UPS是由变流器、开关和储能装置（诸如电池）组合而成，在交流输入电源故障时维持负载电力连续的电源系统。
　　
　　UPS产品按照其自身是否有内置逆变变压器区分，可分为两大类：
　　
　　第一大类是有内置逆变变压器的UPS，国内称此类为工频UPS（国外称Transformer-based UPS），电气单线图如图1所示。
　　
　　                             图1：带内置逆变变压器的工频UPS单线图
　　　　
　　第二大类是无内置逆变变压器的UPS，国内称此类为高频UPS（国外称Transformer-lessUPS），电气单线图如图2所示。
　　
　　                         图2：无内置逆变变压器的高频UPS单线图
　　　　
　　模块化UPS是由多个支持热插拔的无内置逆变变压器功率模块并联组成的可在线扩展型UPS，属于高频UPS。
　　
　　之前看到过不少分析隔离变压器在UPS系统中的作用，以及工频UPS与高频UPS性能对比的技术类文章，不同作者论述的观点不尽相同，甚至有的文章分析总结的结论相背。
　　
　　本文从隔离变压器安装在UPS系统中的不同位置和作用进行客观分析，系统地阐述隔离变压器提高UPS系统供电可用性的原理和价值。
　　
　　众所周知，在线式双变换UPS当初设计静态旁路的目的是为了在关键时刻维持关键负载供电连续需要实现三个重要的保护作用：
　　
　　第一个作用是为了在UPS主路（整流器）电源停电后，蓄电池存储的直流电无间断地通过逆变器向后端关键负载维持高质量后备供电，当电池放电至低压保护而关闭逆变器的前一刻，UPS可无间断地切换至静态旁路，由备用电源维持后端关键负载供电连续。其工作原理和电气单线图如图3所示。
　　
　　               图3：电池放电至低压关机自动转静态旁路工作原理单线图
　　
　　第二个作用是为了在UPS正常运行过程中遇到逆变器发生意外故障时，可瞬时切换至静态旁路，由备用电源维持后端关键负载供电连续。其工作原理和电气单线图如图4所示。
　　
　　                图4：逆变器意外故障时自动转静态旁路工作原理单线图
　　　　
　　第三个作用是为了在UPS正常运行过程中遇到后端负载出现短路故障时，可瞬时切换至静态旁路，保护逆变器不被损坏，同时由备用电源和静态旁路提供足够大的短路电流，触发后端短路故障回路的保护装置脱扣保护，以快速清除短路故障。其工作原理和电气单线图如图5所示。
　　
　　            图5：UPS负载侧短路故障时自动转静态旁路工作原理单线图
　　　　
　　可以说，UPS的静态旁路是UPS肩负保障后端关键负载供电连续这个核心使命的最后一道防线。但需注意这有个重点：要让静态旁路这最后一道防线能按照所设计的功能，在关键时刻自动切换至由旁路的备用电源保障后端关键负载供电连续的必要条件，是旁路输入的备用电源与主路（整流器）输入的主用电源必须满足分别来自于两路独立的电源条件下才成立。通常把由两路独立电源给UPS供电的方式称为“双电源输入”。
　　
　　然而，现实中大多数应用场景中的UPS系统供配电设计，其旁路输入与主路输入共用同一路电源，通常把这种只有一路电源给UPS供电的方式称为“单电源输入”，其旁路输入通过主机内的主、旁短接排与主路输入共用同一路电源。
　　
　　“单电源输入”供电方式的UPS，当主路电源停电，旁路自然也没电了，若此时UPS转换为电池逆变工作模式后出现异常供电中断（诸如个别电池失效、或电池放电至低压保护逆变器关闭）的关键时刻，原本可通过静态旁路由备用电源来维持后端关键负载供电连续这最后一道防线的冗余设计失去了其重要作用，后端关键负载也随着断电而宕机，在这种情况下，“单电源输入”供电方式的UPS静态旁路形同虚设。其工作原理和电气单线图如图6所示。
　　
　　                                 图6：单电源输入UPS系统单线图
　　
　　本文是基于维持UPS主路电源停电后当电池逆变异常失效情况下，可自动切换至静态旁路，由备用电源保障后端关键负载供电连续的原本设计功能前提下展开分析，要让一个UPS能有效的发挥其完整的不间断供电功能，其主路输入电源、旁路输入电源应该分别由两路独立的电源供电，即“双电源输入”供电方式的UPS才算得上真正合理的供电设计。其电气单线图如图7所示。
　　
　　                                图7：双电源输入UPS系统单线图

GB/T50065-2011《交流电气装置的接地设计规范》7.1.2条，GB/T16895.1-2008《低压电气装置第1部分基本原则、一般特性评估和定义》312.2.1.2条，对于多电源TN-S接地系统均要求：应避免工作电流流过不期望的途径，即电源中性点间相互连接的导体与PE之间，应只一点连接，并应设置在总配电柜内。如果多电源供电系统的中性线存在多点连接的设计不当情况，一些工作电流就可能通过不期望的途径流通，这些电流可能引起：火灾、腐蚀、电磁干扰。
　　
　　“双电源输入”供电方式的UPS，由两路独立的电源供电，属于多电源供电系统。根据上述标准对多电源TN-S接地系统的要求，对于双电源输入供电方式的UPS，需避免其主路电源工作电流可能通过其旁路途径流通，即要求UPS的主路（整流器）输入中性线和旁路输入中性线不能在UPS内部有连接点，这就引出一个针对双电源输入供电方式的UPS，在产品选型时需要注意的问题：并不是所有类型的UPS都能直接适用高可用性的双电源输入设计，这与选用的UPS产品是工频UPS，还是高频UPS采用的技术路线直接相关。
　　
　　为了说明这个问题，需要先了解清楚这两大类UPS产品内部的整流输入中性线、旁路输入中性线和输出中性线之间存在怎样的关系。
　　
　　首先，无论是工频UPS，还是高频UPS，为确保UPS后端的单相负载在UPS切换到旁路运行模式后都能正常运行，所有UPS产品在设计、制造和出厂前都会把其旁路输入中性线和输出中性线在主机内部连通，即图8.1和图8.2中以蓝色线表示的UPS主机内部连通旁路输入和UPS输出之间的那条中性线。
　　
　                                 　图8.1：工频UPS电气单线图
　　
　　                                     图8.2：高频UPS电气单线图
　　
　　从图8.1可看出，工频UPS的整流器输入只需3根相线，无需中性线，逆变变压器的初级、次级线圈为三角形转星形（△/Ｙ）绕法，次级线圈生成新的中性线让输出端单相负载可正常运行，同时，变压器次级线圈的中性线、旁路输入中性线和输出中性线在内部是连通的。主路电源经整流器输出的直流电通过逆变器变换成脉宽调制（PWM）的交流电，再经逆变变压器升压，并利用其自身电感和输出电容滤波后输出稳定、纯净的400V/50Hz交流电给后端负载，同时逆变变压器将主路电源、整流器和直流回路与UPS输出回路之间实现电气隔离。
　　
　　因此，工频机UPS内置逆变变压器将主路电源与输出回路之间电气隔离这个特性，让它天生就可直接适用双电源输入供电方式。
　　
　　高频UPS之所以无需内置逆变变压器的升压功能，是由于高频UPS采用了升压型的IGBT+PFC整流技术，其整流器输出为正400V、N、负400V的直流母线电源，通过逆变器变换成PWM交流电，经输出滤波电容滤波后就可直接输出稳定、纯净的400V/50Hz交流电给后端负载。高频UPS的电气原理拓扑图如图9所示。
　　
　　                                   图9：高频UPS电气原理拓扑图
　　
　　高频UPS整流器是否需要主路电源的中性线参与工作，取决于高频UPS产品整流器所采用的电路技术，无外乎两种整流技术方案：
　　
　　1. 需要主路电源的中性线参与工作，即图8.2和图9中需要整流输入那根蓝色虚线表示的中性线。
　　
　　2. 无需主路电源的中性线参与工作，即图8.2和图9中无需整流输入那根蓝色虚线表示的中性线。
　　
　　由此可知，高频UPS产品能否直接适用双电源输入供电方式，取决于高频UPS产品整流器是否需要主路电源的中性线参与工作。即看图8.2和图9中高频UPS产品手册中整流器的电源输入是由3线（3Ph）供电，还是由4线（3Ph+N）供电。
　　
　　分析到这里，关于判断UPS产品是否能直接适用双电源输入供电方式，可总结成下表1：
　　　　
　　                                   表1：两大类UPS直接适用双电源输入的对比
　　　　　
　　　
　　如今，高频UPS以其高功率密度、高转换效率、节省占地面积等特点在互联网、数据中心，尤其在高能耗、高功率需求飞速增长的智算中心这类以IT负载为主的信息技术类行业得到大量应用。市场上一线品牌最新推出的大功率模块化UPS产品均以模块化结构的产品为主流，据调查了解，这些主流的大功率模块化UPS产品的整流输入基本上都是4线（3Ph+N）的供电方式，不能直接适用双电源输入供电方式。从市场一线三大品牌大功率模块化UPS产品手册中摘取的整流输入连接方式如图10、图11、图12所示。
　　
　　 　　
　　图10：伊顿9395XR高频UPS产品手册中关于电气线路图、双电源输入必须共用中性线的说明
　　
　　 　　
　　图11：维谛PowerUPS9000高频UPS产品手册中关于电气线路图、双电源输入必须共用中性线的说明

　　   图12：施耐德GalaxyVXLUPS产品手册技术规格中的主路输入为4线3Ph+N供电方式
　　　
　　以IT负载为主的信息技术类行业基本都是按照GB50174-2017《数据中心设计规范》A级标准设计和建设大规模数据中心，基础设施供电部分的UPS按2N冗余供电系统设计，即允许单边UPS出现一次意外停电故障，或对单边UPS进行维护、检修、预防性保养时，另外一边UPS仍能保证电子信息系统正常运行的容错机制，因此，IT行业绝大多数2N冗余供电系统设计的UPS是单电源输入供电方式。另外，2N冗余系统的UPS设备和配套蓄电池安装数量是N的2倍，而且正常运行时每路UPS最大负载率必须控制在50%以下，在运营成本以电费支出为大头和机房空间即是利润的IT行业，大功率高频UPS自然以其高效节能、节省占地的特点在大批量使用UPS设备的IT行业普遍得到青睐，这也是未来的发展趋势。
　　
　　在高端制造、石油石化、航空、轨道交通、医疗和电力等这类以非IT负载为主的工业类应用领域，UPS后端负载大多是单电源供电的关键设备，对供电质量和电力连续性有着极高的要求。工业应用场景重要设备的供电设计，是需要把UPS在主用电源故障后电池逆变失效时，或者主机发生意外故障时能有效利用备用电源维持后端负载电力连续作为第一设计目标，因此，工业应用场景重要设备的供电应尽可能将UPS设计成由两路独立电源供电的双电源输入供电方式。
　　
　　无论是工业制造的工艺流程，还是航空、轨道交通、医疗和电力的民生工程，出现任何一次意外的电源中断、电压暂降或暂升的供电事故都可能造成巨大的财产经济损失、生命安全危险和不良社会影响，这也是为什么在工业、基础设施和能源领域一直以来首选技术成熟、高可靠和高稳定的工频UPS，效率指标反而不是这些领域对UPS产品性能所关注的第一因素。
　　
　　然而，在某些工业领域、新兴行业，甚至有些金额信息中心的业主，在前期规划基础设施供电设计UPS时，既要求将UPS设计双电源输入供电方式以保证UPS能执行其完整功能，又同时希望选择高效节能、节省占地，以及采用最新技术大功率高频UPS产品以减少TCO。
　　
　　从前面介绍的市场一线三大品牌最新大功率高频UPS产品的整流输入连接方式来看，最新大功率高频UPS产品不能直接适用双电源输入供电方式，那么，有没有可以让整流输入为4线（3Ph+N）供电方式的高频UPS也适用双电源输入供电方式的解决方案呢？
　　
　　答案是肯定的：有。
　　
　　隔离变压器在这时就有了用武之地，解决方案很简单：只需在这类高频UPS的整流输入前端，或者在旁路输入前端增加一个不小于UPS主机额定功率的三角形转星形（△/Ｙ）隔离变压器，将两路独立的电源回路之间电气隔离就可以了。隔离变压器安装在整流输入或旁路输入的电气原理拓扑分别如图13、图14所示。
　　
　　图13：4线（3Ph+N）整流输入高频UPS在主路输入前端增加隔离变压器后实现双电源输入供电方式的电气原理拓扑图
　　　　
　　图14：4线（3Ph+N）整流输入高频UPS在旁路输入前端增加隔离变压器后实现双电源输入供电方式的电气原理拓扑图
　　
　　施耐德电气官方网站，公布了针对最新的GalaxyVXL系列大功率模块化UPS产品适用双电源输入供电方式推荐的电气线路图，采用的就是在旁路输入前端增加隔离变压器的解决方案。如图15所示。
　　
　　图15：4线（Ph+N）整流输入高频UPS在旁路输入前端增加隔离变压器后实现双电源输入供电方式的电气原理拓扑图
　　　　
　　综上所述，总结如下：
　　
　　1. 所有类型UPS产品都把其旁路输入中性线和输出中性线在主机内部连通，以保证其后端单相负载在旁路供电模式下能正常工作。
　　
　　2. 对供电连续性要求非常高的关键负载，要让UPS在主路电源停电后，电池逆变失效或主机内部意外故障的关键时刻，UPS能有效完成其所被赋予的完整功能和使命，自动转到旁路由备用电源维持重要负载电力连续，应该将UPS的供电设计成双电源输入供电方式
　　
　　3. 工频UPS由于其内置逆变变压器将主路电源与UPS输出回路之间实现了电气隔离的作用，天生就可直接适用于双电源输入供电方式。
　　
　　4. 整流输入为4线（3Ph+N）供电连接方式的高频UPS，可通过在UPS主路输入前端，或者在UPS旁路输入前端增加一个不小于UPS主机额定功率的三角形转星形（△/Ｙ）隔离变压器后实现双电源输入供电方式。
　　
　　下表2列出了工频UPS和高频UPS适用双电源输入供电方式的设计方案及特性对比。
　　
　　                 表2：工频UPS和高频UPS适用双电源输入的设计方案和特性对比
　　　　
　　参考文献：
　　
　　GB/T16895.1-2008低压电气装置第1部分_基本原则、一般特性评估和定义
　　
　　GB/T50065-2011交流电气装置的接地设计规范
　　
　　GB50174-2017数据中心设计规范
　　
　　UPS输出端中性线接地问题探讨，凌智敏，《建筑电气》2014年12月
　　
　　UPS配电系统接地初探，陈延钧、张拓，《电气应用》，2017年1月下
　　
　　隔离变压器在UPS中的配置方案分析，周晓辉，《建筑电气》2018年4月
　　
　　一点接地及特别点，凌智敏，《建筑电气》2023年12月
　　
　　编辑：Harris