UPS零地电压的产生机制
eeskill 2022-01-18

一、令人百思不得其解的问题

一个偶然的机会看到了一本白皮书,据说这本白皮书颇具权威性,可以说是候补国标。据说这是一本指导建立数据中心时如何选择设备的,可说是一本中立的指导书。当翻阅到有关UPS选型一节时,在工频机型UPS与高频机型UPS性能比较的一览表中发现了两个数字,即高频机型UPS的零地电压是1.7?10V,而工频机型UPS的零地电压都小于1V。不仅吸了一口凉气!怎么高频机型UPS发展到今天还有这么糟糕的指标!现在绝大多数机房的建设都要求UPS的零地电压小于1V,像高频机型UPS这样的指标谁还敢要?!不仅要问,具有这种指标的生产厂家是个别的呢还是具有普遍性呢?至少从白皮上看还是具有普遍性。因为作为具有指导意义国标式的白皮书,如果不具普遍性是不能随便写进去的。看来是具有普遍性,因为白皮书中说“一般会在1.7-10V”之间。关键是:是不是“一般”!是哪一家的“一般”,还是所有高频机型UPS生产厂家的“一般”?打击面是不是大了些!但据笔者了解这1.7-10V的指标值只是个别厂家的不成熟产品初期才会有的!

但另一些信息又拥入脑海:据赛迪顾问报告显示,高频机型UPS的销售额从2006年的12亿元上升到2010年的21.1亿元,上升了近76%;而工频机型UPS则由2006年的14.1亿元下滑到2010年的12.7亿元,下降了近10%。这就产生了一个疑问,这糟糕的21.1亿元高频机型UPS是如何进入用户机房的?又是如何通过验收的?是高频机型UPS厂家骗了用户还是用户不要零地电压指标了?但在笔者参加验收的所有机房中还没有一家放松对零地电压1V的要求。这是怎么回事呢?百思不得其解。按说高频机型UPS有这么糟糕的指标,人们应该敬而远之,但奇怪的是还有的公司“不知深浅”地花巨资购买国外高频机型UPS生产线,难道他们也不在乎这1.7-10V的指标值吗?这是怎么回事呢?也百思不得其解。在笔者了解的所有高频机型UPS生产厂家的产品中,其高频机型UPS的零地电压都是小于1V,在笔者参加所有检测验收的数据机房中,不论是高频机型UPS还是工频机型UPS,其最后的零地电压也都在1V以下。这么看来上述那1.7-10V的指标值不但不具有普遍性,而且是几乎很少,即使有也是凤毛麟角,而且也是很好降下去的,这不是什么技术难点。比如笔者这几年中就只遇到一家高频机型UPS零地电压是7V,在用户的要求下笔者用很简单的方法,花了很小的代价,在不改变原来任何结构和布线的情况下就给降到了0.4V。

就是说,在实际中高频机型UPS的零地电压有很少厂家的很少不成熟产品才大于1V。话说回来,即使再高也很容易降下去,根本不算什么问题。更没有必要作为与工频机型UPS比较的一个劣势写在这本白皮书里,那为什么会将这个不是问题的问题大张旗鼓地小题大做呢?更是百思不得其解!

二、零地电压的产生机制

图1示出了交流市电零地电压图,图中AB是零线的长度,R是零线分散电阻,UBE是零地电压。根据基尔菏夫定律可以看出零线电流IN是三相电流的矢量和:

由于地只是一个参考点,而且零线在变电站就和地接在了一起,所以零地电压就是零线上的电压。这样一来就清楚了,只要减小零线上的电压就是降低了零地电压。从式(2)中可以看出只要减小零线上的电阻就可以减小零地电压,这就可以通过加粗零线来实现,很简单,实际上在好多地方就是这样解决的。UPS在工厂里更是很容易地做到1V以下,因为从逆变器到机柜的输出端距离很短,甚至不到1m,零线加粗非常容易,这根本就不是问题。到了用户以后,由于布线的关系,在远离UPS输出的地方测零地电压也许会高一些,那不是UPS的问题;也有的原来没安装UPS前的零地电压就高,也不是UPS的问题。工频机型UPS由于多了个变压器,零地电压高了可以用变压器次级接地来解决,这是不是优势呢,下面再讨论。总之,在零地电压上没有文章可做。

三、零地电压并不是因为工作频率的升高而抬高的

有的说高频机型UPS由于采用了高频率工作才导致零地电压升高的。高频是UPS发展的方向,因为只有高频才可使原来UPS的体积重量减下来,才能节约。比如某原来300kVA容量的工频机型UPS在输入功率因数大于0.95情况下的重量是2.2吨,而高频机型UPS在输入功率因数大于0.99情况下的重量才是0.8吨。节约了1.4吨,这1.4吨都是优质的钢材、高纯度的紫铜、价格昂贵的稀土元素,等等。所以高频对节能减排做出了重大贡献。对高频机型UPS水平的衡量标准之一就是看频率能做到多高,前提是在保持功耗不变的情况下,频率做得越高,技术含量就越高。目前工频机型UPS逆变器的工作频率基本和高频机型UPS的差不多,一般不超过10kHz,只有少数做到了15kHz。只有100kVA一下的高频机型UPS才可真正做到20kHz以上。所以把零地电压高看成是零地电压高的原因不是理由。图2示出了UPS滤波器解调原理图,这个图不论高频机还是工频机都一样,因为二者逆变器的工作在好多产品中是一样的,逆变器输出的脉宽调制波也是一样的,所以滤波器参数也是一样的。如图中所示,从逆变器出来的脉宽调制波高频调制电流IH经LC滤波器流入零线NN,和零线上的阻抗一起形成零线电压,即零地电压。两类UPS的情况是一样的。调制波经滤波器后将包含的正弦波电压解调出来送到输出,至于后面接不接变压器无关紧要。不过对工频机UPS而言,由于它的逆变器是全桥电路,就必须加变压器,否则就没法使用。

四、零地电压对负载并不构成威胁

构成干扰的三大因素是干扰源、传递干扰的途径和受干扰的设备,缺一就形不成干扰。实际上零地电压就根本不是干扰源,就像下水道一样,不会对流入下水道以前的自来水在城任何污染。再从传递干扰的途径来看,图3示出了IT负载内部电源结构原理图。

从图中可以看出,具有数伏零地电压的220V交流电,进入IT负载的电源后,从第一到第二级,也许我们还能“追寻”到这一电压存在的踪迹,但是经过第三级后,由于变压器的隔离作用,这一共模电压在变压器的二次侧被彻底消除,后面的电路已经没有了零线,只有直流的正、负极,所以也就不再存在所谓的零地电压及产生的干扰的问题。此外,电源都在其输入端设有共轭电抗器与Y电容,这一部件基本就可将共模的零地电压阻隔在IT电源的第一级以外。

可见,零地电压进入IT负载内部后,经共轭电抗器抑制后,终结于内部整流器的前端,根本就到达不了IT内部CPU、RAM、EPROM和硬盘等的供电端,所以无论多高的零地电压都根本不可能对数据系统造成任何影响。

有必要指出的是IT负载电源输出的12V纯净直流电压,就是经第三级高频逆变器的高频变换得到的,其变换频率通常高达50KHZ~150KHZ,远高于高频机UPS的变换频率,所以高频变换是IT电源自身的根本,IT负载本身就是一台典型的“高频机”。

还可以从其它很多方面说明零地电压形不成干扰的问题。这个问题在我国电信系统已经解决,零地电压的1V禁令也被否定。甚至10V的零地电压也可在电信系统机房畅行无阻。

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