高頻機型UPS的幾個“致命弱點”論值得商榷（二）

圖9 零地電壓的等效電路

在零線上出現(xiàn)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(nèi)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(nèi)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(guān)在門外或給予消滅。正因為負載機器內(nèi)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(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(jié)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(shù)。如圖中儲能電感L，電子開關(guān)S，隔離二極管VD2，虛擬電源電容器C1和C2就構(gòu)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?？傊妷哼h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。（但愿這不是普遍現(xiàn)象）?？傊瑢崪y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(jié)構(gòu)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(nèi)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(guān)機電壓電平。這時的關(guān)機電壓電平一般在320?332V，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”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(shù)新和價格低等數(shù)據(jù)中心要求的產(chǎn)品帶有如此大的成見。

（c）具有一個直流電源的工頻機結(jié)構(gòu)UPS全橋逆變器輸出原理電路圖

圖12 高頻機結(jié)構(gòu)UPS和工頻機結(jié)構(gòu)UPS逆變器輸出原理電路圖

（五）高頻機結(jié)構(gòu)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(jù)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(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(diào)制，調(diào)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(diào)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(jié)果，不知此君是分析出來的還是測量出來的這種結(jié)果。好象從理論上就說不通。

圖13 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(jié)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(chǎn)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”，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(guān)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(guān)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(zhì)變壓器，甚至是不合格產(chǎn)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(chǎn)品負面性能造成的現(xiàn)象當成正事來說就不合適了。

圖15 某半導體廠4+1冗余并聯(lián)連接輸出接一變壓器的原理圖

當然，專門的工頻機型UPS輸出變壓器為了從PWM解調(diào)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(gòu)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。

圖16 兩類UPS輸出與負載連接原理圖

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(shù)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(jié)果”。這個被破壞電壓的結(jié)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(jīng)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(jié)果，而是它本來的面目。如圖16的上下兩個圖（a）和（b）所示，如果兩個同樣功率UPS帶同樣的負載，其UPS輸出端都是很好的正弦波，到了負載端就變成了失真波形，如圖16兩個圖（a）和（b）所示。這是因為負載的整流濾波電路向負載索取的不是正弦波電流，而是平均或有效值數(shù)倍的脈沖電流，這個電流必然在傳輸線上與傳輸線的分布阻抗形成壓降，由于脈沖電流只在正弦電壓波的峰值附近形成，所以這個壓降只在峰值附近形成，到達負載的電壓波峰值必須從UO峰值上減去沿路壓降值，所以才形成削頂?shù)氖д?。UPS機柜輸出端電壓UO的波形取決于UPS內(nèi)阻的大小，所以負載端的失真大和UPS端的失真小和變壓器沒關(guān)系，而且也不是什么干擾，更不是什么變壓器抗干擾的結(jié)果。而且不論是工頻機型UPS還是高頻機型UPS，在這方面的結(jié)果都是一樣的。至于在UPS輸出帶負載之間電纜上的“毛刺”也是由負載的非線性破壞電壓的波形和傳輸所致，也不是什么所謂的干擾。

圖17 UPS輸出電壓到達負載的情況與到負載距離的關(guān)系示意圖

由于在UPS輸出端口這個干擾幅度已微乎其微，不用抗?？垢蓴_的目的不外乎要保護什么。在這里和這個輸出變壓器打交道的只有兩個目標：前面的逆變器和后面的用電設備。前面已經(jīng)知道，這個所謂干擾是負載正常工作后留下的結(jié)果，屬正常工作范圍，所以用不著保護；前面的逆變器跟前都有電容器，而且這里的輸出電壓正弦波很好，沒有所謂“干擾”，也用不著變壓器無的放矢。所以這里所大力宣揚的變壓器抗干擾是“虛晃一槍”，是“無的放矢”。但如果不知道這個原理，也會被這“虛晃一槍”所震撼！

總之，在貶低高頻機型UPS的市場上有的宣傳者利用所謂“分析”的手段或不合格產(chǎn)品的性能制造出一些所謂“潛在”和“隱患”之類的懸念，嚇唬不知真相者；把同樣東西的“優(yōu)點”都貼在工頻機型UPS的臉上，將所謂不利的一面都栽在高頻機型UPS的頭上。想借此將工頻機型UPS的市場壽命延長一些時日。作為商家這樣做雖然不好，但為了生計也情有可原。但作為學術(shù)討論就有失公允了。尤其是在不了解機器性能的情況下也充當內(nèi)行，莫須有地制造懸念。當然，這其中不乏是理論水平和基本概念問題，但無論如何誤導用戶是不應該的。更不應該和當今國家節(jié)能減排的政策相違背。■