方案-UPS功率因數(shù)與負(fù)載的關(guān)系

1、UPS標(biāo)準(zhǔn)中功率因數(shù)的概念 由信息產(chǎn)業(yè)部制定的UPS通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YDT10952000通信用不間斷電源UPS中有兩處與功率因數(shù)有關(guān)的概念，即輸入功率因數(shù)和輸出功率因數(shù)。在1987年GB726087不間斷電源設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)“負(fù)載功率因數(shù)”有如下定義：理想正弦波電壓情況下，有功功率對(duì)視在功率之比。并在之后的技術(shù)要求中規(guī)定，在正弦波條件下，負(fù)載功率因數(shù)為0.70.9（滯后），額定為0.9。在1993年GBT1471593信息技術(shù)設(shè)備用不間斷電源通用技術(shù)條件標(biāo)準(zhǔn)中也提出了負(fù)載功率因數(shù)的概念，并在術(shù)語部分做出與1987年標(biāo)準(zhǔn)相同的解釋。但在之后的技術(shù)要求中，負(fù)載功率因數(shù)的指標(biāo)定為0.8。這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中，“

2、UPS功率因數(shù)”的概念還沒有出現(xiàn)，只對(duì)UPS負(fù)載的功率因數(shù)提出了不同的要求。這可能和當(dāng)時(shí)UPS的應(yīng)用不多，國內(nèi)對(duì)UPS的各項(xiàng)技術(shù)掌握不夠全面有關(guān)。UPS作為供電系統(tǒng)中的中間環(huán)節(jié)，它本身具有雙重性格：對(duì)于上一級(jí)供電設(shè)備（電網(wǎng)），它是一個(gè)交流負(fù)載；而對(duì)于下一級(jí)負(fù)載，它是一個(gè)交流電源，是電網(wǎng)的一部分。如果把UPS與UPS的負(fù)載當(dāng)成一個(gè)整體，作為上一級(jí)電網(wǎng)的交流負(fù)載出現(xiàn)時(shí)，它的功率因數(shù)由兩部分決定：UPS負(fù)載的功率因數(shù)和UPS的電路結(jié)構(gòu)形式。這時(shí)的功率因數(shù)，我們現(xiàn)在叫做“UPS輸入功率因數(shù)”。后備式和在線互動(dòng)式UPS的輸入功率因數(shù)等于UPS輸出負(fù)載的功率因數(shù)，他們本身不產(chǎn)生附加的功率因數(shù)失真。傳統(tǒng)雙變

3、換在線式UPS由于輸入側(cè)的變換器是整流濾波電路，它的輸入功率因數(shù)較低，小于0.8，并且和UPS輸出端的負(fù)載性質(zhì)無關(guān)。雙變換式UPS附加有源功率因數(shù)校正電路（PFC）后，輸入功率因數(shù)可達(dá)0.99，且不受UPS輸出端負(fù)載性質(zhì)影響。在2001年YDT10952000通信用不間斷電源UPS標(biāo)準(zhǔn)中，使用了輸入功率因數(shù)的概念，在電氣性能技術(shù)要求中，分三個(gè)等級(jí)分別給出了指標(biāo)，并提出了試驗(yàn)方法。另一個(gè)概念，“輸出功率因數(shù)”也出現(xiàn)了在電氣性能技術(shù)要求中給出指標(biāo)：輸出功率因數(shù)0.8。并在輸出功率因數(shù)的試驗(yàn)方法中提到：“調(diào)節(jié)非線性負(fù)載的輸入功率因數(shù)在小范圍內(nèi)變化，由電力多功能分析儀測得非線性負(fù)載的輸入功率因數(shù)應(yīng)符合

4、技術(shù)要求的規(guī)定，并使得UPS輸出達(dá)到額定容量，UPS能正常工作?！憋@然在這里測得的數(shù)據(jù)是UPS負(fù)載的功率因數(shù)，這個(gè)數(shù)據(jù)的范圍是用來衡量UPS輸出能力大小的。首先，功率因數(shù)這個(gè)概念是針對(duì)負(fù)載而言的，非線性負(fù)載中，電流和電壓出現(xiàn)相位差，導(dǎo)致負(fù)載和電源間吞吐互換的無功功率，功率因數(shù)cos反映了負(fù)載從電源中獲取有功功率的能力。對(duì)UPS來說，UPS的輸入功率因數(shù)反映了UPS從電網(wǎng)中獲取有功功率的能力，也可以衡量UPS對(duì)電網(wǎng)的污染程度。功率因數(shù)越大，獲取有功功率的能力越強(qiáng)，對(duì)電網(wǎng)的污染程度越小。UPS的“輸出功率因數(shù)”這個(gè)概念是衡量UPS輸出能力的一個(gè)指標(biāo)。顯然，這里UPS是作為負(fù)載的供電設(shè)備出現(xiàn)的，而功

5、率因數(shù)這個(gè)概念是專為負(fù)載量身定做的，它反映的是負(fù)載的某些性質(zhì)。于是我們借用功率因數(shù)的概念加上輸出兩字，來描述作為供電設(shè)備的UPS的輸出能力。例如，UPS的輸出功率因數(shù)的大小是由UPS負(fù)載的功率因數(shù)決定的，我們認(rèn)為負(fù)載功率因數(shù)越大，它獲得有功功率的能力越強(qiáng)，但是由負(fù)載功率因數(shù)決定的輸出功率因數(shù)越大，表示UPS的輸出能力越小。作為一項(xiàng)衡量UPS輸出能力的技術(shù)指標(biāo)，“由于UPS輸出能力有限，不可能滿足任意非線性負(fù)載的要求，約定以計(jì)算機(jī)類負(fù)載的輸入功率因數(shù)作為UPS的輸出功率因數(shù)指標(biāo)，約定0.8?！边@樣，用一個(gè)由UPS負(fù)載性質(zhì)決定，而不是由它本身決定的技術(shù)指標(biāo)，來衡量UPS輸出能力的好壞，而又以計(jì)算機(jī)

6、類設(shè)備為默認(rèn)的負(fù)載，那么輸出功率因數(shù)0.8這個(gè)指標(biāo)的意義不便于理解。輸出功率因數(shù)是一個(gè)容易引起岐義的概念，既然UPS輸出功率因數(shù)的大小由負(fù)載的功率因數(shù)決定，那么直接用負(fù)載功率因數(shù)的概念來衡量UPS的輸出能力更為清晰。如果使用輸出功率因數(shù)這個(gè)概念，就必須賦予它明確的定義。UPS功率因數(shù)及負(fù)載性質(zhì)UPS是針對(duì)計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備、控制系統(tǒng)等精密設(shè)備而設(shè)計(jì)制造的可靠電源系統(tǒng),適用于0中斷要求場合的應(yīng)用。使用UPS供電時(shí)需要注意負(fù)載性質(zhì)是否匹配,另外，有些負(fù)載是不可以使用UPS供電的。以下首先介紹幾個(gè)基本概念。1. 有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)及峰值因子的概念有功功率：可以轉(zhuǎn)化成其他形式能量（熱

7、、光、動(dòng)能）的能量。以P來表示，單位為W。一般來說，有功功率是相對(duì)于純阻性負(fù)載來說的。 無功功率：功率從能量源傳遞到負(fù)載并能反映功率交換情況的功率就是無功功率。以Q來表示，單位為Var。它的產(chǎn)生是由于感性負(fù)載、容性負(fù)載、以及電壓和電流的失真。這種功率可導(dǎo)致額外的電流損失。 視在功率：有功功率和無功功率的幾何之和（即平方和的均方根），它用來表示電氣設(shè)備的容量。以S來表示，單位為VA。 功率因數(shù)：正弦交流電壓與電流的相位差稱為功率因數(shù)角，以來表示，沒有單位，而這個(gè)功率因數(shù)角的余弦值稱為功率因數(shù)。它決定于電路元件參數(shù)和工作頻率，純電阻電路的功率因數(shù)為1，純電感電容電路的功率因數(shù)為0。功率因數(shù)cosi

8、ne=P/S。 峰值因數(shù)：如右圖所示，藍(lán)色正弦波為電壓波形，紅色為電流波形。峰值因數(shù)是指電流瞬時(shí)值的峰值與其有效值的比值。它用來描述沖擊電流。如果供電設(shè)備的峰值因數(shù)越高，表明設(shè)備抗沖擊能力越強(qiáng)。通常UPS的峰值因數(shù)為3：1，適合電腦等非線性負(fù)載在正常工作中的峰值因數(shù)要求。但當(dāng)沖擊較大時(shí)，UPS等供電設(shè)備的電流容量乘于3后還不足以滿足負(fù)載的瞬間電流要求。在這種情況下需要考慮增加供電設(shè)備的容量，從而提高電流提供能力。通常計(jì)算機(jī)負(fù)載在開機(jī)時(shí)會(huì)產(chǎn)生超出平常多倍的大沖擊電流。通常超過UPS的峰值因數(shù)提供能力，因此在選擇UPS容量時(shí)需要考慮負(fù)載波動(dòng)及沖擊余量，適當(dāng)增大UPS容量以抵御負(fù)載的波動(dòng)，選擇UPS

9、容量余量為： UPS容量(VA數(shù))：計(jì)算機(jī)負(fù)載容量(VA數(shù)) = 1：0.7而對(duì)于某些特殊負(fù)載而言，在起動(dòng)或工作過程中會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的沖擊電流，負(fù)載容量瞬間升高數(shù)倍(有時(shí)高達(dá)6倍)。對(duì)于此種負(fù)載應(yīng)在普通容量余量比例基礎(chǔ)上進(jìn)一步加大余量。正確的容量配比對(duì)UPS的正常穩(wěn)定工作及UPS的工作壽命影響很大，經(jīng)常工作在滿載或過載狀態(tài)下的UPS系統(tǒng)故障的機(jī)會(huì)源源高于正確容量配比的UPS電源。2. UPS負(fù)載性質(zhì)負(fù)載性質(zhì)的種類線性負(fù)載非線性負(fù)載阻性負(fù)載 或 功率因數(shù)已校正負(fù)載感性負(fù)載容性負(fù)載帶有電解電容的整流濾波型負(fù)載不同負(fù)載的主要特性選項(xiàng)電壓與電流相差沖擊電流電流失真功率因數(shù)峰值因數(shù)有功功率無功功率負(fù)載類型線

10、性阻性負(fù)載及功率因數(shù)已校正負(fù)載無中等無cos = 11.4100%無非線性帶有電解電容的整流濾波負(fù)載無高高cos0.722.8約70%約70%線性感性負(fù)載（電機(jī)、空調(diào)）有高無cos0.8約1.4約80%60%線性容性負(fù)載有高無cos1約1.4有有UPS禁止帶的負(fù)載空調(diào)：一般禁止使用UPS供電，因其起動(dòng)沖擊很大切屬于感性負(fù)載 激光打印機(jī)：應(yīng)選擇大余量UPS供電，因其工作過程中經(jīng)常產(chǎn)生沖擊電流 復(fù)印機(jī)、高速行打：同上 日光燈：應(yīng)選擇大余量UPS供電，因其起動(dòng)沖擊電流較大，且阻性成分高 電爐絲(純電阻負(fù)載)：需要選擇大余量UPS供電，因其為阻性負(fù)載 電動(dòng)機(jī)(感性負(fù)載)：需要選擇大余量UPS供電，因其

11、為感性負(fù)載，且起動(dòng)沖積很高3. 功率因數(shù)匹配及UPS選型問題絕大多數(shù)計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備、控制系統(tǒng)等精密設(shè)備采用開關(guān)電源作為主電源，因此根據(jù)以上關(guān)于負(fù)載性質(zhì)的論述，大多數(shù)計(jì)算機(jī)設(shè)備的輸入功率因數(shù)為微容性0.7。而UPS主要針對(duì)的負(fù)載正是這些只能精密設(shè)備，基于這樣的原因，所有的UPS設(shè)計(jì)均采用輸出功率因數(shù)匹配為0.70.8的參數(shù)，從而最大限度地發(fā)揮UPS的帶載能力。在功率因數(shù)匹配的情況下，即計(jì)算機(jī)負(fù)載的輸入功率因數(shù)為微容性0.7，而UPS標(biāo)定的輸出功率因數(shù)也為0.7時(shí)，負(fù)載的VA數(shù)與UPS的VA數(shù)比值為1：1。也就是說1VA容量的UPS在不考慮沖擊、曾容等余量因素時(shí)可帶1VA的此類負(fù)載。若功率因數(shù)不

12、匹配，例如電阻負(fù)載，1VA容量的UPS只能帶0.7VA的電阻負(fù)載，否則UPS會(huì)出現(xiàn)過載現(xiàn)象(即使UPS的VA數(shù)大于負(fù)載此時(shí)的VA數(shù))。 這里需要指出的是，一些UPS廠家宣傳的UPS輸出功率因數(shù)為01實(shí)際上是片面的，例如交互式UPS以及代有在線補(bǔ)償功能的三端口式UPS，當(dāng)有市電供電時(shí)可直接將負(fù)載通過變壓器供電或通過補(bǔ)償匹配UPS負(fù)載，此時(shí)可以匹配其它功率因數(shù)的負(fù)載，而當(dāng)市電停電時(shí)，UPS失去了補(bǔ)償功能，此時(shí)的UPS輸出功率因數(shù)匹配只能是一個(gè)值，而絕大多數(shù)廠家將該匹配點(diǎn)選在0.7左右。如果此時(shí)所帶負(fù)載功率因數(shù)不匹配超出UPS帶載能力范圍，UPS將過載停機(jī)或出現(xiàn)更加嚴(yán)重的故障。因此UPS在負(fù)載選擇問題上需要考慮功率因數(shù)匹配的問題。若負(fù)載為阻性或感性，應(yīng)適當(dāng)增大UPS容量。以下舉一實(shí)際例子，說明選擇UPS容量時(shí)應(yīng)考慮的功率因數(shù)方面的因素：就如上的負(fù)載狀況，根據(jù)功率因數(shù)概念及與UPS匹配因素。如上的負(fù)載容量總合不能簡單代數(shù)相加得出6.2kVA。正確的計(jì)算方法如下：將負(fù)載3的視在功率分為有功功率和無功功率兩部分有功功率部分為1400W無功功率部分為1430VarPLx=SLxcosQLx=SLx2-PLx2將負(fù)載4的視在功率分為有功