Dzn0隔離變壓器在不間斷電源中的應用

易龍強

Dzn0隔離變壓器在不間斷電源中的應用

易龍強

（科華數據股份有限公司，福建 廈門 361006）

Dzn0型隔離變壓器由于其相對相輸出特性被廣泛應用于不間斷電源（UPS）等逆變輸出設計中。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、電流分量的理論計算方法，并利用仿真與實驗論證分析結果，為該類型變壓器的設計與應用提供一種技術分析方法。

不間斷電源（UPS）；隔離變壓器；Dzn0

0 引言

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

對于隔離變壓器，尤其是不間斷電源（uninter- ruptible power supply, UPS）系統和數據機房隔離變壓器，其聯結方式主要有Dyn11和Dzn0兩種。相對于Dyn11變壓器，Dzn0變壓器通過設計可實現一、二次繞組線電壓具有同幅、同頻、同相的特點；此外，由于輸出繞組是曲折形聯結，對負載產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等電氣設備中得到廣泛應用，以實現用戶負載與一次電源之間的電氣隔離[1-4]。

本文針對Dzn0變壓器的原理，在理論分析其聯結組標號與電壓矢量的基礎上，給出變壓器各相的定量計算方法，并通過仿真與實驗驗證理論分析的正確性。

1 Dzn0變壓器聯結組標號與電壓矢量分析

公司所產KR33400型400kV·A UPS系列產品所使用的Dzn0隔離變壓器電氣原理如圖1所示。其由一個三相一次繞組和兩個三相二次繞組組成。一次繞組與二次繞組的匝比為3:1，一次繞組48匝，兩個二次繞組16匝。一次繞組采用三角形聯結，兩個二次繞組z形聯結，并形成中性點輸出。

根據圖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 電壓矢量關系定量分析

設一次繞組線電壓矢量為

根據變壓器二次繞組同名端關系與匝比，可得

及

根據變壓器二次繞組連接關系，可得

最后，計算可得二次繞組線電壓為

由此可見，該Dzn0變壓器一、二次繞組的線電壓具有同幅、同頻、同相性質，這是DZ變壓器的特點，這為UPS逆變器輸出進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、線電壓同幅、同相，因此可以斷定，在輸出帶三相對稱平衡負載的情況下，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。此時分析一次電流可以按三相正、負、零序原理進行計算[7]，即此時二次側不平衡電流可以分解為正、負、零序三個對稱分量，由于零序電流分量不能通過三相變壓器，而正、負序電流分量又為對稱平衡分量。由前述分析可知，二次側對稱電流應與一次側對稱分量完全相同。因此，此時一次電流大小為二次電流的正、負序電流分量在一次側所感應電流大小之和。

定量計算分析，設A相帶載，B、C相空載，則有

計算該矢量正、負、零序分量，可得

可見一次側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DZ變壓器原理，利用Matlab構造仿真模型，如圖3所示。仿真中A相獨立帶載，仿真電流值見表1。

表1 仿真電流值

仿真波形如圖4所示，由圖4可見，當二次側A相單相帶載時，一次側三相產生輸入電流，且一次側B、C兩相電流幅值、相位一致，可見仿真結果與理論分析一致。

圖3 仿真模型

圖4 仿真波形

5 實驗

通過理想Dzn0變壓器模型分析，進一步開展Dzn0變壓器帶載實驗。Dzn0變壓器硬件實驗平臺直接采用公司KR33400型400kV·A UPS為實驗平臺，如圖5所示。UPS逆變輸出采用絕緣柵雙極晶體管（IGBT）二電平三相半橋結構，通過Dzn0變壓器隔離并輸出一根N線，濾波電容接至變壓器后端，經過輸出接觸器及保險絲，最后通過隔離開關輸出給負載供電。

圖5 UPS逆變輸出變壓器實驗平臺

在UPS平臺測試變壓器時，由于逆變輸出為脈寬調制（PWM）波，為負載供電時需要掛接電容濾除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，實驗結果見表2，實驗波形如圖6所示。

表2 實驗結果

圖6 實驗波形

圖6中，通道1為主變一次側A相的輸入點與母線電容中的電壓波形（經過RC濾波）；通道2為主變一次側A相的輸入電流波形。由于在變壓器上測試，變壓器二次側A、B、C三相實際掛接有濾波電容，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0.9，即總輸出有功率功率360kW，單相滿載120kW。變壓器單相滿載輸入、輸出實驗電流測試值見表3。

表3 變壓器單相滿載輸入、輸出實驗電流測試值

式中，考慮電容電流后，Dzn0變壓器各工況理論計算值見表4。

表4 變壓器單相滿載輸入、輸出修正理論電流計算值

對比表3、表4實驗數據與理論修正數據可知，實驗數據與理論分析數據基本一致。

6 結論

Dzn0變壓器由于一、二次繞組的輸入、輸出線電壓同幅、同頻、同相，在UPS中得到了廣泛的應用。本文在分析變壓器聯結組標號的基礎上，通過理論分析給出了Dzn0變壓器的定量計算方法，并通過仿真與實驗驗證了理論分析結果的正確性。本文為輸出需要電氣隔離的UPS等各類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（1978—），男，博士，高級工程師，主要研究方向為數字化電源設計理論與應用、光伏逆變系統技術與開發、數據中心信息系統不間斷供電技術理論研究與應用。