高频机型UPS的几个“致命弱点”论值得商榷（一）

    前言

    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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。

    （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 < T<100ms出现过流或短路时IGBT可在任何一点随时关断。既然可以随时关断又何必将过载时间做的那么长。比如两列往返于北京与天津之间的火车，一列是蒸汽机车，一列是电气动车。为了安全，规定蒸汽机车4h检修一次，而作为电气机车的动车2h检修一次。是否可以说蒸汽机车的可靠性比动车大一倍呢？从时间上看好像是这样，但在2h之内动车已跑了4个往返，而蒸汽机车则在2h之内仅仅跑了一个单程！到底哪个可靠性更高呢？同样道理，拿两个关断机制与性能不一样器件的过载能力作比较是不是有些牵强。

    2. 据说：由于高频机结构UPS至今还没找到大磁通量的材料，以致使其“升压电感”温度过高，使可靠性降低。甚至还断言：正因为如此（指没找到大磁通量的材料），导致UPS产业迟迟未能制造出可靠性足够高的大功率高频机型UPS。

    他的原意说的是“升压电感”的质量问题，为了提高该电感的可靠性所提出的材料指标却又是变压器的。这个基本概念问题把人们搞糊涂了：到底说的是电感还是变压器？因为这二者所选材料的主要参数是完全不一样的，变压器需要大磁通量的材料，这从变压器绕组计算公式可以看出：

    N---变压器绕组匝数

    U---加到绕组上的电压

    f--- 电压的频率

    B---磁感应强度（对应磁通量）

    SC---变压器铁心截面积

    目前大磁通量的材料很多，比如早就为人们应用的铁钴钒铁心，其磁通量就很大。目前的冷轧钢带和软磁材料都有着很高的磁通量。从式（1）中可以看出，磁通量越大，需要的绕组匝数就越少，就越省铜。但高频机结构UPS没有功率变压器，那么要求大磁通量的材料就是无的放矢了。看来此处确实指的是电感L1、L2和L3，如图2所示。但电感的计算公式和变压器就不一样了，如式（2）所示

图2  全IGBT结构UPS的一种电原理图

    L---电感量

    SC---电感铁心截面积

    N---电感绕组匝数

    lC---铁心磁路长度

    r---铁心材料的相对导磁率

    从该式可以看出，这里就没有磁通量B这个参数，和电感铁心有关的是相对导磁率m_r。相对导磁率越大，电感量就越大。目前大相对导磁率的材料很多，不过用得最多的还是铁氧体，俗称铁凎氧。

    另一个基本概念就是电感温度高的问题，做过电路设计的人都知道，电感的温度高低在设计和试验中是可以控制的，而且解决这个问题也轻而易举，一般说只要将绕组的线径取大一些，铁心取大一些就可以了，对经常搞电路的人是一个基本常识，是不言而喻的。它怎么能影响作出大功率的UPS整机呢。再说，目前已有好多厂家做出了500kVA的高频机型UPS，甚至还有的厂家做出了1200kVA的高频机UPS，难道还不算大功率！有些制造商一时还做不出可靠性足够高的大功率高频机UPS绝不是因为“至今还没找到大磁通量的材料”缘故，这里有好多个技术问题。而且不能说一两个厂家暂且还做不到这一点就说是整个“UPS产业”，这样说就太武断了。自己做不出来，要努力，或收购具有这种能了的公司，后来者居上嘛，站在那里抱怨和无中生有的指责又有何用。

    如果将以上这些似是而非且由于自身概念不清的问题也说成是“致命弱点”并硬扣在高频机型UPS头上，好像不太合适。主要是由于认识上的误区，使以上这两个“论点”都没选合适。

    （二）有的认为：高频机结构UPS存在“零偏故障隐患”

    这个问题就是所谓的另一个“致命弱点”。意思是说高频机型的UPS会产生一种“在其它UPS机型上不会出现”的这种现象。这个观点是说：在上游交流电源（比如“输入1”到后备发电机“输入2”）经ATS切换时，UPS输出就会形成8ms以上的输出电压闪断，如图3（b）所示。据说这可导致数据中心机房长达几十分钟到几小时的瘫痪事故。原因是双电

（a） ATS开关与UPS的相对位置原理示意图

（b） 输入电源经ATS切换时的一种输出电压下跌缺口示意图

（c）半桥逆变器及直流电源主电路原理图

图3  高频机结构UPS逆变器原理电路图（一）

源±400V的中点电位在“UPS运行中一旦遇到输入电源N线上出现瞬态的、单极性的直流偏置电压时，就会导致输入到逆变器输入端上”，就会导致逆变器“瞬间DC过压”和“瞬间DC欠压”，就会产生这种“瞬态直流偏置”故障。

    在交流电路中会出现“单极性的直流偏置电压”，所谓单极性，顾名思义，不是正极性就是负极性。这个直流偏置电压是什么？是如何形成的？问题提出者没有说清楚。这里的意思就是说：在上游ATS切换时，由于输入整流升压环节瞬间断电，则这段零线N上的电流也中断，如图3（a）所示，从互投柜到UPS之间的零线（虚线N）线段，就会在这段线中激起反电势e，即：

    式中      ——零线的自身电感量，亨利（H）

    ——断电时的电流变化量，安培（A）

    ——断电时的时间变化量，秒（s）

    这个反电势到底能不能构成威胁甚至“致命”，只靠定性地这么一说是没用的，也容易将读者引入歧途。必须要知道反电势的大小才有说服力。为了有一个量的概念，假设UPS到互投柜的零线长度为l=30m=3000cm，直径d=0.6cm，那么这段零线上的分布电感量Lo就是：

    直径d=06cm=6mm的电缆截面积S=pr²=28（mm）²。按10A/（mm）²，那么在这里就取300A，设ATS最快的动作时间为0.1s=100ms，于是式（3）就可计算出反电势e值：

    即在ATS切换时零线上被激起的反电势为0.15V。当然这个计算不一定很准确，但从数量级上看不会差多少，就是大上10倍也才1.5V，因此在这里可看出一些端倪。某处的这种分析悬乎其悬，用想象的“隐患”来吓唬人。换言之，上游ATS切换时在零线上激起的单极性电压微乎其微，既不能造成输出闪断，也不会导致逆变器过压或欠压，更不能造成数据中心机房停电数小时。再说零地电压也根本加不到这些地方去。而且输出电压闪断也不并是这个原因造成的。有关这个问题在后面还要讨论。

    某处断言说这种单极性零线电压“在其它UPS机型不会出现”，难道工频机型UPS就没有零线？在ATS切换时，互投柜到UPS机柜这段距离零线上的电流也会由满载（假设）到零的一个突变过程，在零线上也会产生同样的这种反电势，因为它的零线不是超导体。怎么能说“在其它UPS机型不会出现”呢！

    这里还有一个对电路尤其是对UPS工作原理基本知识的了解问题。零线上的单极性电压（即N线直流偏置）是如何形成的？输出电压的闪断是不是所谓的零线电压造成的？如何导致逆变器过压或欠压？出现的这些问题是不是只有高频机型UPS才有，等等。为了搞个明白，现在就这些问题一一讨论。

    1. 零线电压指的是什么？众所周知一根导线上只能谈电流，不能谈电压，因为电压就是电位差。而这里就独独提出了一个N线电压的概念，姑且理解成是零地电压，是图3（c）A点对地GE的电压呢还是B点对地GE的电压？因为在有负载的情况下这两点对地的电压是不同的，A点对地GE的电压最高，这就是UPS中整个零线上的电压降，为了符合某处的意愿，暂且取这个最高值，这样就可能导致逆变器“过压”或“欠压”吗？什么值可以让逆变器过压呢？一般说至少要超过额定电压值10%以上，某处给出了400V的额定工作电压，即使10%算作过压，那麽零线上的电压至少也得40V！问题是零线上能有这么高单极性电压的可能吗？一般说多数UPS内的零线不会超过2m，而且截面积也不小，在任何正常情况下莫说40V，就连4V也不会有。就算有4V，不会说404V就算过压，就可以损坏功率管吧。这样看来所谓单极性电压导致过压之说法实际上是不存在的！也仅仅是“潜在”的“危险”。再说这个零地电压也加不到管子上。

    2. 那么单极性零线电压不会构成隐患，输出电压的8ms闪断又是如何形成的？真地就可以导致数据中心断电很长时间吗？

    这也是搞电源的人都应该具有的基本知识。众所周知，蓄电池的内阻是比较大的，比如上游ATS切换时，就出现电源内部负载突变现象，再加之电池的动态性能不太好，就更不能很快响应这种突变电流。一般UPS在正常工作时是由输入整流器向逆变器供电，电池组不但空载而且还处于浮充状态。如果输入端突然断电，电池组就必须及时地将全部负载接替过来，但强大的电流突变是一般电池无法响应的。这必然会导致瞬时缺电流状态，也就是所谓的输出电压瞬时“闪断”。为了弥补这个缺欠，设计者就都在电池组或整流器后并入了足够容量的电容器，由于电容器的动态性能比电池好得多，所以瞬变的前沿电流先由电容器补偿，而后由电池来接续以后长时间的功率电流。但如果和电池并联电容器的容量不足或质量不好，不能适应前沿电流突变的要求，就会使输出电压出现所谓“闪断”的缺口，电容器的电容量越小，输出电压的缺口就越深越宽。所以这个输出电压缺口和所谓的单极性N线电压没有任何关系。

    而且这个输出电压缺口问题在任何UPS上都可能存在，而且是不合格产品才会有。不论是高频机型UPS还是工频机型UPS，只要是合格产品（不是偷工减料的），都不会出现这种输出有闪断的现象。某处为了某种原因将这种谁都可能有的现象硬套在了高频机UPS零线电压上，这又是对UPS工作原理上的误解。

    3. 8ms的输出电压闪断真地就可导致数据中心无法工作吗？

    一般合格的、功能正常的UPS都不会出现这种现象。退一万步说，即使这个8ms的闪断隐患真地出现，有无致命危险呢？根据IBM和HP对其PC机的实测，在市电断电后，其本身内置电源还可保证机器满负荷工作50ms。这主要是根据电路对其内部直流电源脉动和稳定度的要求而决定的滤波电容器容量得到的附加效果。在大容量机器中，电容量也是按比例增大的。因此也应有同样的效果。起码在不少计算机房也有了断电20ms工作无影响的例子。目前几乎在所有电子设备中都有内置开关电源，它们的任务就是将输入的交流电压变换成本设备所用的不同品种的直流电压。如图4左图所示的电源电路。图中C即为储能装置，如果这个储能装置没有支持本设备8ms后备工作的能力，恐怕就不是合格产品。如果拿不合格产品来说正事，其结果是什么也说明不了。

图4  IT设备以及内部电源主电路

    4. ATS切换时还会有别的原因导致零线上出现单极性电压吗？

    上面一些“隐患”的说法都来自问题提出者关于单极性零线电压的假设，这恐怕又是个基本概念问题。首先ATS切换属于正常动作，ATS切换不外乎是瞬时断电。众所周知，对一台合格的UPS而言，当输入端由于ATS切换而出现瞬时断电时，电容和电池及时地将足量的电能供出，使负载机器没有任何感觉。换句话说UPS输出端的电压和电流没有任何变化。那么从负载到电池组的这一段零线上的电流也就没有变化，当然这段零线上的电压降也就不会变化。零线到输入电源之间的这段零线，由于没有了电源，也就没有电流，更没有电压，而且即使有反电势也很小，这在前面已述及。这样一来原来工作时的零线电压也就一直恒定，不会出现所谓的“单极性”零线电压危害。

    当ATS切换过程完成后，UPS又接入输入电源时，输入整流器开通为后面的电容和电池充电，同时也为逆变器供电。此时由于负载没变，图3（b）的B点以右零线电压还是不变，B点以左零线电压当然不为零了。B点电压抬高了，这一点的零地电压既不是单极性也加不到电池电压上去，而且最多也就是1V以下，任何作用都起不了。某处硬说是ATS切换过程可以导致很多严重后果，不知指的是什么机器。即使有这样的例子，恐怕问题也不在ATS的切换上，得找别的原因。更不用说是所谓的“隐患”。

    上面的一切说法都来自两组直流电源之间的中间零线抽头，实际上那是原来的老电路，用两组电池总觉得不方便，于是后来就研发出仍使用一组电池的半桥逆变电路，如图5所示。在这个电路结构中又为逆变器增加了一只桥臂，如图中虚线框内环节所示，暂且称为第四桥臂，由VT7和VT8组成。这样一来，三相桥臂都可以与第四桥臂形成具有零线的相电压输出。为了说明问题，在图中取出UC作为例子。

    UC输出正半波电压的途径是：GB+®VT1®R上端®VT8®GB-。UC输出正负波电压途径是：GB+®VT7®R下端®VT4® GB-。其它两相U_A和U_B都是如此。由于三相也是按照相位差120°设计工作的，所以线电压和相电压之间也是在数值上是：     

    的关系和在相位上是顺序120的关系。这样一来，高频机型UPS和工频机型UPS同样采用了一组电池。这在外接电池组的设备量上减少了一半数量的外壳，比如原来用322=64节50AH/12V，现在用32节100 AH/12V就可以了。

图5   新高频机结构UPS的主电路原理图

    （三）“高频机型UPS零地电压偏高”

    1. “零地电压”偏高的机制

    某处说“零地电压偏高”也是个“致命弱点”，这种观点也值得商榷。据说：来自IGBT脉宽调制整流器和逆变器的高频PWM型的干扰电压以幅度值较高的“零地电压”形式通过零线被直接反馈到UPS输入供电系统和输出供电系统的零线上，从而危害用电设备的安全运行”。在这里应该说明的是，工频机型和高频机型UPS的IGBT逆变器是一样的器件、一样的频率，一样的工作原理，所以“干扰”也应该是一样的。而整流器则不然，可控硅整流器的干扰远比IGBT整流器大得多，即使是12脉冲整流加11次谐波滤波器（增加了相当大的重量、体积和造价）一般也不能完全达到达到IGBT的指标。按照此处的说法，高频机的两项干扰就能直接加到UPS输入供电系统和输出供电系统的零线上，从而危害用电设备的安全运行；干扰更大的工频机型UPS这两项就加不到这些地方？实在令人匪夷所思。至于零地电压是如何能加到用电设备上，后面有专门的讨论。的确高频机型UPS零地电压和工频机型UPS相比因无输出隔离变压器的次级接地环节，有时是“偏高”了一点。这是由于在单电源结构中电路结构多了一只管子的压降，如图6（a）所示。图中给出了高次谐波滤波电流路径。由于逆变器的工作方式是脉宽调制（PWM），就是说正弦波电压被“高频”调制成宽度不等的方波形式输出，但由于负载端需要的是正弦波电压，所以在到达负载之前，PWM波必须经滤波器解调，将PWM方波中的高频成分滤掉而只保留正弦波成分。于是这部分高次谐波成分就会经滤波器被送回电源负端。在这里仅以UC为例看高次谐波电流路径：

GB+ ® VT1®低通滤波器LC®到达零线® VT8®GB-

    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I_A= I_B= I_C。 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I_A和I_B的矢量和I_AB=-I_C，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I_B= I_C > I_A。可以看出，此时I_A和I_B矢量和的绝对值êI_ABê=ê-I_Cê， 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I_A= I_B ,  I_C=0。从图中矢量和可以看出I_A和I_B的矢量和êI_ABê=êI_Aê= êI_Bê，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

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负载零线电阻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。■