高頻機(jī)型UPS的幾個(gè)“致命弱點(diǎn)”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?yàn)樵赨PS機(jī)柜范圍內(nèi)的零線匯流排上，正常情況下一般絕不會(huì)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(fù)載。其實(shí)這也無妨，負(fù)載機(jī)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(jí)就是整流濾波器進(jìn)行攔截，第三級(jí)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?yàn)樨?fù)載機(jī)器內(nèi)部電源具有如此強(qiáng)大的功能，莫須有的給零地電壓扣上“干擾負(fù)載”的帽子，實(shí)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(fù)載上去。更何況零地電壓不是干擾源。當(dāng)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(jī)型UPS在市電斷電后，電池放電時(shí)系統(tǒng)效率降低2%

有的地方說得非常具體，看來是做了實(shí)地測(cè)量。遺憾的是他把部分高頻機(jī)UPS當(dāng)成了全部，再說這個(gè)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(jī)UPS原理電路圖。因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/高頻機(jī)UPS">高頻機(jī)UPS的特點(diǎn)之一就是取消了輸出隔離變壓器，所以能取消這個(gè)占機(jī)器絕大重量的變壓器就是因?yàn)椴捎昧税霕蚰孀兤?。但半橋逆變器的工作需要兩個(gè)直流電源，而對(duì)于功率不大的高頻機(jī)UPS的兩個(gè)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(chǔ)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(shí)，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(gè)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(gè)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(jī)UPS原理電路圖

當(dāng)市電斷電時(shí)，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(yuǎn)達(dá)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(gè)400V。就是說，市電盡管停止了供電，這里工作的不像工頻機(jī)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(jī)就比工頻機(jī)多了一個(gè)工作環(huán)節(jié)，所以就比工頻機(jī)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(jī)UPS的“軟肋”（所謂致命弱點(diǎn)），豈不知卻忘記了工頻機(jī)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(yuǎn)不是2%就可以打發(fā)的。筆者曾對(duì)對(duì)4臺(tái)進(jìn)口100kVA UPS的輸出變壓器滿載時(shí)的測(cè)量發(fā)現(xiàn)，100kVA變壓器鐵心外表溫度達(dá)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?，實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，小功率高頻機(jī)UPS的系統(tǒng)效率仍然還高一些。

圖11 工頻機(jī)與高頻機(jī)UPS輸出電路比較

2.中大功率情況

高頻機(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)UPS中，虛擬電源已遠(yuǎn)不能滿足大電流輸出的要求，這時(shí)的電容器只能作為負(fù)載突變時(shí)補(bǔ)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(gè)直流電源的高頻型UPS還是圖12（b）所示的只具有一個(gè)直流電源的高頻機(jī)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(yuǎn)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(shè)定的后備時(shí)間，一直到電池電壓降低到逆變器關(guān)機(jī)電壓電平。這時(shí)的關(guān)機(jī)電壓電平一般在320?332V，這一點(diǎn)與工頻機(jī)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(jī)型UPS的輸出變壓器。這個(gè)變壓器占去了工頻機(jī)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(yīng)該到工頻機(jī)型UPS中去找。實(shí)際上有些人就是小題大做，工頻機(jī)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(gè)致命的問題。為何今天反而把比工頻機(jī)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(jī)型UPS有多少多少個(gè)“致命弱點(diǎn)”，實(shí)在不夠慎重。不知為何對(duì)適應(yīng)當(dāng)今節(jié)能減排的國策，又符合體積小、重量輕、技術(shù)新和價(jià)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(gè)直流電源的工頻機(jī)結(jié)構(gòu)UPS全橋逆變器輸出原理電路圖

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

（五）高頻機(jī)結(jié)構(gòu)UPS的外接變壓器會(huì)損壞負(fù)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(jī)型UPS的一大特點(diǎn)，也是一大優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樗档土讼到y(tǒng)功耗、體積、重量和價(jià)格?？捎械娜朔且涯玫舻倪@個(gè)變壓器再加上去，當(dāng)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(dǎo)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(shè)備的安全運(yùn)行”。就算按照某處的意思暫且給高頻機(jī)型UPS加上外加變壓器，如圖13（a）所示，看一看這個(gè)論斷如何。可以比較一下圖13（a）和（b）兩個(gè)電路。現(xiàn)在兩個(gè)逆變器的輸出都接入了變壓器，可以看出兩個(gè)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(fù)載送出正弦波電壓，就必須加低通濾波器，將調(diào)制時(shí)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(gè)濾波環(huán)節(jié)，只是高頻機(jī)型UPS的諧波濾波器在變壓器之前，而工頻機(jī)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(jī)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(fù)端，即高頻機(jī)型UPS的高次諧波根本沒進(jìn)入變壓器初級(jí)繞組。而工頻機(jī)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(fù)載端被濾掉的。這就出現(xiàn)了一個(gè)問題：按照某君的說法：靠負(fù)載近的高次諧波形成的零地電壓加不到負(fù)載上去，也不影響負(fù)載的工作；反而是離負(fù)載遠(yuǎn)的高次諧波形成的零地電壓一定會(huì)加到負(fù)載上去，繼續(xù)危害負(fù)載的安全運(yùn)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(cè)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(shí)的諧波路徑圖

有的地方說高頻機(jī)型UPS外加變壓器后還會(huì)帶來使設(shè)備燒毀的隱患。還說高頻機(jī)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(huì)出現(xiàn)“反激型的瞬態(tài)尖峰電壓”，足以燒毀IT設(shè)備。當(dāng)輸入突然恢復(fù)供電時(shí)，又會(huì)導(dǎo)致并機(jī)系統(tǒng)“嚴(yán)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(jī)型換成了高頻機(jī)型，只一字之差，二者的結(jié)果就不一樣了。難道說工頻機(jī)型UPS就不會(huì)出現(xiàn)輸出停電或閃斷故障？即使出了，它的變壓器也不會(huì)產(chǎn)生“反激型的瞬態(tài)尖峰電壓”？當(dāng)輸入突然恢復(fù)供電時(shí)，工頻機(jī)型UPS也不會(huì)導(dǎo)致并機(jī)系統(tǒng)“嚴(yán)重過載！難道說外接隔離變壓器的破壞力是高頻機(jī)型UPS固有的嗎？話又說回來，這個(gè)高頻機(jī)型UPS的外加變壓器是某處硬給加上去的（供應(yīng)商可從來就沒這個(gè)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(duì)，繞來繞去都是他的理。對(duì)高頻機(jī)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(shè)備的是常摸干擾，共模干擾是如何進(jìn)入用電設(shè)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(duì)象（用電設(shè)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(fù)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(shè)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(dá)用電設(shè)備的通道，又何談干擾？又何談“危害這些用電設(shè)備的安全運(yùn)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(jī)型UPS逆變器的輸出就有那么多的“隱患”，而接在工頻機(jī)型UPS逆變器的輸出就具有了更優(yōu)異的抗“沖擊性”負(fù)載的能力。實(shí)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(gè)變壓器當(dāng)成電感性吧，就是這個(gè)電感性在某種說法下：用在高頻機(jī)型UPS逆變器的輸出端就會(huì)出現(xiàn)損壞用電設(shè)備的“反激型的瞬態(tài)尖峰電壓”，而用在了工頻機(jī)型UPS逆變器的輸出就具有了更優(yōu)異的抗“沖擊性”負(fù)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(fù)載之間的‘50Hz濾波器’，它將大幅度提高UPS承擔(dān)具有高峰比的沖擊性電流的能力”?？磥磉@個(gè)變壓器智能化到極點(diǎn)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(jī)。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(tái)150kVA UPS做4+1冗余并聯(lián)，輸出端是5個(gè)UPS輸出變壓器次級(jí)繞組并聯(lián)。負(fù)載中還有一臺(tái)300kVA變壓器，可說是層層設(shè)防。但在電池模式供電時(shí)由于300kVA負(fù)載變壓器開關(guān)S合閘，因負(fù)載變壓器的瞬時(shí)短路而導(dǎo)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(gè)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(gè)基本概念問題。什么器件可以抗干擾？具有基本電路知識(shí)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(gè)好的變壓器就幾乎是一個(gè)全線性的裝置，線性電路的的特點(diǎn)就是不失真地傳輸波形——輸入是什么波形輸出就照樣復(fù)制，這可以用雙蹤示波器來檢測(cè)，一看便知，無需爭(zhēng)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?yàn)樗档土穗娫摧敵鲭妷旱膭?dòng)態(tài)性能。有人拿著不合格產(chǎn)品負(fù)面性能造成的現(xiàn)象當(dāng)成正事來說就不合適了。

圖15 某半導(dǎo)體廠4+1冗余并聯(lián)連接輸出接一變壓器的原理圖

當(dāng)然，專門的工頻機(jī)型UPS輸出變壓器為了從PWM解調(diào)出正弦波，有意識(shí)地在輸出變壓器繞制時(shí)有意留一點(diǎn)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(gè)漏感很小，以不影響UPS的輸出動(dòng)態(tài)性能為度。

圖16 兩類UPS輸出與負(fù)載連接原理圖

前面高頻機(jī)型UPS的變壓器說的一無是處，其目的就是為了推出工頻機(jī)型UPS輸出變壓器的所謂高性能。有的口口聲聲說利用這個(gè)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(fù)載端來的干擾？抗所謂干擾的目的是什么，是為了保護(hù)后面的負(fù)載還是保護(hù)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(fù)載的干擾。但負(fù)載端來的所謂干擾是負(fù)載的正常工作造成的。因?yàn)橐酝呢?fù)載設(shè)備多為輸入功率因數(shù)較低的整流濾波負(fù)載，對(duì)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(gè)所謂的“干擾”就是負(fù)載工作后破壞電壓“結(jié)果”。這個(gè)被破壞電壓的結(jié)果靠負(fù)載端最大，從UPS輸出端到負(fù)載的距離越遠(yuǎn)、導(dǎo)線越細(xì)、經(jīng)過的觸點(diǎn)越多，這個(gè)失真就越大；相反，這個(gè)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(gè)圖（a）和（b）所示，如果兩個(gè)同樣功率UPS帶同樣的負(fù)載，其UPS輸出端都是很好的正弦波，到了負(fù)載端就變成了失真波形，如圖16兩個(gè)圖（a）和（b）所示。這是因?yàn)樨?fù)載的整流濾波電路向負(fù)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(gè)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(gè)壓降只在峰值附近形成，到達(dá)負(fù)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(jī)柜輸出端電壓UO的波形取決于UPS內(nèi)阻的大小，所以負(fù)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(jī)型UPS還是高頻機(jī)型UPS，在這方面的結(jié)果都是一樣的。至于在UPS輸出帶負(fù)載之間電纜上的“毛刺”也是由負(fù)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(dá)負(fù)載的情況與到負(fù)載距離的關(guān)系示意圖

由于在UPS輸出端口這個(gè)干擾幅度已微乎其微，不用抗?？垢蓴_的目的不外乎要保護(hù)什么。在這里和這個(gè)輸出變壓器打交道的只有兩個(gè)目標(biāo)：前面的逆變器和后面的用電設(shè)備。前面已經(jīng)知道，這個(gè)所謂干擾是負(fù)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(hù)；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(yáng)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(gè)原理，也會(huì)被這“虛晃一槍”所震撼！

總之，在貶低高頻機(jī)型UPS的市場(chǎng)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?xùn)|西的“優(yōu)點(diǎn)”都貼在工頻機(jī)型UPS的臉上，將所謂不利的一面都栽在高頻機(jī)型UPS的頭上。想借此將工頻機(jī)型UPS的市場(chǎng)壽命延長(zhǎng)一些時(shí)日。作為商家這樣做雖然不好，但為了生計(jì)也情有可原。但作為學(xué)術(shù)討論就有失公允了。尤其是在不了解機(jī)器性能的情況下也充當(dāng)內(nèi)行，莫須有地制造懸念。當(dāng)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(dǎo)用戶是不應(yīng)該的。更不應(yīng)該和當(dāng)今國家節(jié)能減排的政策相違背。■