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谈高频机型UPS的零地电压问题

文章发布时间:2011-09-13 10:06来源:upsclan.com 作者:upsclan 关注次数:

1.关于高频机型UPS的零地电压问题
  
  一次偶然的机会,我看到了一本关于建设数据中心时如何选择设备的白皮书,据说这本白皮书颇具权威性,可以说是候补国标。当翻阅本书至有关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的零地电压为1.710V,而工频机型UPS的零地电压都小于1V。不禁心生疑惑,时至今日,高频机型UPS发展到这么多年怎么会有这么糟糕的指标?现在绝大多数的数据中心机房建设都要求UPS的零地电压小于1V,如果高频机型UPS有这样的零地电压指标恐怕没有几个用户会采用。那么具有这种指标的高频UPS是个别现象呢,还是具有普遍性呢?至少从该白皮书上看还是具有普遍性。白皮书中说“一般会在1.7∼10V”之间,关键问题是那么多厂商生产的高频机零地电压指标都是如此的高吗?据了解,那只是个别厂家的不成熟产品初期才会有这种现象。因此,这不能一概而论,并不代表其他厂商生产的高频机也是如此。
  
  据权威调查机构赛迪顾问报告显示,高频机型UPS的销售额从2006年的12亿元增加到2010年的21.1亿元,上升了近76%;而工频机型UPS销售额则由2006年的14.1亿元下滑到2010年的12.7亿元,下降了近10%。高频机型UPS销售额这么高,说明用户还是普遍接受的。如果零地电压指标不合格,那么高频机型UPS是如何进入用户机房的?又是如何验收通过的?因为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。其实,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,而在笔者参加所有检测验收的数据中心机房中,不论是高频机型UPS还是工频机型UPS,其最终的零地电压也都在1V以下。这么看来上述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,而且也是很好解决,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,在用户的要求下采用很简单的措施,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降到了0.4V。
  
  就是说,在实际中高频机型UPS的零地电压只有个别的不成熟产品才大于1V。而且零地电压再高,采取相应的措施也很容易降下去,根本不算什么问题。那么,高频机型UPS的零地电压问题作为与工频机型UPS比较的一个劣势写在这本白皮书里就没有什么必要了。
  
  2.零地电压的产生机制
  
  交流市电零地电压如图1所示,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
  
  IN=Ia+Ib+Ic(1)
  
  零线上的电压UR就是零线上的电流和零线电阻的乘积,即
  
  UR=INR(2)
  
  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。  

谈高频机型UPS的零地电压问题
 


                                     图1 交流市电零地电压图
  
  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的零地电压更是很容易地做到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,由于配电的关系,在远离UPS输出的地方测试零地电压也许会高一些,但这不是UPS的问题;也有的原来没安装UPS前的零地电压就高,这也不是UPS的问题。工频机型UPS由于有隔离变压器,零地电压高可以用变压器次级接地来解决。
  
  3.零地电压并不是因为工作频率的升高而抬高的
  
  有人说高频机型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。比如某品牌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情况下的重量仅为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差不多,一般不超过10kHz,只有少数做到了15kHz。只有100kVA以下的高频机型UPS才可真正做到20kHz以上。图2示出了UPS滤波器解调原理图,此图中无论高频机还是工频机,二者逆变器的工作原理都一样。在许多产品中是一样的,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。
  

谈高频机型UPS的零地电压问题
 


                                      图2 UPS滤波器解调原理图
  
  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N,与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端,至于后面接不接变压器无关紧要。不过对工频机UPS而言,由于其逆变器是全桥电路,就必须添加变压器,否则就没法使用。
  
  4.零地电压对负载正常运行不会构成威胁
  
  构成*的三大因素是*源、传递*的途径和受*的设备,缺一就形不成*。实际上零地电压就根本不是*源,就像下水道中的污水一样,不会对流入下水道以前的自来水造成任何污染。再从传递*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*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。


  

谈高频机型UPS的零地电压问题
 


                                        图3  IT负载内部电源结构原理图
  
  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50~150kHz,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威胁的问题。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,甚至高达10V的零地电压也可在电信系统机房畅行无阻。
 

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