(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

▲(a) 高频机结构UPS高次谐波滤波电流路径

▲(b)工频机结构UPS高次谐波滤波电流路径

　　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IA= IB= IC。 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IA和IB的矢量和IAB=-IC，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IB= IC > IA。可以看出，此时IA和IB矢量和的绝对值êIABê=ê-ICê， 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IA= IB , IC=0。从图中矢量和可以看出IA和IB的矢量和êIABê=êIAê= êIBê，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。

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　　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。

　　还有的说什么零地电压可导致后面的数字机器出现误码或丢码。这又是一个基本概念问题。众所周知，UPS供出的交流电压是给包括计算机在内的电子设备内部电源的，这个内部电源的任务就是将交流电压变换成内部电路所需的直流电压，而且电子设备的内部电路只和本机的电源打交道，所以本机电源的质量好坏才直接影响着本机电路的工作质量。用电机器的误码不误码和UPS没有任何关系!因为那是用电设备机内电源的事情。

　　所以在这里零地电压不是干扰源。

　　(2)传递干扰的通道：零地电压是如何传递到负载机器上去的

　　退一万步说，假设零地电压是干扰源，现在看一看它如何能加到负载上去。图9给出了零地电压的等效电路。在这里取出UPS中的一相电压UA作为例子。将零线上的分布电阻用集中参数RN代替，负载电阻是RL，于是负载和零线就是跨接在电源UA两端的两个串联的阻抗。

　　两个阻抗上的电压之和就是电源电压，即：

　　UL +UN=UA (5)

　　两个电阻上流过同一个电流Ia，由于零线敷设完毕后，零线电阻就是个不变的定值，就是电阻负载，对外不会产生任何影响。当然会有人说：流过零线的还有谐波电流，如图中虚线箭头所示。是的，尽管有谐波电流流过，尽管也会使零线上压降有所变化，一方面与220V相比是微乎其微，另一方面它的流向如虚线箭头所示，也不会返回头去倒流到负载。零线上电压降的变化对负载没有任何影响，零线对地的电位就好像浮在水上的船，负载就好像坐在船上的人，无论水平面如何让波动，水涨船高，坐在船上的人本身不会受影响。

　　还会有的人提出：既然RL和RN是分压关系，会不会由于RN上分压太多而影响负载的正常工作呢?一般说任何负载都允许输入电压变化±10%，而220V的±10%就是±22V!在零

▲图9 零地电压的等效电路

　　线上出现22V的压降几乎是不可想象的，如果真有这么大的零线压降那肯定是出问题了。因为在UPS机柜范围内的零线汇流排上，正常情况下一般绝不会出现3V以上的压降，一般都小于1V。还有一种情况就是：由于UPS输出端的低通滤波器特性不好，有一部分高次谐波流入负载。其实这也无妨，负载机器的内置电源输入端都接有滤波器,首先将高次谐波拦截，第二级就是整流滤波器进行拦截，第三级就是直流变换器。这三道大门可将任何高次谐波甚至干扰关在门外或给予消灭。正因为负载机器内部电源具有如此强大的功能，莫须有的给零地电压扣上“干扰负载”的帽子，实在是无中生有。

　　就是说，没有任何一条通路能把零地电压和干扰加到负载上去。更何况零地电压不是干扰源。当然，空间干扰就是另一回事了，不属于这里讨论的范畴。