Dzn0隔离变压器在不间断电源中的应用

易龙强

Dzn0隔离变压器在不间断电源中的应用

易龙强

（科华数据股份有限公司，福建 厦门 361006）

Dzn0型隔离变压器由于其相对相输出特性被广泛应用于不间断电源（UPS）等逆变输出设计中。本文分析Dzn0型隔离变压器的工作原理，给出Dzn0型隔离变压器电压、电流分量的理论计算方法，并利用仿真与实验论证分析结果，为该类型变压器的设计与应用提供一种技术分析方法。

不间断电源（UPS）；隔离变压器；Dzn0

0 引言

通常隔离变压器根据输出联结方式不同可以分为Dyn、Dd、Ynyn、YNd、Dzn、ZNd、Ynzn、Znyn八大类，其中，D或d表示三角形接线，Y或y表示星形接线，Z或z表示曲折形接线（即英文中的Zig/Zag联结），N或n表示中性点，大写表示输入，小写表示输出。

对于隔离变压器，尤其是不间断电源（uninter- ruptible power supply, UPS）系统和数据机房隔离变压器，其联结方式主要有Dyn11和Dzn0两种。相对于Dyn11变压器，Dzn0变压器通过设计可实现一、二次绕组线电压具有同幅、同频、同相的特点；此外，由于输出绕组是曲折形联结，对负载产生的高次谐波均有不同程度的隔离抑制作用。因此，Dzn0隔离变压器在UPS等电气设备中得到广泛应用，以实现用户负载与一次电源之间的电气隔离[1-4]。

本文针对Dzn0变压器的原理，在理论分析其联结组标号与电压矢量的基础上，给出变压器各相的定量计算方法，并通过仿真与实验验证理论分析的正确性。

1 Dzn0变压器联结组标号与电压矢量分析

公司所产KR33400型400kV·A UPS系列产品所使用的Dzn0隔离变压器电气原理如图1所示。其由一个三相一次绕组和两个三相二次绕组组成。一次绕组与二次绕组的匝比为3:1，一次绕组48匝，两个二次绕组16匝。一次绕组采用三角形联结，两个二次绕组z形联结，并形成中性点输出。

根据图1中电压矢量方向绘制变压器电压矢量图，可得变压器电压矢量分析图[5-6]，如图2所示。

图2中：

图1 Dzn0隔离变压器电气原理

图2 DZ隔离变压器电压矢量分析

2 电压矢量关系定量分析

设一次绕组线电压矢量为

根据变压器二次绕组同名端关系与匝比，可得

及

根据变压器二次绕组连接关系，可得

最后，计算可得二次绕组线电压为

由此可见，该Dzn0变压器一、二次绕组的线电压具有同幅、同频、同相性质，这是DZ变压器的特点，这为UPS逆变器输出进行隔离在控制方面提供了便利。

3 DZ变压器单相带载电流分析

由前面分析可知，DZ变压器输入、输出相电压、线电压同幅、同相，因此可以断定，在输出带三相对称平衡负载的情况下，输出相电流与输入相电流完全相同（能量守恒）。

对于变压器单相带载，例如A相带载，即A相有电流值，B、C相电流值为零。此时分析一次电流可以按三相正、负、零序原理进行计算[7]，即此时二次侧不平衡电流可以分解为正、负、零序三个对称分量，由于零序电流分量不能通过三相变压器，而正、负序电流分量又为对称平衡分量。由前述分析可知，二次侧对称电流应与一次侧对称分量完全相同。因此，此时一次电流大小为二次电流的正、负序电流分量在一次侧所感应电流大小之和。

定量计算分析，设A相带载，B、C相空载，则有

计算该矢量正、负、零序分量，可得

可见一次侧A相电流为一次电流的66.7%。

4 Dzn0变压器单相带载电流仿真分析

根据DZ变压器原理，利用Matlab构造仿真模型，如图3所示。仿真中A相独立带载，仿真电流值见表1。

表1 仿真电流值

仿真波形如图4所示，由图4可见，当二次侧A相单相带载时，一次侧三相产生输入电流，且一次侧B、C两相电流幅值、相位一致，可见仿真结果与理论分析一致。

图3 仿真模型

图4 仿真波形

5 实验

通过理想Dzn0变压器模型分析，进一步开展Dzn0变压器带载实验。Dzn0变压器硬件实验平台直接采用公司KR33400型400kV·A UPS为实验平台，如图5所示。UPS逆变输出采用绝缘栅双极晶体管（IGBT）二电平三相半桥结构，通过Dzn0变压器隔离并输出一根N线，滤波电容接至变压器后端，经过输出接触器及保险丝，最后通过隔离开关输出给负载供电。

图5 UPS逆变输出变压器实验平台

在UPS平台测试变压器时，由于逆变输出为脉宽调制（PWM）波，为负载供电时需要挂接电容滤除PWM的高频分量。因此，变压器空载一次电流较大，该电流为PWM滤波电容电流，实验结果见表2，实验波形如图6所示。

表2 实验结果

图6 实验波形

图6中，通道1为主变一次侧A相的输入点与母线电容中的电压波形（经过RC滤波）；通道2为主变一次侧A相的输入电流波形。由于在变压器上测试，变压器二次侧A、B、C三相实际挂接有滤波电容，因此输入电流值基本超前电压90°。

公司KR33400型400kV·A UPS输出功率因数0.9，即总输出有功率功率360kW，单相满载120kW。变压器单相满载输入、输出实验电流测试值见表3。

表3 变压器单相满载输入、输出实验电流测试值

式中，考虑电容电流后，Dzn0变压器各工况理论计算值见表4。

表4 变压器单相满载输入、输出修正理论电流计算值

对比表3、表4实验数据与理论修正数据可知，实验数据与理论分析数据基本一致。

6 结论

Dzn0变压器由于一、二次绕组的输入、输出线电压同幅、同频、同相，在UPS中得到了广泛的应用。本文在分析变压器联结组标号的基础上，通过理论分析给出了Dzn0变压器的定量计算方法，并通过仿真与实验验证了理论分析结果的正确性。本文为输出需要电气隔离的UPS等各类电源自带隔离变压器提供了一种分析思路与方法。

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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

易龙强（1978—），男，博士，高级工程师，主要研究方向为数字化电源设计理论与应用、光伏逆变系统技术与开发、数据中心信息系统不间断供电技术理论研究与应用。