UPS的“致命弱點”

1、高頻機型UPS的幾個“致命弱點”論值得商榷目前已進入高頻機UPS逐步代替工頻機UPS的年代，當然替代的過程并不是一帆風順。人們使用了幾十年的工頻機UPS，已經熟悉了這種電源形式，突然要換機型還不能一下子適應，所以對那些為工頻機UPS的贊歌聽著比較順耳，同時對高頻機UPS的一些指責也容易接受，就這樣一拍即合。豈不知在一定程度上損害了用戶的利益，也有勃于當今的國策。常常會聽到這樣的說法：高頻機UPS是好東西，但由于我們的系統(tǒng)非常重要，要求供電的可靠性非常高，所以還是用工頻機UPS可靠。言下之意，高頻機UPS不可靠。豈不知可靠性是設計出來的，即一臺機器的可靠性如何取決于采用了哪一級可靠性標準。舉一個

2、簡單的例子，一個UPS中常用的120´120的軸流風機，有十幾元一只的，也有上百元一只的，價格差了近10倍，哪一個可靠性高呢？不言而喻，當然是上百元一只的可靠性高。又如某品牌的9315系列UPS，人稱“標王”，意思說每次投標它的價格最高，但運行起來可靠性也最高，被人稱為“鐵機”就是不出故障；而同一品牌的同功率PB4000系列就便宜得多，而故障也多。當然用戶對高頻機型UPS的這種擔心不是沒根據，其根據就是來自某些方面的誤導宣傳。甚至有的將這些宣傳材料上升為“高頻機結構UPS的致命弱點”。雖然問題的提出者只是少數，但影響頗大，在網上粘來粘去，就好像寫此文章的人很多，確實影響了不少用戶，甚

3、至有些技術人員也受了傳染。為了將這些問題搞清楚，使人們對產品有一個科學的看法，下面就這幾個方面進行討論。（一）IGBT整流器可靠性偏低持這種看法的“根據”有兩個：1. 認為IGBT器件的過載能力不如可控硅（SCR）高為了證明這個論點，有的就舉出兩種器件過載能力的例子：SCR可過載到10倍額定電流20ms，而IGBT過載到10倍額定電流時只能堅持20ms，就是說過載能力差了1000倍。就根據這一點說IGBT器件的可靠性不如SCR是不是公平呢？這要追索到它們的過載能力為什么不同，難道說IGBT的過載能力只能是10倍20ms嗎？當然不是。器件設計者是根據其必要性而選定的。SCR不是全控器件，即一般在

4、交流電路中只能控制其開啟而不能控制其關斷，可控硅一旦開啟只有等到電壓或電流過零時才自動關斷，如圖1（a）下圖所示。這種器件的工作原理就決定了其過載能力不但要強，而且還必須能承受過載較長的時間。比如在圖1（a）中SCR在時間t2被觸發(fā)而開啟，假如此處對應的時間t2 =1ms，而正好此時輸出端正好出現(xiàn)過流甚至于超過10倍，由于在此處無關斷機制，那么它必須在t3（50Hz的半周）之前的大約10ms的時間內能承受這種過流而不損壞。否則，若這種器件耐過載時間短，比如是1ms，器損壞的幾率就太高了，就沒法用了。但IGBT就不同了，因為它不但可以隨時開啟而且也可以隨時被關斷，如圖1 （b）所示，它在t1被打

5、開而在t2又被關斷。目前IGBT的工作頻率最高可到達150kHz，即一個開啟與關斷周期約7ms，所以20ms對IGBT從發(fā)現(xiàn)過載到關斷的時間而言已經足夠長了。就是說IGBT的過載時間不需要做得那麼長，即使廠家再將它的過載時間延長上1000倍又有何用！對于從北京南站30分鐘即可抵達天津站已開動的城際列車來說，非要給它10h的運行時間余量，有這個必要嗎。圖1   整流器中的SCR和IGBT工作比較目前大功率UPS的調制頻率大都在15 kHz 以下，比如10kHz 就是每半周100個脈沖，每個脈沖的寬度0ms < T<100ms  出現(xiàn)過流或短路時IGBT可

6、在任何一點隨時關斷。既然可以隨時關斷又何必將過載時間做的那么長。比如兩列往返于北京與天津之間的火車，一列是蒸汽機車，一列是電氣動車。為了安全，規(guī)定蒸汽機車4h檢修一次，而作為電氣機車的動車2h檢修一次。是否可以說蒸汽機車的可靠性比動車大一倍呢？從時間上看好像是這樣，但在2h之內動車已跑了4個往返，而蒸汽機車則在2h之內僅僅跑了一個單程！到底哪個可靠性更高呢？同樣道理，拿兩個關斷機制與性能不一樣器件的過載能力作比較是不是有些牽強。2. 據說：由于高頻機結構UPS至今還沒找到大磁通量的材料，以致使其“升壓電感”溫度過高，使可靠性降低。甚至還斷言：正因為如此（指沒找到大磁通量的材料），導致UPS產業(yè)

7、遲遲未能制造出可靠性足夠高的大功率高頻機型UPS。他的原意說的是“升壓電感”的質量問題，為了提高該電感的可靠性所提出的材料指標卻又是變壓器的。這個基本概念問題把人們搞糊涂了：到底說的是電感還是變壓器？因為這二者所選材料的主要參數是完全不一樣的，變壓器需要大磁通量的材料，這從變壓器繞組計算公式可以看出：全IGBT結構UPS的一種電原理圖料就是無的放矢了?？磥泶颂幋_實指的是電感L1、L2和L3，如圖2所示。但電感的計算公式和變壓器就不一樣了，如式（2）所示從該式可以看出，這里就沒有磁通量B這個參數，和電感鐵心有關的是相對導磁率mr。相對導磁率越大，電感量就越大。目前大相對導磁率的材料很多，不過用得

8、最多的還是鐵氧體，俗稱鐵凎氧。另一個基本概念就是電感溫度高的問題，做過電路設計的人都知道，電感的溫度高低在設計和試驗中是可以控制的，而且解決這個問題也輕而易舉，一般說只要將繞組的線徑取大一些，鐵心取大一些就可以了，對經常搞電路的人是一個基本常識，是不言而喻的。它怎么能影響作出大功率的UPS整機呢。再說，目前已有好多廠家做出了500kVA的高頻機型UPS，甚至還有的廠家做出了1200kVA的高頻機UPS，難道還不算大功率！有些制造商一時還做不出可靠性足夠高的大功率高頻機UPS絕不是因為“至今還沒找到大磁通量的材料”緣故，這里有好多個技術問題。而且不能說一兩個廠家暫且還做不到這一點就說是整個“UP

9、S產業(yè)”，這樣說就太武斷了。自己做不出來，要努力，或收購具有這種能了的公司，后來者居上嘛，站在那里抱怨和無中生有的指責又有何用。如果將以上這些似是而非且由于自身概念不清的問題也說成是“致命弱點”并硬扣在高頻機型UPS頭上，好像不太合適。主要是由于認識上的誤區(qū)，使以上這兩個“論點”都沒選合適。（二）有的認為：高頻機結構UPS存在“零偏故障隱患”這個問題就是所謂的另一個“致命弱點”。意思是說高頻機型的UPS會產生一種“在其它UPS機型上不會出現(xiàn)”的這種現(xiàn)象。這個觀點是說：在上游交流電源（比如“輸入1”到后備發(fā)電機“輸入2”）經ATS切換時，UPS輸出就會形成8ms以上的輸出電壓閃斷，如圖3（b）所

10、示。據說這可導致數據中心機房長達幾十分鐘到幾小時的癱瘓事故。原因是雙電圖3  高頻機結構UPS逆變器原理電路圖（一）源±400V的中點電位在“UPS運行中一旦遇到輸入電源N線上出現(xiàn)瞬態(tài)的、單極性的直流偏置電壓時，就會導致輸入到逆變器輸入端上”，就會導致逆變器“瞬間DC過壓”和“瞬間DC欠壓”，就會產生這種“瞬態(tài)直流偏置”故障。在交流電路中會出現(xiàn)“單極性的直流偏置電壓”，所謂單極性，顧名思義，不是正極性就是負極性。這個直流偏置電壓是什么？是如何形成的？問題提出者沒有說清楚。這里的意思就是說：在上游ATS切換時，由于輸入整流升壓環(huán)節(jié)瞬間斷電，則這段零線N上的電流也中斷，如圖3（

11、a）所示，從互投柜到UPS之間的零線（虛線N）線段，就會在這段線中激起反電勢 e，即：即在ATS切換時零線上被激起的反電勢為0.15V。當然這個計算不一定很準確，但從數量級上看不會差多少，就是大上10倍也才1.5V，因此在這里可看出一些端倪。某處的這種分析懸乎其懸，用想象的“隱患”來嚇唬人。換言之，上游ATS切換時在零線上激起的單極性電壓微乎其微，既不能造成輸出閃斷，也不會導致逆變器過壓或欠壓，更不能造成數據中心機房停電數小時。再說零地電壓也根本加不到這些地方去。而且輸出電壓閃斷也不并是這個原因造成的。有關這個問題在后面還要討論。某處斷言說這種單極性零線電壓“在其它UPS機型不會出現(xiàn)”，難道工

12、頻機型UPS就沒有零線？在ATS切換時，互投柜到UPS機柜這段距離零線上的電流也會由滿載（假設）到零的一個突變過程，在零線上也會產生同樣的這種反電勢，因為它的零線不是超導體。怎么能說“在其它UPS機型不會出現(xiàn)”呢！這里還有一個對電路尤其是對UPS工作原理基本知識的了解問題。零線上的單極性電壓（即N線直流偏置）是如何形成的？輸出電壓的閃斷是不是所謂的零線電壓造成的？如何導致逆變器過壓或欠壓？出現(xiàn)的這些問題是不是只有高頻機型UPS才有，等等。為了搞個明白，現(xiàn)在就這些問題一一討論。1. 零線電壓指的是什么？眾所周知一根導線上只能談電流，不能談電壓，因為電壓就是電位差。而這里就獨獨提出了一個N線電壓的

13、概念，姑且理解成是零地電壓，是圖3（c）A點對地GE的電壓呢還是B點對地GE的電壓？因為在有負載的情況下這兩點對地的電壓是不同的，A點對地GE的電壓最高，這就是UPS中整個零線上的電壓降，為了符合某處的意愿，暫且取這個最高值，這樣就可能導致逆變器“過壓”或“欠壓”嗎？什么值可以讓逆變器過壓呢？一般說至少要超過額定電壓值10%以上，某處給出了±400V的額定工作電壓，即使10%算作過壓，那麼零線上的電壓至少也得40V！問題是零線上能有這么高單極性電壓的可能嗎？一般說多數UPS內的零線不會超過2m，而且截面積也不小，在任何正常情況下莫說40V，就連4V也不會有。就算有4V，不會說404V

14、就算過壓，就可以損壞功率管吧。這樣看來所謂單極性電壓導致過壓之說法實際上是不存在的！也僅僅是“潛在”的“危險”。再說這個零地電壓也加不到管子上。2. 那么單極性零線電壓不會構成隱患，輸出電壓的8ms閃斷又是如何形成的？真地就可以導致數據中心斷電很長時間嗎？這也是搞電源的人都應該具有的基本知識。眾所周知，蓄電池的內阻是比較大的，比如上游ATS切換時，就出現(xiàn)電源內部負載突變現(xiàn)象，再加之電池的動態(tài)性能不太好，就更不能很快響應這種突變電流。一般UPS在正常工作時是由輸入整流器向逆變器供電，電池組不但空載而且還處于浮充狀態(tài)。如果輸入端突然斷電，電池組就必須及時地將全部負載接替過來，但強大的電流突變是一般

15、電池無法響應的。這必然會導致瞬時缺電流狀態(tài)，也就是所謂的輸出電壓瞬時“閃斷”。為了彌補這個缺欠，設計者就都在電池組或整流器后并入了足夠容量的電容器，由于電容器的動態(tài)性能比電池好得多，所以瞬變的前沿電流先由電容器補償，而后由電池來接續(xù)以后長時間的功率電流。但如果和電池并聯(lián)電容器的容量不足或質量不好，不能適應前沿電流突變的要求，就會使輸出電壓出現(xiàn)所謂“閃斷”的缺口，電容器的電容量越小，輸出電壓的缺口就越深越寬。所以這個輸出電壓缺口和所謂的單極性N線電壓沒有任何關系。而且這個輸出電壓缺口問題在任何UPS上都可能存在，而且是不合格產品才會有。不論是高頻機型UPS還是工頻機型UPS，只要是合格產品（不是

16、偷工減料的），都不會出現(xiàn)這種輸出有閃斷的現(xiàn)象。某處為了某種原因將這種誰都可能有的現(xiàn)象硬套在了高頻機UPS零線電壓上，這又是對UPS工作原理上的誤解。3. 8ms的輸出電壓閃斷真地就可導致數據中心無法工作嗎？一般合格的、功能正常的UPS都不會出現(xiàn)這種現(xiàn)象。退一萬步說，即使這個8ms的閃斷隱患真地出現(xiàn)，有無致命危險呢？根據IBM和HP對其PC機的實測，在市電斷電后，其本身內置電源還可保證機器滿負荷工作50ms。這主要是根據電路對其內部直流電源脈動和穩(wěn)定度的要求而決定的濾波電容器容量得到的附加效果。在大容量機器中，電容量也是按比例增大的。因此也應有同樣的效果。起碼在不少計算機房也有了斷電20ms工作

17、無影響的例子。目前幾乎在所有電子設備中都有內置開關電源，它們的任務就是將輸入的交流電壓變換成本設備所用的不同品種的直流電壓。如圖4左圖所示的電源電路。圖中C即為儲能裝置，如果這個儲能裝置沒有支持本設備8ms后備工作的能力，恐怕就不是合格產品。如果拿不合格產品來說正事，其結果是什么也說明不了。圖4  IT設備以及內部電源主電路4. ATS切換時還會有別的原因導致零線上出現(xiàn)單極性電壓嗎？上面一些“隱患”的說法都來自問題提出者關于單極性零線電壓的假設，這恐怕又是個基本概念問題。首先ATS切換屬于正常動作，ATS切換不外乎是瞬時斷電。眾所周知，對一臺合格的UPS而言，當輸入端由于ATS切換而

18、出現(xiàn)瞬時斷電時，電容和電池及時地將足量的電能供出，使負載機器沒有任何感覺。換句話說UPS輸出端的電壓和電流沒有任何變化。那么從負載到電池組的這一段零線上的電流也就沒有變化，當然這段零線上的電壓降也就不會變化。零線到輸入電源之間的這段零線，由于沒有了電源，也就沒有電流，更沒有電壓，而且即使有反電勢也很小，這在前面已述及。這樣一來原來工作時的零線電壓也就一直恒定，不會出現(xiàn)所謂的“單極性”零線電壓危害。當ATS切換過程完成后，UPS又接入輸入電源時，輸入整流器開通為后面的電容和電池充電，同時也為逆變器供電。此時由于負載沒變，圖3（b）的B點以右零線電壓還是不變，B點以左零線電壓當然不為零了。B點電壓

19、抬高了，這一點的零地電壓既不是單極性也加不到電池電壓上去，而且最多也就是1V以下，任何作用都起不了。某處硬說是ATS切換過程可以導致很多嚴重后果，不知指的是什么機器。即使有這樣的例子，恐怕問題也不在ATS的切換上，得找別的原因。更不用說是所謂的“隱患”。上面的一切說法都來自兩組直流電源之間的中間零線抽頭，實際上那是原來的老電路，用兩組電池總覺得不方便，于是后來就研發(fā)出仍使用一組電池的半橋逆變電路，如圖5所示。在這個電路結構中又為逆變器增加了一只橋臂，如圖中虛線框內環(huán)節(jié)所示，暫且稱為第四橋臂，由VT7和VT8組成。這樣一來，三相橋臂都可以與第四橋臂形成具有零線的相電壓輸出。為了說明問題，在圖中取

20、出UC作為例子。UC輸出正半波電壓的途徑是：GB+®VT1®R上端®VT8®GB-。UC輸出正負波電壓途徑是：GB+®VT7®R下端®VT4® GB-。其它兩相UA和UB都是如此。由于三相也是按照相位差120°設計工作的，所以線電壓和相電壓之間也是在數值上是：的關系和在相位上是順序120°的關系。這樣一來，高頻機型UPS和工頻機型UPS同樣采用了一組電池。這在外接電池組的設備量上減少了一半數量的外殼，比如原來用32´2=64節(jié)50AH/12V，現(xiàn)在用32節(jié)100 AH/12V就可以了。

21、圖5   新高頻機結構UPS的主電路原理圖（三）“高頻機型UPS零地電壓偏高”1. “零地電壓”偏高的機制某處說“零地電壓偏高”也是個“致命弱點”，這種觀點也值得商榷。據說：來自IGBT脈寬調制整流器和逆變器的高頻PWM型的干擾電壓以幅度值較高的“零地電壓”形式通過零線被直接反饋到UPS輸入供電系統(tǒng)和輸出供電系統(tǒng)的零線上，從而危害用電設備的安全運行”。在這里應該說明的是，工頻機型和高頻機型UPS的IGBT逆變器是一樣的器件、一樣的頻率，一樣的工作原理，所以“干擾”也應該是一樣的。而整流器則不然，可控硅整流器的干擾遠比IGBT整流器大得多，即使是12脈沖整流加11次諧波濾波器

22、（增加了相當大的重量、體積和造價）一般也不能完全達到達到IGBT的指標。按照此處的說法，高頻機的兩項干擾就能直接加到UPS輸入供電系統(tǒng)和輸出供電系統(tǒng)的零線上，從而危害用電設備的安全運行；干擾更大的工頻機型UPS這兩項就加不到這些地方？實在令人匪夷所思。至于零地電壓是如何能加到用電設備上，后面有專門的討論。的確高頻機型UPS零地電壓和工頻機型UPS相比因無輸出隔離變壓器的次級接地環(huán)節(jié)，有時是“偏高”了一點。這是由于在單電源結構中電路結構多了一只管子的壓降，如圖6（a）所示。圖中給出了高次諧波濾波電流路徑。由于逆變器的工作方式是脈寬調制（PWM），就是說正弦波電壓被“高頻”調制成寬度不等的方波形式

23、輸出，但由于負載端需要的是正弦波電壓，所以在到達負載之前，PWM波必須經濾波器解調，將PWM方波中的高頻成分濾掉而只保留正弦波成分。于是這部分高次諧波成分就會經濾波器被送回電源負端。在這里僅以UC為例看高次諧波電流路徑：GB+ ® VT1®低通濾波器LC®到達零線® VT8®GB-從這里可以看出，由于零線經過了一只VT7或VT8位置的IGBT管，所以使零線上多了一個管子壓降環(huán)節(jié)，增高了零地電壓。在雙直流電源UPS情況下，零線上沒有了VT7和VT8圖6  兩種結構UPS高次諧波濾波電流路徑這個環(huán)節(jié)。但一般電池到機器之間都有一段距離，這就

24、加長了零線的長度，也會使零線上的壓降有所增加。盡管如此，現(xiàn)代技術都會將兩種高頻機結構UPS的零地電壓做到1V以下。對于工頻機結構UPS而言，由于有了輸出變壓器，就使得零線壓降的減小有了可能。如圖6（b）所示，工頻機結構UPS高次諧波濾波電流路徑就短得多，因為這里高次諧波電流的回程路徑就在變壓器附近及內部。至于“只有零地電壓小于1.5V才是IT設備的安全運行條件”的結論卻值得商榷。因為中國電信已遠遠突破了這個禁區(qū)，實際測試表明零地電壓甚至已做到了21V，一百多臺數字機器也仍未發(fā)現(xiàn)有異?，F(xiàn)象。要知道，導致零線上電壓降的因素不止高次諧波一種原因，另外還有三相負載不平衡以及零線電阻等因素。一般說三相輸

25、出電源的零線電流大都小于單相輸出電源的相線電流，這是因為三相輸出時的三相電流在零線上是矢量和的結果，相互之間有抵消作用。圖7表示出了其中幾種情況的矢量關系。圖7（a）表示出了三相電流相等的情況，即IA= IB= IC。 在此情況下可以看出，任何兩相電流的矢量和都等于符號相反的第三個電流值。在這里是IA和IB的矢量和IAB=-IC，二者矢量相加為零。這時零線上的壓降僅取決于諧波電流和零線電阻。這也是零地電壓最小的情況。圖7（a）表示的是A相電流小而B,C兩相電流相等且大于A相電流的情況，即IB= IC > IA?？梢钥闯?，此時IA和IB矢量和的絕對值êIABê=

26、4;-ICê， 二者不能抵消，于是零線上就出現(xiàn)里部分負載電流，此時零線上的電流就變成了部分負載電流與諧波電流兩部分相加，是零線壓降增大。圖7（c）表示的是C相電流為零而B,A兩相電流相等的情況，即IA= IB ,  IC=0。從圖中矢量和可以看出IA和IB的矢量和êIABê=êIAê= êIBê，換句話說，在這種情況下零線上的電流等于一相的電流值。同樣還可以得出在只有一相電壓有負載時，零線上的電流也是一相的電流值。并且如果不考慮諧波電流的作用，零線上的電流最大值不超過一相的電流值。當然如果有三次諧波與三次諧波倍數的

27、高次諧波疊加就會增大零線上的壓降，當然也增大了零地電壓。（a） IA= IB= IC                  （b） IB= IC > IA                   （c） IA= IB ,  IC=0圖7

28、60; 三相電流幾種情況的矢量關系所以問題的提出者為了證明自己的觀點還給出了工頻機型UPS的零地電壓為0.8V，而高頻機結構UPS的零地電壓高于1.5V的數字。實際上這個數字是沒有意義的，不能說明任何問題，因為零地電壓不用變壓器就可以很方便地降到1V甚至0.8V以下。在上述幾種負載電流與諧波電流組合不同的情況下，其零地電壓也不同，有的高達10V以上。不論工頻機型UPS還是高頻機型UPS的零地電壓都會有高于或低于1.5V的情況。2. 零地電壓的影響零地電壓偏高會不會就是“致命弱點”呢？本來一般用戶就對零地電壓視為洪水猛獸，一提零地電壓就談虎色變。問題的提出者又火上加油，更把它提高到“致命”的高度

29、。關于零地電壓的影響問題，筆者已在多篇文章和書籍中有詳細敘述，不防在這里再稍微重復一些。形成干擾必須具備三大因素：干擾源，傳遞干擾的途徑和受干擾的設備。這三者缺一不可，討論就從這三者入手。（1）零地電壓是不是干擾源如果證明零地電壓確實是干擾源，零地電壓干擾負載甚至是“致命”的弱點這個結論就可能成立，高頻機型UPS零地電壓偏高的影響也罪責難逃。為了說明零地電壓，先得要弄清楚零地電壓是什么。圖8示出了零地電壓的位置。從圖中可以看出，零地電壓指的是負載下端和地之間的電壓。理想的接線方法在零線上沒有電流的，它只是一個參考點，所以整條零線上就是一個零電位。一般零線和地線在交流市電的源端（比如變電站）是接

30、在一點并且接地的，如圖8所示。這樣一來就可以看出，所謂零地電壓就是零線電流和零線電阻共同形成的零線電壓。圖8以A相電源UA為例，很明顯，如果此時負載開關S是斷開的，就沒有負載電流，即Ia=0，那么零線上也沒有電流，當然零線上也沒有壓降，零地電壓也為零。當圖8  零地電壓的位置與形成開關S閉合后，負載電流Ia從UA出發(fā)就沿箭頭方向通過開關S®負載®零線電阻®回到星形變壓器的中點。值得注意的是負載電流Ia先是流過負載，從負載出來后，才進入零線回到中點，換句話說負載電流Ia在負載上做功在先，經過零線在后，即零線上的壓降是做完功的回程電流在零線上留下的印記。難道

31、說這個印記還會反回去將做過功的結果再給反過來！比如是驅動一個步進馬達，開關S閉合一下，馬達就動一下，而后就在零線上出現(xiàn)一段零地電壓，難道這段零地電壓還可再回去不讓馬達動作或使其動作不正常？這里有一個基本概念：實際上零地電壓是和負載動作同時出現(xiàn)和同時消失的，不存在影響后面動作的問題。還有的說什么零地電壓可導致后面的數字機器出現(xiàn)誤碼或丟碼。這又是一個基本概念問題。眾所周知，UPS供出的交流電壓是給包括計算機在內的電子設備內部電源的，這個內部電源的任務就是將交流電壓變換成內部電路所需的直流電壓，而且電子設備的內部電路只和本機的電源打交道，所以本機電源的質量好壞才直接影響著本機電路的工作質量。用電機器

32、的誤碼不誤碼和UPS沒有任何關系！因為那是用電設備機內電源的事情。所以在這里零地電壓不是干擾源。（2）傳遞干擾的通道：零地電壓是如何傳遞到負載機器上去的退一萬步說，假設零地電壓是干擾源，現(xiàn)在看一看它如何能加到負載上去。圖9給出了零地電壓的等效電路。在這里取出UPS中的一相電壓UA作為例子。將零線上的分布電阻用集中參數RN代替，負載電阻是RL，于是負載和零線就是跨接在電源UA兩端的兩個串聯(lián)的阻抗。兩個阻抗上的電壓之和就是電源電壓，即：UL +UN=UA            &

33、#160;                                      （5）兩個電阻上流過同一個電流Ia，由于零線敷設完畢后，零線電阻就是個不變的定值，就是電阻負載，對外不會產生任何影響。當然會有人說：流過零線的還

34、有諧波電流，如圖中虛線箭頭所示。是的，盡管有諧波電流流過，盡管也會使零線上壓降有所變化，一方面與220V相比是微乎其微，另一方面它的流向如虛線箭頭所示，也不會返回頭去倒流到負載。零線上電壓降的變化對負載沒有任何影響，零線對地的電位就好像浮在水上的船，負載就好像坐在船上的人，無論水平面如何讓波動，水漲船高，坐在船上的人本身不會受影響。還會有的人提出：既然RL和RN是分壓關系，會不會由于RN上分壓太多而影響負載的正常工作呢？一般說任何負載都允許輸入電壓變化±10%，而220V的±10%就是±22V！在零圖9  零地電壓的等效電路線上出現(xiàn)22V的壓降幾乎是不可

35、想象的，如果真有這么大的零線壓降那肯定是出問題了。因為在UPS機柜范圍內的零線匯流排上，正常情況下一般絕不會出現(xiàn)3V以上的壓降，一般都小于1V。還有一種情況就是：由于UPS輸出端的低通濾波器特性不好，有一部分高次諧波流入負載。其實這也無妨，負載機器的內置電源輸入端都接有濾波器,首先將高次諧波攔截，第二級就是整流濾波器進行攔截，第三級就是直流變換器。這三道大門可將任何高次諧波甚至干擾關在門外或給予消滅。正因為負載機器內部電源具有如此強大的功能，莫須有的給零地電壓扣上“干擾負載”的帽子，實在是無中生有。就是說，沒有任何一條通路能把零地電壓和干擾加到負載上去。更何況零地電壓不是干擾源。當然，空間干擾

36、就是另一回事了，不屬于這里討論的范疇。（四）高頻機型UPS在市電斷電后，電池放電時系統(tǒng)效率降低2%有的地方說得非常具體，看來是做了實地測量。遺憾的是他把部分高頻機UPS當成了全部，再說這個結論還存在漏洞。下面分幾種情況介紹。1. 單相小功率UPS情況圖10示出了一般小功率高頻機UPS原理電路圖。因為高頻機UPS的特點之一就是取消了輸出隔離變壓器，所以能取消這個占機器絕大重量的變壓器就是因為采用了半橋逆變器。但半橋逆變器的工作需要兩個直流電源，而對于功率不大的高頻機UPS的兩個直流電源尤其是采用兩組電池就顯得太累贅了。于是就采用了Boost升壓電路技術。如圖中儲能電感L，電子開關S，隔離二極管V

37、D2，虛擬電源電容器C1和C2就構成了升壓電子變壓器。在由市電供電時，整流器ZL1和充電器為電池組GB充電，整流器ZL2為主電路供電，由于220V交流只能給出約300V的直流電壓，而半橋逆變器則需要兩個至少310V以上的直流電壓。所以Boost升壓電路就在電容C1和C2上造成兩個約400V的串聯(lián)連接的虛擬直流電源。圖10  一般單相小功率高頻機UPS原理電路圖當市電斷電時，就由電池組GB放電。一般在10kVA 以下或30kVA以下容量情況下，電池組GB的電壓比較低，比如3節(jié)12V，4節(jié)12V甚至10節(jié)12V。總之，電壓遠達不到半橋逆變器工作的電平。因此還必須仍由Boost升壓電路將其

38、升高到兩個400V。就是說，市電盡管停止了供電，這里工作的不像工頻機UPS那樣僅由逆變器工作，Boost升壓電路還必須接著工作。這樣看來高頻機就比工頻機多了一個工作環(huán)節(jié)，所以就比工頻機逆變器多消耗能量，就算效率就降低了2%。但有的問題提出者顧此失彼，只顧比較電子電路部分并高興找到了高頻機UPS的“軟肋”（所謂致命弱點），豈不知卻忘記了工頻機UPS的輸出隔離變壓器也在工作著，如圖11（a）所示。該變壓器上消耗的功率遠不是2%就可以打發(fā)的。筆者曾對對4臺進口100kVA UPS的輸出變壓器滿載時的測量發(fā)現(xiàn)，100kVA變壓器鐵心外表溫度達90°C，這絕不是2kW功率就可以造成的現(xiàn)象。（但

39、愿這不是普遍現(xiàn)象）?？傊?，實測發(fā)現(xiàn)，小功率高頻機UPS的系統(tǒng)效率仍然還高一些。圖11  工頻機與高頻機UPS輸出電路比較2.中大功率情況高頻機型UPS在中大功率的情況下就更不是問題提出者說的那樣低2%的事情了。一般在中大功率的高頻機結構UPS中，虛擬電源已遠不能滿足大電流輸出的要求，這時的電容器只能作為負載突變時補充電池內阻過大而給不出前沿電流的問題。后面的大電流還是要靠大容量的電池組提供，如圖12所示。不論是圖12（a）所示的具有兩個直流電源的高頻型UPS還是圖12（b）所示的只具有一個直流電源的高頻機型UPS，幾乎都至少采用了32節(jié)12V電池串聯(lián)或電壓相近的電池串聯(lián)方案。這些電池

40、組的額定電壓都遠高于交流220V的峰值電壓310V。所以在市電斷電以后，充電環(huán)節(jié)也停止了工作，只靠電池本身的容量來維持設定的后備時間，一直到電池電壓降低到逆變器關機電壓電平。這時的關機電壓電平一般在320332V，這一點與工頻機型UPS逆變器的工作一模一樣，所以這2%就不存在了。真正存在的倒是工頻機型UPS的輸出變壓器。這個變壓器占去了工頻機UPS近三分之二的空間和2%以上的功耗。如果非要說“致命”的話，應該到工頻機型UPS中去找。實際上有些人就是小題大做，工頻機型UPS盡管功耗大，但這么多年下來了，也一直工作的很好，更沒人說這是個致命的問題。為何今天反而把比工頻機型節(jié)能的UPS說成是“致命”

41、的呢。甚至在大庭廣眾之下公然大呼其高頻機型UPS有多少多少個“致命弱點”，實在不夠慎重。不知為何對適應當今節(jié)能減排的國策，又符合體積小、重量輕、技術新和價格低等數據中心要求的產品帶有如此大的成見。圖12  高頻機結構UPS和工頻機結構UPS逆變器輸出原理電路圖（五）高頻機結構UPS的外接變壓器會損壞負載1.為何要外接隔離變壓器取消輸出隔離變壓器是高頻機型UPS的一大特點，也是一大優(yōu)點，因為它降低了系統(tǒng)功耗、體積、重量和價格。可有的人非要把拿掉的這個變壓器再加上去，當然這里有的用戶也有這樣的要求，不過用戶的要求大都是受了某些廠家的誤導所致。據說為了降低零地電壓。盡管如此，有的問題提出者

42、還不放心，說是“零地電壓仍然偏高，仍然繼續(xù)危害用電設備的安全運行”。就算按照某處的意思暫且給高頻機型UPS加上外加變壓器，如圖13（a）所示，看一看這個論斷如何。可以比較一下圖13（a）和（b）兩個電路?，F(xiàn)在兩個逆變器的輸出都接入了變壓器，可以看出兩個逆變器的工作方式都是脈寬調制，調制頻率也都差不多，也可以說一樣。所以從逆變器功率管的工作來說是沒有區(qū)別的；為了向負載送出正弦波電壓，就必須加低通濾波器，將調制時的高頻成分濾掉，只允許50Hz的正弦波通過，從圖中也可看出其二者都有這個濾波環(huán)節(jié)，只是高頻機型UPS的諧波濾波器在變壓器之前，而工頻機型UPS的諧波濾波器在變壓器之后，就是說現(xiàn)在二者的工作

43、環(huán)節(jié)不但有，而且一樣。所不同的是濾波環(huán)節(jié)與變壓器的位置。這樣一來就可以看出，在高頻機型UPS中，高次諧波在變壓器之前就被濾掉了，通過零線回到了直流BUS的負端，即高頻機型UPS的高次諧波根本沒進入變壓器初級繞組。而工頻機型UPS的高次諧波是在變壓器后面才被濾掉的，換言之是在靠近負載端被濾掉的。這就出現(xiàn)了一個問題：按照某君的說法：靠負載近的高次諧波形成的零地電壓加不到負載上去，也不影響負載的工作；反而是離負載遠的高次諧波形成的零地電壓一定會加到負載上去，繼續(xù)危害負載的安全運行。同樣的電路原理反而出來兩種不同的結果，不知此君是分析出來的還是測量出來的這種結果。好象從理論上就說不通。圖13 

44、; 兩類UPS都有變壓器時的諧波路徑圖有的地方說高頻機型UPS外加變壓器后還會帶來使設備燒毀的隱患。還說高頻機型UPS“一旦因故出現(xiàn)輸出停電或閃斷故障”，外接隔離變壓器就會出現(xiàn)“反激型的瞬態(tài)尖峰電壓”，足以燒毀IT設備。當輸入突然恢復供電時，又會導致并機系統(tǒng)“嚴重過載”，等等。令人不解的是，一樣的供電環(huán)節(jié)，一樣的功能，就是工頻機型換成了高頻機型，只一字之差，二者的結果就不一樣了。難道說工頻機型UPS就不會出現(xiàn)輸出停電或閃斷故障？即使出了，它的變壓器也不會產生“反激型的瞬態(tài)尖峰電壓”？當輸入突然恢復供電時，工頻機型UPS也不會導致并機系統(tǒng)“嚴重過載！難道說外接隔離變壓器的破壞力是高頻機型UPS固

45、有的嗎？話又說回來，這個高頻機型UPS的外加變壓器是某處硬給加上去的（供應商可從來就沒這個打算），加上后又分析出這么多“潛在”的“隱患”。即加上變壓器是他正確，分析出了問題是你加上去的不對，繞來繞去都是他的理。對高頻機型UPS來說根本就沒有外加變壓器的必要，首先，如前所說零地電壓就不是干擾源，再說也沒傳遞零地電壓的通道。影響用電設備的是常摸干擾，共模干擾是如何進入用電設備的？圖14示出了常模干擾和共模干擾原理圖，若使干擾電壓起作用，就必須有能量，這里的能量就是電流與電壓相乘的功率，即干擾源與被干擾對象（用電設備）必須形成電流回路。從圖14可以看出，常模干擾電流是火線與零線之間的電壓形成的，可以

46、隨著電源與負載形成電流回路。而共模電壓（在這里是零地電壓）則是零線與地線之間的電壓，根本與用電設備形不成電流的閉環(huán)回路，不論是電壓還是電流都沒有到達用電設備的通道，又何談干擾？又何談“危害這些用電設備的安全運行”！圖14  常模干擾和共模干擾原理圖令人不解的是，同樣的變壓器接在高頻機型UPS逆變器的輸出就有那么多的“隱患”，而接在工頻機型UPS逆變器的輸出就具有了更優(yōu)異的抗“沖擊性”負載的能力。實際上這是電抗器或扼流圈的特性。暫且不說概念上的誤解，就算把這個變壓器當成電感性吧，就是這個電感性在某種說法下：用在高頻機型UPS逆變器的輸出端就會出現(xiàn)損壞用電設備的“反激型的瞬態(tài)尖峰電壓”，

47、而用在了工頻機型UPS逆變器的輸出就具有了更優(yōu)異的抗“沖擊性”負載的能力。不僅如此，還成了“跨接在UPS與整流濾波型非線性負載之間的50Hz濾波器，它將大幅度提高UPS承擔具有高峰比的沖擊性電流的能力”。看來這個變壓器智能化到極點了！不過，筆者倒是遇到了輸出接變壓器燒毀和電池的例子，而且是燒的工頻機。如下例所示。例：北京某制造廠就因600kVA UPS供電方案如圖15所示。這里用5臺150kVA UPS做4+1冗余并聯(lián)，輸出端是5個UPS輸出變壓器次級繞組并聯(lián)。負載中還有一臺300kVA變壓器，可說是層層設防。但在電池模式供電時由于300kVA負載變壓器開關S合閘，因負載變壓器的瞬時短路而導致了UPS部分燒毀和電池組起火，一舉燒毀了70余節(jié)100AH電池，5個變壓器沒起到任何所謂“緩沖”和“濾波器”的作用。值得一提的是有的把變壓器說成可以抗干擾，這又是一個基本概念問題。什么器件可以抗干擾？具有基本電路知識的人都知道，只有非線性器件或慣性器件才能抗干擾。變壓器是非線性鐵心器材工作在線性區(qū)，正因如此，它才使得傳輸波形不失真。變壓器的繞制關鍵就是力求漏感越小越好，零漏感的最好。一個好的變壓器就幾乎是一個全線性的裝置，線性電路的的特點就是不失真地傳輸波形輸入是什么波形輸出就照樣復制，這可以用雙蹤示波