針對高頻機型UPS的幾個問題的解答

1、針對高頻機型ups的幾個“致命弱點”論 伊頓公司認為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

2、可靠性標準。舉一個簡單的例子，一個ups中常用的120120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

3、戶，甚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20s，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

4、一般在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t

5、1被打開而在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。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 ia?？梢钥闯?，此時ia和ib矢量和的絕對值iab=-ic， 二者不能抵消，于是零線上就出現里部分負載電流，此時零線上的電流

6、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iab=ia= ib，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。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1.5

7、v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。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

8、。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

9、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

10、和負載動作同時出現和同時消失的，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，現在看一看它如何能加到負載上去。圖9給

11、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兩端的兩個串聯的阻抗。兩個阻抗上的電壓之和就是電源電壓，即：ul +un=ua (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

12、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!在零線上出現22v的壓降幾乎是不可想象的，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

13、，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

14、。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(wèi)，電子開關s，隔離二極管vd2，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

15、聯連接的虛擬直流電源。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?？傊?，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

16、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，100kva變壓器鐵心外表溫度達90c，這絕不是2kw功率就可以造成的現象。(但愿這不是普遍現象)?？傊瑢崪y發(fā)現，小功率高頻機ups的系統效率仍然還高一些。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

17、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電池串聯或電壓相近的電池串聯方案。這些電池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

18、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”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。 (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，因為它降低了系統功耗、體積、重量和價格?？捎械娜朔且涯玫舻倪@個變壓器再加上去，當然這里

19、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?？梢员容^一下圖13(a)和(b)兩個電路?，F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

20、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，就是說現在二者的工作環(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

21、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。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“一旦因故出現輸出停電或閃斷故障”，外接隔離變壓器就會出現“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“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

22、統“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

23、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”!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損壞用電設備的“反激型的

24、瞬態(tài)尖峰電壓”，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”?？磥磉@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，輸出端是5個ups輸出變壓器次級繞組并聯。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

25、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，這可以用雙蹤示波器來檢測，一看便知，無需爭論。漏感大的變壓器因有電感是低質變壓器，甚至是不合

26、格產品，因為它降低了電源輸出電壓的動態(tài)性能。有人拿著不合格產品負面性能造成的現象當成正事來說就不合適了。當然，專門的工頻機型ups輸出變壓器為了從pwm解調出正弦波，有意識地在輸出變壓器繞制時有意留一點漏感，目的是利用此漏感和變壓器后面的電容器構成lc濾波器。但這個漏感很小，以不影響ups的輸出動態(tài)性能為度。前面高頻機型ups的變壓器說的一無是處，其目的就是為了推出工頻機型ups輸出變壓器的所謂高性能。有的口口聲聲說利用這個ups的輸出變壓器來抗干擾，試問抗的是什么干擾？是ups輸出變壓器前面來的干擾還是負載端來的干擾？抗所謂干擾的目的是什么，是為了保護后面的負載還是保護ups的逆變器？要知道ups逆變器的輸出電壓是非常好的正弦波，沒有干擾;那只有“抗”來自負載的干擾。但負載端來的所謂干擾是負載的正常工作造成的。因為以往的負載設備多為輸入功率因數較低的整流濾波負載，對ups的輸出電壓正弦波造成了一定程度的破壞，一般稱之為“干擾”，而這個所謂的“干擾”就是負載工作后破壞電壓“結果”。這個被破壞電壓的結果靠負載端最大，從ups輸出端到負載的距離越遠、導線越細、經過的觸點越多，這個失真就越大;相反，這個失真在ups輸出端最小，這并不是什么變壓器能抗干擾的結果，而是