高频机型 UPS 的几个致命弱点论值得商榷前言 120 的轴流风机，有十几元一只的，也有上百元一只的，价格差了近 10 倍，哪一个可靠性高呢？不言而喻，当然是上百元一只的可靠性高。又如某品牌的 9315 系列 UPS，人称“ 标王”，意思说每次投标它的价格最高，但运行起来可靠性也最高，被人称为“铁机”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。当然用户对高频机型 UPS 的这种担心不是没根据，其根据就是来自某些方面的误导宣传。甚至有的将这些宣传材料上升为“高频机结构 UPS 的致命弱点”。虽然问题的提出者只是少数，但影响颇大，在网上粘来粘去，就好像写此文章的人很多，确实影响了不少用户，甚至有些技术人员也受了传染。为了将这些问题搞清楚，使人们对产品有一个科学的看法，下面就这几个方面进行讨论。目前已进入高频机 UPS 逐步代替工频机 UPS 的年代，当然替代的过程并不是一帆风顺。人们使用了几十年的工频机 UPS，已经熟悉了这种电源形式，突然要换机型还不能一下子适应，所以对那些为工频机 UPS 的赞歌听着比较顺耳，同时对高频机 UPS 的一些指责也容易接受，就这样一拍即合。岂不知在一定程度上损害了用户的利益，也有勃于当今的国策。常常会听到这样的说法：高频机 UPS 是好东西，但由于我们的系统非常重要，要求供电的可靠性非常高，所以还是用工频机 UPS 可靠。言下之意，高频机 UPS 不可靠。岂不知可靠性是设计出来的，即一台机器的可靠性如何取决于采用了哪一级可靠性标准。举一个简单的例子，一个 UPS 中常用的 120（一）IGBT 整流器可靠性偏低持这种看法的“根据”有两个：1. 认为 IGBT 器件的过载能力不如可控硅（SCR）高为了证明这个论点，有的就举出两种器件过载能力的例子：SCR 可过载到 10 倍额定电流 20ms，而 IGBT 过载到 10 倍额定电流时只能坚持 20ms，就是说过载能力差了1000 倍。就根据这一点说 IGBT 器件的可靠性不如 SCR 是不是公平呢？这要追索到它们的过载能力为什么不同，难道说 IGBT 的过载能力只能是 10 倍 20ms 吗？当然不是。器件设计者是根据其必要性而选定的。SCR 不是全控器件，即一般在交流电路中只能控制其开启而不能控制其关断，可控硅一旦开启只有等到电压或电流过零时才自动关断，如图1（a ）下图所示。这种器件的工作原理就决定了其过载能力不但要强，而且还必须能承受过载较长的时间。比如在图 1（a）中 SCR 在时间 t2 被触发而开启，假如此处对应的时间 t2 =1ms，而正好此时输出端正好出现过流甚至于超过 10 倍，由于在此处无关断机制，那么它必须在 t3（50Hz 的半周）之前的大约 10ms 的时间内能承受这种过流而不损坏。否则，若这种器件耐过载时间短，比如是 1ms，器损坏的几率就太高了，就没法用了。但IGBT 就不同了，因为它不但可以随时开启而且也可以随时被关断，如图 1 （b ）所示，它在 t1 被打开而在 t2 又被关断。目前 IGBT 的工作频率最高可到达 150kHz，即一个开启与关断周期约 7ms，所以 20ms 对 IGBT 从发现过载到关断的时间而言已经足够长了。就是说 IGBT 的过载时间不需要做得那麽长，即使厂家再将它的过载时间延长上 1000 倍又有何用！对于从北京南站 30 分钟即可抵达天津站已开动的城际列车来说，非要给它10h 的运行时间余量，有这个必要吗。图 1 整流器中的 SCR 和 IGBT 工作比较目前大功率 UPS 的调制频率大都在 15 kHz 以下，比如 10kHz 就是每半周 100 个脉冲，每个脉冲的宽度 0ms VT1低通滤波器 LC到达零线VT8GB-从这里可以看出，由于零线经过了一只 VT7 或 VT8 位置的 IGBT 管，所以使零线上多了一个管子压降环节，增高了零地电压。在双直流电源 UPS 情况下，零线上没有了 VT7 和VT8图 6 两种结构 UPS 高次谐波滤波电流路径这个环节。但一般电池到机器之间都有一段距离，这就加长了零线的长度，也会使零线上的压降有所增加。尽管如此，现代技术都会将两种高频机结构 UPS 的零地电压做到 1V 以下。对于工频机结构 UPS 而言，由于有了输出变压器，就使得零线压降的减小有了可能。如图6（b）所示，工频机结构 UPS 高次谐波滤波电流路径就短得多，因为这里高次谐波电流的回程路径就在变压器附近及内部。至于“只有零地电压小于 1.5V 才是 IT 设备的安全运行条件”的结论却值得商榷。因为中国电信已远远突破了这个禁区，实际测试表明零地电压甚至已做到了 21V，一百多台数字机器也仍未发现有异常现象。要知道，导致零线上电压降的因素不止高次谐波一种原因，另外还有三相负载不平衡以及零线电阻等因素。一般说三相输出电源的零线电流大都小于单相输出电源的相线电流，这是因为三相输出时的三相电流在零线上是矢量和的结果，相互之间有抵消作用。图 7 表示出了其中几种情况的矢量关系。图 7（a）表示出了三相电流相等的情况，即 IA= IB= IC。 在此情况下可以看出，任何两相电流的矢量和都等于符号相反的第三个电流值。在这里是 IA 和 IB 的矢量和 IAB=-IC，二者矢量相加为零。这时零线上的压降仅取决于谐波电流和零线电阻。这也是零地电压最小的情况。图 7（ a）表示的是 A 相电流小而 B,C两相电流相等且大于 A 相电流的情况，即 IB= IC IA。可以看出，此时 IA 和 IB 矢量和的绝对值 IAB=-IC， 二者不能抵消，于是零线上就出现里部分负载电流，此时零线上的电流就变成了部分负载电流与谐波电流两部分相加，是零线压降增大。图 7（c）表示的是 C 相电流为零而 B,A 两相电流相等的情况，即 IA= IB , IC=0。从图中矢量和可以看出 IA 和 IB 的矢量和 IAB=IA= IB，换句话说，在这种情况下零线上的电流等于一相的电流值。同样还可以得出在只有一相电压有负载时，零线上的电流也是一相的电流值。并且如果不考虑谐波电流的作用，零线上的电流最大值不超过一相的电流值。当然如果有三次谐波与三次谐波倍数的高次谐波叠加就会增大零线上的压降，当然也增大了零地电压。 图 7 三相电流几种情况的矢量关系 所以问题的提出者为了证明自己的观点还给出了工频机型 UPS 的零地电压为 0.8V，而高频机结构 UPS 的零地电压高于 1.5V 的数字。实际上这个数字是没有意义的，不能说明任何问题，因为零地电压不用变压器就可以很方便地降到 1V 甚至 0.8V 以下。在上述几种负载电流与谐波电流组合不同的情况下，其零地电压也不同，有的高达 10V 以上。不论工频机型 UPS 还是高频机型 UPS 的零地电压都会有高于或低于 1.5V 的情况。2. 零地电压的影响零地电压偏高会不会就是“致命弱点”呢？本来一般用户就对零地电压视为洪水猛兽，一提零地电压就谈虎色变。问题的提出者又火上加油，更把它提高到“致命”的高度。关于零地电压的影响问题，笔者已在多篇文章和书籍中有详细叙述，不防在这里再稍微重复一些。形成干扰必须具备三大因素：干扰源，传递干扰的途径和受干扰的设备。这三者缺一不可，讨论就从这三者入手。（1）零地电压是不是干扰源如果证明零地电压确实是干扰源，零地电压干扰负载甚至是“致命”的弱点这个结论就可能成立，高频机型 UPS 零地电压偏高的影响也罪责难逃。为了说明零地电压，先得要弄清楚零地电压是什么。图 8 示出了零地电压的位置。从图中可以看出，零地电压指的是负载下端和地之间的电压。理想的接线方法在零线上没有电流的，它只是一个参考点，所以整条零线上就是一个零电位。一般零线和地线在交流市电的源端（比如变电站）是接在一点并且接地的，如图 8 所示。这样一来就可以看出，所谓零地电压就是零线电流和零线电阻共同形成的零线电压。图 8 以 A 相电源 UA 为例，很明显，如果此时负载开关 S 是断开的，就没有负载电流，即 Ia=0，那么零线上也没有电流，当然零线上也没有压降，零地电压也为零。当 图 8 零地电压的位置与形成回到星形变压器的中点。值得注意的是负载电流 Ia 先是流过负载，从负载出来后，才进入零线回到中点，换句话说负载电流 Ia 在负载上做功在先，经过零线在后，即零线上的压降是做完功的回程电流在零线上留下的印记。难道说这个印记还会反回去将做过功的结果再给反过来！比如是驱动一个步进马达，开关 S 闭合一下，马达就动一下，而后就在零线上出现一段零地电压，难道这段零地电压还可再回去不让马达动作或使其动作不正常？这里有一个基本概念：实际上零地电压是和负载动作同时出现和同时消失的，不存在影响后面动作的问题。零线电阻负载开关 S 闭合后，负载电流 Ia 从 UA 出发就沿箭头方向通过开关 S还有的说什么零地电压可导致后面的数字机器出现误码或丢码。这又是一个基本概念问题。众所周知，UPS 供出的交流电压是给包括计算机在内的电子设备内部电源的，这个内部电源的任务就是将交流电压变换成内部电路所需的直流电压，而且电子设备的内部电路只和本机的电源打交道，所以本机电源的质量好坏才直接影响着本机电路的工作质量。用电机器的误码不误码和 UPS 没有任何关系！因为那是用电设备机内电源的事情。所以在这里零地电压不是干扰源。（2 ）传递干扰的通道：零地电压是如何传递到负载机器上去的退一万步说，假设零地电压是干扰源，现在看一看它如何能加到负载上去。图 9 给出了零地电压的等效电路。在这里取出 UPS 中的一相电压 UA 作为例子。将零线上的分布电阻用集中参数 RN 代替，负载电阻是 RL，于是负载和零线就是跨接在电源 UA 两端的两个串联的阻抗。两个阻抗上的电压之和就是电源电压，即：UL +UN=UA （5）两个电阻上流过同一个电流 Ia，由于零线敷设完毕后，零线电阻就是个不变的定值，就是电阻负载，对外不会产生任何影响。当然会有人说：流过零线的还有谐波电流，如图中虚线箭头所示。是的，尽管有谐波电流流过，尽管也会使零线上压降有所变化，一方面与 220V 相比是微乎其微，另一方面它的流向如虚线箭头所示，也不会返回头去倒流到负载。零线上电压降的变化对负载没有任何影响，零线对地的电位就好像浮在水上的船，负载就好像坐在船上的人，无论水平面如何让波动，水涨船高，坐在船上的人本身不会受影响。还会有的人提出：既然 RL 和 RN 是分压关系，会不会由于 RN 上分压太多而影响负载的正常工作呢？一般说任何负载都允许输入电压变化10% ，而 220V 的10%就是22V！ 图 9 零地电压的等效电路在零线上出现 22V 的压降几乎是不可想象的，如果真有这么大的零线压降那肯定是出问题了。因为在 UPS 机柜范围内的零线汇流排上，正常情况下一般绝不会出现 3V 以上的压降，一般都小于 1V。还有一种情况就是：由于 UPS 输出端的低通滤波器特性不好，有一部分高次谐波流入负载。其实这也无妨，负载机器的内置电源输入端都接有滤波器,首先将高次谐波拦截，第二级就是整流滤波器进行拦截，第三级就是直流变换器。这三道大门可将任何高次谐波甚至干扰关在门外或给予消灭。正因为负载机器内部电源具有如此强大的功能，莫须有的给零地电压扣上“干扰负载”的帽子，实在是无中生有。就是说，没有任何一条通路能把零地电压和干扰加到负载上去。更何况零地电压不是干扰源。当然，空间干扰就是另一回事了，不属于这里讨论的范畴。（四）高频机型 UPS 在市电断电后，电池放电时系统效率降低 2%有的地方说得非常具体，看来是做了实地测量。遗憾的是他把部分高频机 UPS 当成了全部，再说这个结论还存在漏洞。下面分几种情况介绍。1. 单相小功率 UPS 情况图 10