压器是工频机不可 分离的构成部分，而且作用也很简单，下面进行讨论。

  图 3 输出隔离变压器的升压作用电原理图 (2)对零线的隔离作用 工频机 UPS 采用的是全桥变换器，如图 4 所示。这种变换器输出的不是一根火线和一根零线， 而是两根火线。但一般的 UPS 负载要求一定要有零线，以便于接地，如果在没有输出隔离变压器的 情况下，就将一根火线(a)所示，就会导致 UPS 的工作失常。图中给出了在电压正 弦波正半波时的电流流动方向和途径，负半波也是如此。从图中能够准确的看出，由于零线的接入，使负载 电流经过负载后不是经过整流器和逆变管，而是直接流回市电的零线输入端，在这种情况下，图中用 虚线标出的一只整流器和一只逆变功率管就未起作用。按照正常的工作程序，负载电流应该流过两个 桥式电路的各 2 只管子，如图 4(c)所示，图 4(d)是它的等效电路。由电路能看出，当在输出端增加 了隔离变压器后，就可以在变压器的次级（负载输入端）连接市电的零线，于是就构成了一个可靠的 供电系统。 所以这个变压器是全桥电路不可分割的一部分。是为了解决上述困难的权宜之计，和其他没有必 然关系。

  （1） 式中： XC 是变压器初次级间等效分布电容的容抗，单位是 Ω； f 是干扰信号的频率。单位是 Hz； C 是变压器初次级间等效分布电容量，单位为 F。 从这个公式能够准确的看出，频率越高，容抗就越小，也就是说干扰信号的频率越高，这个电容通路就 越容易被穿过。由于一般干扰信号的频率是很高的，可以直接穿过变压器而长驱直入去干扰负载。若 是较低频率的干扰到来，它就会按照变压器的变比按比例变换过去而干扰负载。正因为变压器并不抗 干扰，所以几乎所有 UPS 都在输入和输出端加有输入/输出滤波器，如图 6 所示。

  (d)有输出隔离变压器时的正半波等效电路 图 4 工频机整流/逆变电流途径原理图 (3) 隔离变压器不能隔离干扰和缓冲负载 目前所有 UPS 的隔离变压器都是为了变压和隔离零线（或接地）的目的而接入的，并没有隔离 干扰和缓冲负载突变的功能。图 5 给出了这种变压器的结构原理图。从图中能够准确的看出，变压器的初级 和次级之间都有绝缘层，他们就构成了一个一定容量的电容器 C，电容器的容抗和频率是成反比关系 的，即：

  任何容量的高频机 UPS 的输入功率因数都可做到 0.99 或以上，谐波电流小于 5%，前置发电机 的容量理论上和 UPS 功率相同，大大缩减了投资和占地面积等。尤其是对市电的充分利用具有良好 的经济意义和社会意义。 (2)本身功耗小 在同样指标下，比如要求输入功率因数为 0.95 以上时，工频机 UPS 就必须外加谐波滤波器或改 为 12 脉冲整流，就是说前面要增加一个设备，再加上输出变压器，就比高频机 UPS 多了两个环节， 如图 1 所示。

  图 7 非线) 高频机 UPS 真的没有变压器吗？ 一般认为高频机没有变压器，这是一种误解。实际上在高频机 UPS 中也有变压器，比如 UPS 输 出交流电压 220V 时的电压幅度峰峰值约 620V， 而 UPS 中的电池电压一般小功率采用的是 192V、7 2V、48V 或者更小。如果没有变压器又如何将这些低压升至 620V 呢！在人们的习惯中大都认为有线 圈和铁心的才叫变压器，否则就不是变压器，这就有些片面了。比如在小功率高频 UPS 中的整流器 和逆变器之间有一个 Boost 升压电路，这就只电子变压器，凡是能将一个电压值变换为另一个电压 值的装置都是变压器，只是人们还不习惯而已。不能以外形如何来定义，又比如电磁炉和微波炉哪一 个外形也不像习惯上做饭的炉子；宇宙飞船既没有能飞的翅膀也不像船…，但对这些东西，人们已习 惯了，也就叫开了。高频机 UPS 由于有了这个电子变压器又带来了很多好处：不但可以变压，而且 还有输入功率因数校正功能， 它可以将输入功率因数校正到接近于 1， 这是工频变压器所无法实现的； 它的抗干扰功能也是工频变压器无法比拟的， 这是因为普通电磁式变压器将输入的电压波形没有失真 地传递到输出端，所以也将干扰一并送出。高频机的电子变压器则不然，如图 8(a)所示的电路是将输 入电压波形进行切割后储能送出：当整流正弦半波电压波形到来时，开关 S 闭合，电流经电感 L 和 开关 S 和输入形成回路，如图中实线所示，此时能量储存在电感 L 中，开关 S 按照一定的频率开断 与闭合，当开关断开后，储存在 L 中的能量沿虚线方向给二极管 D 后的电容和负载供电，而后再重 复下一个同样的周期。其波形的关系如图 8(b)和 8(c)所示。从图中能够准确的看出，电子变压器取能时，并 不将其送出，而是以静态的形式储存，不取能时再将储存在电感中的能量送出。换言之，即使电网中 有干扰，也会将动态干扰在储能过程中平复，就像波浪翻滚的河水流入水库后就会“偃旗息鼓”，平静 下来，而由水库向外提供的水流则是平缓的。谁也不会相信电池向外提供的电流中会有干扰成分。