關(guān)于UPS輸出功率因素

1、關(guān)于UPS “輸出功率因數(shù)”的探討 2010-10-20 10:08出處：機(jī)房360作者：佚名【我要評(píng) 論】導(dǎo)讀有一種錯(cuò)誤的解讀，認(rèn)為"UPS的輸出功率因數(shù)越高越好"。事實(shí)上，負(fù)載(輸入)功率因數(shù)越低，則 UPS帶非線性負(fù)載的能力就越強(qiáng)，若UPS的輸出能力能夠做到從超前的-0.0到滯后的+0.0,那么這臺(tái)UPS就可以帶任何性質(zhì)的負(fù)載了。第 1 頁(yè)幾個(gè)需要澄清的概念第 2 頁(yè)關(guān)于 "高頻機(jī) "ups 的負(fù)載功率因數(shù) 1 幾個(gè)需要澄清的 概念在 ups 市場(chǎng)推廣中，常有一些習(xí)慣性的不規(guī)范的技術(shù)用語(yǔ)，有些說(shuō)法很容易引起用戶 的誤解，更有甚者，還會(huì)在市場(chǎng)營(yíng)銷活動(dòng)

2、中將其變?yōu)椴徽?dāng)競(jìng)爭(zhēng)的手段，因此有必要予以 澄清。1.1 關(guān)干 kVA 與 kW國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T7260.3(對(duì)應(yīng)于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC62040一 3)關(guān)于UPS的容量標(biāo)度有著明確的定義：(1) 輸出表觀功率 (或視在功率 )(outputapparentpower): 輸出電壓方均根值與輸出電流方 均根值之積 (即有效值之積 )。(2) 額定輸出表觀功率 (atedoutputapparentpower): 制造廠商申明的，持續(xù)輸出的表觀 功率 (或視在功率 )。(3) 額定輸出有功功率 (atedoutputactivepower): 制造廠商申明的輸出有功功率由此可見(jiàn)，UPS產(chǎn)品的說(shuō)明書或

3、技術(shù)文件應(yīng)該以kVA/kW進(jìn)行標(biāo)度，而不是以 kVA/功率因數(shù)(PF)來(lái)標(biāo)度。1.2關(guān)干ups"輸出功率因數(shù)"與"負(fù)載功率因數(shù)對(duì)于電源系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，沒(méi)有固定的輸出功率因數(shù)，所謂的電源輸出功率因數(shù)事實(shí)上是指 用電負(fù)載的輸入功率因數(shù)，或是一組負(fù)載所獲得的合成功率因數(shù);而負(fù)載的輸入功率因數(shù)一旦在產(chǎn)品制造出來(lái)以后，便是相對(duì)固定的，或是隨負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)而變化的，例如UPS的輸入功率因數(shù)在不同的負(fù)載率條件下就是一個(gè)變化的量值，而額定標(biāo)度是指100%負(fù)載率下的輸入功率因數(shù)值對(duì)于UPS來(lái)說(shuō)，由于它具有雙重的身份，面對(duì)前級(jí)供電的變壓器、發(fā)電機(jī)等，它是這 些電源的負(fù)載，因此其輸入功率因數(shù)是

4、需要標(biāo)度的;但當(dāng)它面對(duì)用電負(fù)載時(shí)，它又是供電的電源，與其它交流電源系統(tǒng)是相同的，即沒(méi)有固定的輸出功率因數(shù) ;當(dāng)它為不同類型的負(fù)載 供電時(shí)，所輸出的表觀功率（kVA）和有功功率（kW）是隨著負(fù)載的用電需求而變化的。因此在 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中并沒(méi)有 UPS"輸出功率因數(shù)"一詞的定義。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T7260.33.5條"輸出值"中的定義為:（1）負(fù)載功率因數(shù) （loadpowerfactor） ：在假定理想正弦電壓下，用有功功率對(duì)表觀功率 之比所表示的交流負(fù)載特性。 （注:為實(shí)用需要，在制造廠商的技術(shù)參數(shù)表中，可能規(guī)定為 包含諧波分量的總負(fù)載功率因數(shù)。 ）由此可見(jiàn)

5、，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中并沒(méi)有使用UPS"輸出功率因數(shù)"這一概念，所謂的UPS"輸出功率因數(shù)-實(shí)際上是把"負(fù)載（輸入）功率因數(shù)-誤認(rèn)為是UPS的輸出功率因數(shù)， 或是把UPS的"額定輸出有功功率"與"額定輸出表觀功率"之比作為UPS的輸出功率因數(shù), 這是一種誤解。由于UPS輸出能力的局限性，它不可能同時(shí)滿足任意性質(zhì)負(fù)載的要求，通常是約定以 它主要的供電對(duì)象計(jì)算機(jī)類負(fù)載的輸入功率因數(shù)作為其電路設(shè)計(jì)時(shí)限定的最佳輸出能力， 當(dāng)負(fù)載的功率因數(shù)大于或者超前于UPS電路設(shè)計(jì)時(shí)限定的最佳輸出能力時(shí)，UPS就沒(méi)有能力輸出最大額定功率

6、了，這就是所謂的 "功率折算 "或 "降容使用 "問(wèn)題。有一種錯(cuò)誤的解讀，認(rèn)為 "UPS的輸出功率因數(shù)越高越好-。事實(shí)上，負(fù)載（輸入）功率 因數(shù)越低，則UPS帶非線性負(fù)載的能力就越強(qiáng)，若UPS的輸出能力能夠做到從超前的-0.0到滯后的+0.0,那么這臺(tái)UPS就可以帶任何性質(zhì)的負(fù)載了，因?yàn)?0.0 一 +0.0的功率因數(shù)包括了功率因數(shù)從0 1之間的任何性質(zhì)的負(fù)載，但這樣的UPS其成本必然會(huì)很高，缺乏實(shí)際的應(yīng)用市場(chǎng)。所以 UPS的輸出能力只要能夠滿足所供電的負(fù)載阻抗特性和容量即可，而 無(wú)需一味地追求高功率因數(shù)。1.3關(guān)干功率因數(shù)PF與位移因數(shù)cos

7、0根據(jù)GB/T7260.33.3條"一般的規(guī)定值"中關(guān)于"功率因數(shù)"和"位移因數(shù)"的定義:(1)功率因數(shù) (Powerfactor) ：有功功率對(duì)表觀功率之比(2)位移因數(shù)(displa此mentfactor):功率因數(shù)的位移分量，基波有功功率對(duì)基波表觀功 率之比。位移因數(shù)即是俗你的 COS0，它所表示的只是負(fù)載基波或線性部分的特征，而不包含 負(fù)載的諧波部分。在線性電路中,其定義為:輸人電壓與電流之間相位差的余弦函數(shù)值, 即 PF=Pw/Ps=cos)式中:PF為輸入功率因數(shù)(PowerFactor);Pw 為輸入有功功率PS為輸入視

8、在功率0為輸入電壓基波與輸人電流基波之間的相位差但是，在含有諧波成份的非線性電路中，輸人電壓與輸人電流的相位差并不是輸入功 率因數(shù)（PF）（氐的主要原因。事實(shí)上，輸人交流電壓的基波與電流的基波之間并沒(méi)有明顯的 相位差（COS0Q I），例如在整流濾波輸入電路中，真正造成輸入功率因數(shù)降低的原因是各次 諧波電流形成的失真功率 （DiStonionPOWer）。如果把0定義為電壓U與基波電流11之間的相位移，則上式應(yīng)改寫為:Pw 為輸入有功功率PS為輸入視在功率U 為輸入正弦波電壓有效值I1 為輸入電流基波有效值0 為輸入電壓基波與輸人電流基波之間的相位差COS0 定義為位移功率因數(shù) (PhaSe

9、DiSpIa Cement POWer FaCtOr);IR 為輸入總電流有效值，且有上式定義了非線性電路的輸入功率因數(shù)是電壓電流基波相移的余弦值與輸人電流失真系數(shù)的乘積。根據(jù)電流總諧波畸變THDI的定義，又可表示為：負(fù)載輸入功率因數(shù)的提高意味著要求UPS輸出更多的有功功率(kW)，而不再是更多的失真功率(DistortionPower)或表觀功率(kVA)。因此，在UPS的容量選擇時(shí)，考慮更多的也 是UPS輸出的有功功率(kW)，只要它能滿足負(fù)載容量即可，而不再像過(guò)去那樣過(guò)多地考慮 表觀功率 (kVA)。事實(shí)上，在某些工程實(shí)際的計(jì)算中經(jīng)常也用cosp，近似代替功率因數(shù) PF,這是因?yàn)樵谪?fù)載非

10、線性程度(例如THDI較小時(shí)，PF與cos價(jià)之間的誤差較小，例如：當(dāng)PF二0 8時(shí), 按照上述公式得到 THDI與cosp的關(guān)系如表1所示。1.4 關(guān)干容性負(fù)載人們習(xí)慣上常用容性負(fù)載來(lái)描述計(jì)算機(jī)、服務(wù)器類 IT設(shè)備的輸入特性。容性負(fù)載原是指在線性負(fù)載中輸入端電壓及電流均為正弦波時(shí)，其電流相位超前于電壓相位的負(fù)載。而 計(jì)算機(jī)、服務(wù)器作為交流電源的負(fù)載通常為開(kāi)關(guān)電源型負(fù)載 (SwitchingModePowerSupply) ， 是典型的非線性負(fù)載，輸入功率因數(shù)低主要是輸人電流諧波成分造成的，其輸入基波電壓 和電流并沒(méi)有明顯的相位差，只要降低輸人電流的諧波成分，輸入功率因數(shù)就會(huì)明顯提高， 所以簡(jiǎn)單

11、地用容性負(fù)載來(lái)描述計(jì)算機(jī)類設(shè)備的輸入特性并不是規(guī)范的說(shuō)法。2001 年以后，為滿足匝 C/EN 61000一 3一 2AMDl-2001 修訂標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)關(guān)電源型負(fù)載的 輸入端郡增加了功率因數(shù)校正(PFC的整流技術(shù)，如圖1所示。使得這些新型的計(jì)算機(jī)、服 務(wù)器的輸人電路特性發(fā)生了如下明顯的變化：(1)諧波電流大大降低：THDI從80%降低到20%;(2)m 輸入功率因數(shù)由原來(lái)的 0.65提高到 0.92負(fù)載輸入功率因數(shù)的提高意味著要求UPS輸出更多的有功功率（kW），而不再是更多的失真功率（Distortion Power）或表現(xiàn)功率（kVA）。因此，在UPS的容量選擇時(shí)，考慮更多的也 是UPS輸出

12、的有功功率（kW），只要它能滿足負(fù)載容量即可，而不再像過(guò)去那樣過(guò)多地考慮 表現(xiàn)功率 （kVA）。圖I具有PFC功能的開(kāi)關(guān)電源輸入電路2關(guān)于"高頻機(jī)"ups的負(fù)載功率因數(shù)無(wú)變壓器輸出的UPS俗稱一一"高頻機(jī)"，是一種新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的 UPS由于大功率半 導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的成熟，以及微電子控制技術(shù)的發(fā)展，使得取消UPS內(nèi)部笨重、昂貴的逆變電路變壓器已經(jīng)成為可能，因此大功率（200kVA以上）無(wú)變壓器輸出的 UPS成為UPS生產(chǎn)廠商競(jìng)相發(fā)展的新目標(biāo)，并且將逐漸成為大功率UPS市場(chǎng)的主流產(chǎn)品。2.1 UPS對(duì)負(fù)載功率因數(shù)的響應(yīng)曲線無(wú)變壓器輸出的大功率 UPS大多數(shù)是2

13、001年以后設(shè)計(jì)定型的產(chǎn)品，為滿足 IEC/EN61000-3-2AMDI-2001 修訂標(biāo)準(zhǔn)的要求，其輸出端能夠承受較高的負(fù)載功率因數(shù)，這 種UPS的特點(diǎn)是：在負(fù)載功率因數(shù)為0.8滯后到0.9超前時(shí)，輸出有功功率 kW數(shù)基本上保持不變，而表觀功率 kVA是隨負(fù)載功率因數(shù) PF的不同而變化的，如圖 2所示。圖2 UPS輸出對(duì)負(fù)載功率因數(shù)的響應(yīng)曲線由于新型IT設(shè)備的實(shí)際輸入功率因數(shù)大多為超前的0.92 0.95，因此考慮UPS輸出容量時(shí)，通常選用負(fù)載的有功功率（kW）來(lái)累計(jì)估算，再除以0.8或0.9（按照制造廠商申明的）作為選擇UPS的依據(jù)，即可得到 UPS的額定輸出容量（kVA）。2.2關(guān)于U

14、PS輸出的功率折算（Derating）UPS輸出容量的功率折算是與諸多因素有關(guān)的，例如：負(fù)載的輸入功率因數(shù)、負(fù)載的 供電電壓（UPS輸出電壓）、UPS的運(yùn)行環(huán)境溫度、海拔高度等。（1）負(fù)載輸入功率因數(shù)的影響表2所標(biāo)注的功率因數(shù)均為負(fù)載的輸入功率因數(shù)PF,而不是COS0。例如對(duì)于某一個(gè)高頻機(jī)：500kVA/400V/50Hz的UPS來(lái)說(shuō)，當(dāng)負(fù)載功率因數(shù)變化時(shí),UPS實(shí)際輸出的kVA/kW數(shù)值也會(huì)變化，參見(jiàn)表 2。事實(shí)上，其功率折算遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于同等電壓 /頻率的具有變壓器輸出的 UPS參見(jiàn)表3由此可見(jiàn)，無(wú)變壓器輸出的UPS通常是按照"kW/kVA"=0.9設(shè)計(jì)的，因此具有更高的承受

15、超前功率因數(shù)負(fù)載的能力，即對(duì)超前功率因數(shù)負(fù)載所需要的功率折算較少（折算系數(shù)大 ），而傳統(tǒng)的有變壓器輸出的UPS是按照"kW/kVA"=0.8設(shè)計(jì)的，因此對(duì)超前功率因數(shù)負(fù)載的承受能力就要小一些，即功率折算要大一些（折算系數(shù)小 ）。（2）負(fù)載輸入電壓的影響負(fù)載的輸人電壓與 UPS的輸出電壓是需要匹配的。按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，常用的 50Hz交流 電壓分為：380V/400V/415V，當(dāng)然還有其它等級(jí)的電壓應(yīng)用，例如船舶的460V電壓等，總之額定電壓不超過(guò)交流1000V。對(duì)于UPS來(lái)說(shuō)，在規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)輸出容量之后，電壓等級(jí)越高的UPS其功率折算顯得越小，這是因?yàn)閁PS容量一旦確定，功率器

16、件的額定電流隨之確定，如果選擇的輸出電壓 較低，則通過(guò)功率器件的電流就較大，功率折算因此也較大。例如380V較400V的電壓低5%,則輸出電流就要高出 5%,功率折算也會(huì)與 400V的相差5%,而400V較415V的電壓 低約 3.6%，則輸出電流也高出 3.6%，功率折算也會(huì)相差 3.6%，參見(jiàn)表 4。由此可見(jiàn)，UPS實(shí)際輸出的表觀功率和有功功率都與負(fù)載的輸人電壓成比例地變化, 即功率折算與負(fù)載電壓有關(guān),其根本原因在于功率器件產(chǎn)生的焦耳熱 (I2t) 。UPS運(yùn)行溫度的影響由于功率器件的選擇都是在一定的環(huán)境溫度條件下設(shè)計(jì)的，例如有些UPS設(shè)計(jì)的連續(xù)運(yùn)行溫度為20C，而有些UPS卻設(shè)計(jì)為35C。對(duì)于不同的運(yùn)行溫度，UPS的功率折算也是不同的。例如對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)溫度為35C連續(xù)運(yùn)行的UPS來(lái)說(shuō)，其溫度折算系數(shù)為：每降低10C時(shí)，輸出容量增加 5%。例如，對(duì)于500kVA UPS來(lái)說(shuō)，當(dāng)運(yùn)行溫度從