这种早期的工频机UPS输入端是降压变压器，输出端是升压变压器；另一个特点是输入整流器和后面的逆变器都工作在工业频率，即50Hz（或60Hz）。在一些中小功率UPS中，输入整流器和充电器是分开的。这主要是因为在这些UPS中的输入整流器都是采用的没有任何调整能力的整流二极管，而电池电压的电平必须是稳定的，需要严格控制的，所以一般需另设具稳压功能的充电器电路，如图2所示。在小功率中，早期的充电器一般用一个稳压块，到后来才采用了PWM开关电源，提高了充电速度和充电效率。由于中小功率UPS中采用的电池电压很低，所以输出还要加升压变压器。后来由于器件的发展才取消了输入降压变压器，成了今天的样子。

到底工频机UPS的输出变压器还有多少功能？没有它行不行？是工频机产品不可缺少的部分还是专门为了实现上面所宣传的优越功能而专门加上去的呢？只有搞清楚这个问题才可以谈它是否优越的问题。

图2 中小功率UPS的一般电路原理结构图

（1）工频机输出隔离变压器的作用---产生隔离接地点

图3给出了一个单相UPS的主电路图，它的输出端不接地，输入电压正半波（L为正压）的情况。此时的电路中无变压器，逆变器输出与输入端的电压同步锁相，锁相的含义是:全桥逆变器几个功率管的导通情况是根据输入电压的相位要求而决定的，如3所示的浅色二极管和IGBT是在电压正半波（L为正压）的情况下电流的经过路径。这时的电流路径是：

从路径上可以看出，电流在形成一个回路的流动中经过了两个整流器二极管和两个逆变器IGBT。此时UPS的工作是正常的。

当输入电压为负半波时的情况也一样，不过在负半波时电流流过的是另外两只整流器二极管和逆变器的IGBT。

在此情况下供电是没有问题的，不过这时输出的是不接地的悬空电压，如果负载机器没有输入接地的要求，一切均无问题。然而偏偏有一些电子设备要求其输入电压（UPS的输出电压）零点接地，不接地就不给用户开机。这样一来使得原来悬空电压的一端必须接地。要知道，在我国的用电制度中，变电站将11kV的高压经D-Y变压器变成低压（3′389V/220V）后，当即就把次级绕组Y的中点接地，然后再由这一点引出两条线：一条中线N和一条地线E，如图4所示。

因此，在UPS输出端有一点接地也就和输入端电压的零线接到了一起，如图5中粗灰线所示。如果还是按照图3假设的条件，即输出电压和输入电压同步锁相，在输入为正半波时，如图5（a）所示，虽然逆变器功率管的导通和整流器二极管都按照输入的要求开通，但由于如图示的短路中线电阻远远小于电路内几个功率管和导线的电阻，所以电流在流过

负载以后再也不经过VT3和VD3，而是经短路线B N直接回到负端N。这样一来，电流就只经过了两只管子：一只整流二极管和一只逆变管IGBT，即规定的路线没走完。图5（b）示出了UPS负载端接地时L为负压情况下电流的流动路径，也同样少经过两只管子。这会出现什么问题呢？假如一个人到正规商店买东西，要分几步走：选货、开票、交款、取货。如果是少了两个步骤，比如只选货和交款肯定不行，不开票就无法交款，结果什么也买不到东西；如果只进行交款和取货，这不是正规商店的做法，也不行。总之，少一个步骤也买不回东西。UPS也一样，少一个步骤就是电路失去了原来的功能，使负载得不到应得的洁净的和稳定的输入电压，UPS反而成了累赘。这还是乐观的情况，因为输入输出同步，不会出大问题。但在实际应用中就不这么幸运了，几乎100%的UPS在启动瞬间都不是同步的，必需要经过一段时间的跟踪才能达到同步的目的。

以上是理想的同步情况，实际上启动的时机几乎都不是同步的，几乎在100%的场合都是爆炸。为什么会爆炸呢？这是因为在电源起动瞬间，功率管的开通顺序几乎都不是按照设定的顺序工作，这时的开通顺序是随机的，如图6所示，不但不同步还不同相位，几乎100%情况下的功率管导通是图6（a）的样子，即当N为正L为负时电流的路径应该是：

但由于接地线的加入改变了电流的路径：电流由N出发就直接到了负载R的下端，又由于逆变器功率管VT3的开启，使电流不能经过负载R，而是直接经过整流管VD4回到L。这样一来，电流没有经过任何负载，两个管子的导通形成短路状态，如图6（b）的等效电路所示，即使管子的内阻和导线电阻不为零，但已远远小于1W，而且管子的功率越大则内阻也越小，加粗后的导线电阻也越小。比如一台1kVA的UPS，逆变器的效率为90%，即消耗100W，取五倍的功率管，即500W/50A，设短路电阻为0.1W（实际上比这个值小得多），这时的短路电流就是2200A，强大的电流在管子的PN结上会产生强烈的焦耳热量，一方面会使截面积不相称的引线起火甚至烧断，一方面在PN结上的剧烈高度焦耳热也会使管子像炸弹那样炸裂。在上个世纪90年代由某公司进口品牌为Vlctron的小功率UPS，由于没有输出隔离变压器，在用户输入端接地时几乎都形成爆炸。后来不得不外加输出变压器BT，这才保证了正常使用，如图7所示，这时的电流路径是：

恢复了无地线时的状态。原来的负载R换成了变压器初级绕组，这时的初级绕组就是负载R。不过是换了一种吸取功率的方式。换言之，变压器就是一个具有物理隔离性的、不失真传递电功率的中间环节。这样一来，在变压器的次级绕组端就可以连接接地线了，如图7所示。当然，在有的供电环境下零地线之间的电压过高，使用户感到不安，此时也可将此变压器的次级绕组接地。

（2）工频机输出隔离变压器的第二作用——变压

在一般小功率UPS中，为了节省成本，一般用的电池电压不高，图8就是一个电池电压用60V的例子，当然常用的电池电压规格很多，24V，36V，48V，192V，240V，等等。对于单相UPS来说输出电压有效值多为220V，分正负半波，半波的峰值是有效值的1.414倍，即220V′1.414=310V，正负半波的峰峰值就是620V，如图8所示。由60V到620 V有10倍之差，不用变压器是无法实现的，所以这个输出变压器的第二功能是变压。

所以UPS输出变压器的功能就是两个：产生隔离接地点和变压。

2.UPS变压器不具备抗（抑制）干扰和缓冲短路的功能

那么，上述变压器是否有抗干扰的功能呢？回答是否定的，而且也不允许其抗干扰。这里所谓的干扰只能来自负载，UPS的逆变器是不产生干扰的。负载对电压源的要求是：输出端动态性能一定要好，即动态内阻一定要小，这样电源的输出才能适应负载的变化，不允许有惯性。只有惯性环节才有抗干扰能力，变压器不是电抗器，在正常工作时是线性的，不失真地传递信号，所以不具备抗干扰能力。那么从结构原理上又如何解释呢？图9示出了这种变压器的结构原理图。从图9（a）的变压器原理图可以看出，普通电源变压器都有初级和次级，而且都是一层层用漆包线绕成的，如图9（b）的变压器结构剖面图所示。就是说，变压器是由绕在铁芯上的一层层铜漆包线构成，初级和次级也是这样，两层漆包线之间都垫有绝缘层，这样一来，每层绕组就构成一个导体平板，两层绕组之间就构成了一个平板电容器，进而在初次级绕组之间就形成了一个等效电容器C，如图9（b）所示。在初次级绕组之间也就形成了一个容抗XC，其数值的大小为：

式中： Xc是等效电容的容抗，单位是欧姆（W）

C是等效电容的容量，单位是法拉（F）

f是干扰信号频率，单位是赫兹（Hz）

从式（1）中可以看出，电容的容抗和干扰信号的频率成反比，而一般干扰信号的频率很高，可以从几千赫兹到几十兆赫兹，尤其是各种形式的噪声、尖峰等。但这些干扰到来时可以很顺利地由初级通过电容C传到次级。但浪涌到来时，由于其能量很大且频率很低（可以到数个工频周波），这时候变压器就可以按照固有的变比将其传导过去。

有人说这个变压器可以缓冲负载的短路，这也是没有根据的。因为变压器不是智能环节，根本无法判断负载是短路还是短期的大负荷工作。图10给出了IEC发布的PC机典型工作电流波形，从图10（a）中可以看出，当机房中所有设备正常工作时，它们向UPS索取的电流值是分散的，所以从电源的电表上看负载不大，比如平时的负载也就是60%左右，但有时也会切换到旁路上去，有时是几秒钟，有时是几分钟。UPS所以会转旁路，在正常情况下是因为过载，但过载时间超过设定值时就会转旁路，过载消失后又切换回来。这是什么原因呢？从图10（b）可以看出，但机房中所有或大部分计算机正巧在某一刻都工作在电流值时，负载量会变得很大。比如原来每台负载的电流峰值是100A，正常时由于分散，负载变得很平和；一旦同步取值时比如500A，如果时间超过UPS允许的界限就会转旁路。假如变压器可以抗干扰和缓冲负载的突然变化，试问此时应当认为是干扰给抗掉呢还是当成短路给缓冲呢？要知道低于单机电流峰值的的干扰由于被负载淹没是不需要抑制的，只有抑制那些高于峰值电流的干扰才有意义。现在图10（b）的电流峰值数倍于平时，不论是被变压器缓冲还是抑制都会造成用电系统的停机！这样的电源还有人敢用吗！实际上变压器一不能分辨干扰，也不能分辨短路，更没有所谓“缓冲”和“抑制”的功能。

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