易龍強(qiáng)

Dzn0隔離變壓器在不間斷電源中的應(yīng)用

易龍強(qiáng)

（科華數(shù)據(jù)股份有限公司，福建 廈門(mén) 361006）

Dzn0型隔離變壓器由于其相對(duì)相輸出特性被廣泛應(yīng)用于不間斷電源（UPS）等逆變輸出設(shè)計(jì)中。本文分析Dzn0型隔離變壓器的工作原理，給出Dzn0型隔離變壓器電壓、電流分量的理論計(jì)算方法，并利用仿真與實(shí)驗(yàn)論證分析結(jié)果，為該類(lèi)型變壓器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供一種技術(shù)分析方法。

不間斷電源（UPS）；隔離變壓器；Dzn0

0 引言

通常隔離變壓器根據(jù)輸出聯(lián)結(jié)方式不同可以分為Dyn、Dd、Ynyn、YNd、Dzn、ZNd、Ynzn、Znyn八大類(lèi)，其中，D或d表示三角形接線(xiàn)，Y或y表示星形接線(xiàn)，Z或z表示曲折形接線(xiàn)（即英文中的Zig/Zag聯(lián)結(jié)），N或n表示中性點(diǎn)，大寫(xiě)表示輸入，小寫(xiě)表示輸出。

對(duì)于隔離變壓器，尤其是不間斷電源（uninter- ruptible power supply, UPS）系統(tǒng)和數(shù)據(jù)機(jī)房隔離變壓器，其聯(lián)結(jié)方式主要有Dyn11和Dzn0兩種。相對(duì)于Dyn11變壓器，Dzn0變壓器通過(guò)設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)一、二次繞組線(xiàn)電壓具有同幅、同頻、同相的特點(diǎn)；此外，由于輸出繞組是曲折形聯(lián)結(jié)，對(duì)負(fù)載產(chǎn)生的高次諧波均有不同程度的隔離抑制作用。因此，Dzn0隔離變壓器在UPS等電氣設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)用戶(hù)負(fù)載與一次電源之間的電氣隔離[1-4]。

本文針對(duì)Dzn0變壓器的原理，在理論分析其聯(lián)結(jié)組標(biāo)號(hào)與電壓矢量的基礎(chǔ)上，給出變壓器各相的定量計(jì)算方法，并通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論分析的正確性。

1 Dzn0變壓器聯(lián)結(jié)組標(biāo)號(hào)與電壓矢量分析

公司所產(chǎn)KR33400型400kV·A UPS系列產(chǎn)品所使用的Dzn0隔離變壓器電氣原理如圖1所示。其由一個(gè)三相一次繞組和兩個(gè)三相二次繞組組成。一次繞組與二次繞組的匝比為3:1，一次繞組48匝，兩個(gè)二次繞組16匝。一次繞組采用三角形聯(lián)結(jié)，兩個(gè)二次繞組z形聯(lián)結(jié)，并形成中性點(diǎn)輸出。

根據(jù)圖1中電壓矢量方向繪制變壓器電壓矢量圖，可得變壓器電壓矢量分析圖[5-6]，如圖2所示。

圖2中：

圖1 Dzn0隔離變壓器電氣原理

圖2 DZ隔離變壓器電壓矢量分析

2 電壓矢量關(guān)系定量分析

設(shè)一次繞組線(xiàn)電壓矢量為

根據(jù)變壓器二次繞組同名端關(guān)系與匝比，可得

及

根據(jù)變壓器二次繞組連接關(guān)系，可得

最后，計(jì)算可得二次繞組線(xiàn)電壓為

由此可見(jiàn)，該Dzn0變壓器一、二次繞組的線(xiàn)電壓具有同幅、同頻、同相性質(zhì)，這是DZ變壓器的特點(diǎn)，這為UPS逆變器輸出進(jìn)行隔離在控制方面提供了便利。

3 DZ變壓器單相帶載電流分析

由前面分析可知，DZ變壓器輸入、輸出相電壓、線(xiàn)電壓同幅、同相，因此可以斷定，在輸出帶三相對(duì)稱(chēng)平衡負(fù)載的情況下，輸出相電流與輸入相電流完全相同（能量守恒）。

對(duì)于變壓器單相帶載，例如A相帶載，即A相有電流值，B、C相電流值為零。此時(shí)分析一次電流可以按三相正、負(fù)、零序原理進(jìn)行計(jì)算[7]，即此時(shí)二次側(cè)不平衡電流可以分解為正、負(fù)、零序三個(gè)對(duì)稱(chēng)分量，由于零序電流分量不能通過(guò)三相變壓器，而正、負(fù)序電流分量又為對(duì)稱(chēng)平衡分量。由前述分析可知，二次側(cè)對(duì)稱(chēng)電流應(yīng)與一次側(cè)對(duì)稱(chēng)分量完全相同。因此，此時(shí)一次電流大小為二次電流的正、負(fù)序電流分量在一次側(cè)所感應(yīng)電流大小之和。

定量計(jì)算分析，設(shè)A相帶載，B、C相空載，則有

計(jì)算該矢量正、負(fù)、零序分量，可得

可見(jiàn)一次側(cè)A相電流為一次電流的66.7%。

4 Dzn0變壓器單相帶載電流仿真分析

根據(jù)DZ變壓器原理，利用Matlab構(gòu)造仿真模型，如圖3所示。仿真中A相獨(dú)立帶載，仿真電流值見(jiàn)表1。

表1 仿真電流值

仿真波形如圖4所示，由圖4可見(jiàn)，當(dāng)二次側(cè)A相單相帶載時(shí)，一次側(cè)三相產(chǎn)生輸入電流，且一次側(cè)B、C兩相電流幅值、相位一致，可見(jiàn)仿真結(jié)果與理論分析一致。

圖3 仿真模型

圖4 仿真波形

5 實(shí)驗(yàn)

通過(guò)理想Dzn0變壓器模型分析，進(jìn)一步開(kāi)展Dzn0變壓器帶載實(shí)驗(yàn)。Dzn0變壓器硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)直接采用公司KR33400型400kV·A UPS為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖5所示。UPS逆變輸出采用絕緣柵雙極晶體管（IGBT）二電平三相半橋結(jié)構(gòu)，通過(guò)Dzn0變壓器隔離并輸出一根N線(xiàn)，濾波電容接至變壓器后端，經(jīng)過(guò)輸出接觸器及保險(xiǎn)絲，最后通過(guò)隔離開(kāi)關(guān)輸出給負(fù)載供電。

圖5 UPS逆變輸出變壓器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

在UPS平臺(tái)測(cè)試變壓器時(shí)，由于逆變輸出為脈寬調(diào)制（PWM）波，為負(fù)載供電時(shí)需要掛接電容濾除PWM的高頻分量。因此，變壓器空載一次電流較大，該電流為PWM濾波電容電流，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，實(shí)驗(yàn)波形如圖6所示。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖6 實(shí)驗(yàn)波形

圖6中，通道1為主變一次側(cè)A相的輸入點(diǎn)與母線(xiàn)電容中的電壓波形（經(jīng)過(guò)RC濾波）；通道2為主變一次側(cè)A相的輸入電流波形。由于在變壓器上測(cè)試，變壓器二次側(cè)A、B、C三相實(shí)際掛接有濾波電容，因此輸入電流值基本超前電壓90°。

公司KR33400型400kV·A UPS輸出功率因數(shù)0.9，即總輸出有功率功率360kW，單相滿(mǎn)載120kW。變壓器單相滿(mǎn)載輸入、輸出實(shí)驗(yàn)電流測(cè)試值見(jiàn)表3。

表3 變壓器單相滿(mǎn)載輸入、輸出實(shí)驗(yàn)電流測(cè)試值

式中，考慮電容電流后，Dzn0變壓器各工況理論計(jì)算值見(jiàn)表4。

表4 變壓器單相滿(mǎn)載輸入、輸出修正理論電流計(jì)算值

對(duì)比表3、表4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論修正數(shù)據(jù)可知，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論分析數(shù)據(jù)基本一致。

6 結(jié)論

Dzn0變壓器由于一、二次繞組的輸入、輸出線(xiàn)電壓同幅、同頻、同相，在UPS中得到了廣泛的應(yīng)用。本文在分析變壓器聯(lián)結(jié)組標(biāo)號(hào)的基礎(chǔ)上，通過(guò)理論分析給出了Dzn0變壓器的定量計(jì)算方法，并通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析結(jié)果的正確性。本文為輸出需要電氣隔離的UPS等各類(lèi)電源自帶隔離變壓器提供了一種分析思路與方法。

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Application of Dzn0 isolation transformer in uninterruptible power supply

YI Longqiang

(Kehua Data Co., Ltd, Xiamen, Fujian 361006)

Dzn0 isolation transformer is widely used in uninterruptible power supply (UPS) inverter output design for the electrical isolation of load because of its phase to phase output characteristics. This paper analyzes the working principle of Dzn0 type isolation transformer, gives the theoretical calculation method of voltage and current of Dzn0 type isolation transformer and demonstrates the analysis results by simulation and experiment, which provides a technical analysis method for the design and application of this type of transformer.

uninterruptible power supply(UPS); isolation transformer; Dzn0

2021-01-26

2021-02-26

易龍強(qiáng)（1978—），男，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)閿?shù)字化電源設(shè)計(jì)理論與應(yīng)用、光伏逆變系統(tǒng)技術(shù)與開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)中心信息系統(tǒng)不間斷供電技術(shù)理論研究與應(yīng)用。