信息產(chǎn)業(yè)

　　作為現(xiàn)代通信系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)主要的供電設(shè)備，UPS的輸出電氣指標(biāo)共有十余項(xiàng)，本文就輸出功率因數(shù)(PF)一項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行較詳細(xì)的討論，并介紹此項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)試方法

　　UPS的輸出功率因數(shù)是多數(shù)用戶較為關(guān)注的技術(shù)指標(biāo)之一，因?yàn)閁PS輸出功率因數(shù)的高、低將直接影響對(duì)各種負(fù)載(如感性、容性及整流非線性負(fù)載)的驅(qū)動(dòng)能力。交流供電設(shè)備的輸出容量是以伏安(VA)為單位來表示的，即供電設(shè)備的輸出交流電壓的有效值與電流有效值的乘積，也就是我們所說的視在功率PS。

　　UPS的輸出容量是以視在功率VA來表示的，所有的UPS在標(biāo)明輸出容量的同時(shí)還標(biāo)明了輸出功率因數(shù)。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上銷售的進(jìn)口或國(guó)產(chǎn)UPS的輸出功率因數(shù)一般在0。6～0。8之間。對(duì)于UPS輸出功率因數(shù)，在一些用戶和UPS銷售商中存在一些不全面的理解或不恰當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)。一些UPS用戶或銷售人員認(rèn)為輸出容量PS與功率因數(shù)PF的乘積就是UPS的實(shí)際輸出功率或稱輸出有功功率P，即P＝PS×PF。這樣理解和解釋輸出功率因數(shù)雖然沒有錯(cuò)誤，但還很不全面，忽視了UPS輸出能力的另一方面即無功功率PQ的輸出能力。現(xiàn)代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的大部分交流用電負(fù)載為非線性負(fù)載，其中以整流非線性負(fù)載居，在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中也常有具有鐵芯的感性非線性負(fù)載，如變壓器、交流電動(dòng)機(jī)等。這些用電負(fù)載正常工作時(shí)不僅需要有功功率P，而且還須UPS 在輸出電壓波形無明顯失真狀態(tài)下提供負(fù)載必須的無功功率PQ才能確保用電負(fù)載正常工作。UPS對(duì)負(fù)載所提供的無功功率PQ是由除基波電流以外的各次諧波電流提供的。

　　每個(gè)交流用電負(fù)載視其阻抗特性的不同，其功率因數(shù)的表達(dá)方式也不相同，功率因數(shù)有兩種表達(dá)方式:相移功率因數(shù)cosφ和失真功率因數(shù)PFD。

　　相移功率因數(shù)一般產(chǎn)生在線性負(fù)載上，如容性或無鐵芯電感負(fù)載等。由于負(fù)載上正弦電壓與正弦電流的相位不同而產(chǎn)生了相移功率因數(shù)，相位角φ的余弦值即為相移功率因數(shù)，如圖1所示。從圖中可看出電壓u與電流I雖然有相位差，但兩者都是正弦波，電流波形中沒有由于負(fù)載所引起的附加諧波電流。

　　失真功率因數(shù)主要產(chǎn)生在二極管整流、可控硅整流和帶有鐵芯的感性非線性負(fù)載上。二極管整流及鐵芯感性非線性負(fù)載上的相移功率因數(shù)一般都比較高，如交流異步電動(dòng)機(jī)的相移功率因數(shù)一般在0。9左右，二極管整流非線性負(fù)載的相移功率因數(shù)一般可達(dá)0。98～0。99。但由于這兩種負(fù)載工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的諧波電流，如圖2所示。由于負(fù)載中有諧波電流而沒有與之對(duì)應(yīng)的諧波電壓，所以諧波電流在輸入電壓的一個(gè)周期內(nèi)的平均功率為零，諧波電流只是在UPS輸出端與負(fù)載之間進(jìn)行無功交換。尤其是二極管整流非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流與基波電流幾乎相等。

　　由式(1)可看出當(dāng)不含基波電流I1在內(nèi)的各次基波電流有效值為零時(shí)，失真功率因數(shù)PFD＝1。二極管整流非線性負(fù)載的失真功率因數(shù)PFD=0。6～0。7，由式(1)可以推算出除基波以外的各次諧波電流有效值之和是基波電流有效值的1。02～1。33倍。

　　當(dāng)用電負(fù)載的電壓與電流既有相位差φ又有諧波電流時(shí)的功率因數(shù)稱為總功率因數(shù)PFT。總功率因數(shù)PFT與相移功率因數(shù)cosφ和失真功率因數(shù)PFD之間的關(guān)系為：

　　公式(2)適用于各種類型的負(fù)載。UPS所標(biāo)明的輸出功率因數(shù)即為總功率因數(shù)PFT，也有用cosφ來表示UPS的總功率因數(shù)，這只能說是對(duì)cosφ功率因數(shù)的一種廣義理解。UPS即然是重要的交流供電設(shè)備就應(yīng)該滿足不同阻抗特性或針對(duì)某種阻抗特性負(fù)載的要求。即在提供有功功率的同時(shí)還必須提供負(fù)載所需要的無功功率。所以UPS的輸出功率因數(shù)不僅是用來表明輸出有功功率的指標(biāo)，同時(shí)還是表示UPS輸出無功功率的指標(biāo)。經(jīng)大量的測(cè)試發(fā)現(xiàn)，確有一些小容量 (3kVA～5kVA)的UPS在用阻性負(fù)載測(cè)試時(shí)，其輸出有功功率和輸出電壓波形失真度均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。但改用與其輸出功率因數(shù)相符合的二極管整流非線性負(fù)載測(cè)試時(shí)，UPS不但顯示過載告警而且輸出電壓波形失真度明顯增加，同時(shí)UPS產(chǎn)生電磁振蕩及囂叫聲。這種現(xiàn)象說明UPS不足以提供負(fù)載所需的諧波電流，導(dǎo)致UPS與負(fù)載都不能正常工作

　　由此可見，在考核UPS輸出能力時(shí)不能只用阻性負(fù)載測(cè)試UPS的輸出有功功率，還需用與UPS輸出功率因數(shù)相適應(yīng)的二極管整流非線性負(fù)載、帶有鐵芯的感性負(fù)載和電容性負(fù)載分別進(jìn)行輸出功率因數(shù)的測(cè)試。只有這樣才能全面考核UPS對(duì)各種阻抗特性的負(fù)載的驅(qū)動(dòng)能力。

　　關(guān)于如何評(píng)價(jià)UPS的輸出功率因數(shù)這項(xiàng)指標(biāo)，主要還是根據(jù)UPS所帶負(fù)載的阻抗特性來評(píng)價(jià)，不能一概而論。一般中小容量(約20kVA以下)UPS的負(fù)載大多數(shù)是PC機(jī)、小局域網(wǎng)及服務(wù)器或小型計(jì)算機(jī)，這些負(fù)載的輸入電路一般都是二極管整流非線性負(fù)載，相移功率因數(shù)cosφ可高達(dá)0。98～0。99，但失真功率因數(shù)PFD較低，一般只有0。65左右，所以這類負(fù)載的總功率因數(shù)為0。6～0。7。選擇UPS時(shí)在保證輸出容量滿足負(fù)載要求的前提下，輸出功率因數(shù)為0。6～0。7都是較為適合的。對(duì)大型UPS來說負(fù)載情況比較復(fù)雜，其三相輸出的負(fù)載阻抗特性分布也不盡相同，所以要根據(jù)負(fù)載的具體情況來選擇 UPS的輸出功率因數(shù)?，F(xiàn)在也有輸出適應(yīng)能力很強(qiáng)的UPS，其輸出功率因數(shù)范圍可做到0～1。也就是說此種UPS的輸出可由100％無功功率到100％有功功率。但這種UPS的造價(jià)和售價(jià)都是較昂貴的。

　　UPS輸出功率因數(shù)的測(cè)試是比較復(fù)雜的，所以只有一些規(guī)模較大的專業(yè)生產(chǎn)廠家才有可能進(jìn)行這項(xiàng)指標(biāo)的全面測(cè)試。如果UPS的輸出功率因數(shù)指標(biāo)后面沒有表明“超前”或“滯后”就意味著此臺(tái)UPS對(duì)感性或容性負(fù)載都適用。輸出功率因數(shù)后面標(biāo)明“超前”者適用于容性負(fù)載，反之適用于感性負(fù)載。UPS的大多數(shù)負(fù)載是感性或二極管整流非線性負(fù)載，下面簡(jiǎn)單介紹這兩種負(fù)載條件下的輸出功率因數(shù)測(cè)試方法。

　　帶有鐵芯的感性負(fù)載測(cè)試電路如圖3所示，圖中L為帶有鐵芯的電感線圈，R為電感線圈電阻與串聯(lián)負(fù)載電阻之和。負(fù)載電路中電流與電壓的相位角φ由電阻R與電感L決定，即φ=arctgωL／R。調(diào)節(jié)電阻R或電感L值可改變相位角φ使cosφ與UPS的輸出功率因數(shù)相等。負(fù)載阻抗 Z=√R2+(ωL)2，負(fù)載中的電流I=U／Z，負(fù)載上的視在功率PS=U×I=U2／Z。待負(fù)載容量及功率因數(shù)滿足測(cè)試條件時(shí)，用電力諧波分析儀觀察 UPS的輸出電壓、頻率及電壓波形失真度是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。測(cè)試電路中電阻R的允許耗散功率WR應(yīng)滿足WR＞U／Z×R，電感線圈導(dǎo)線截面積可按 5A／mm2參考計(jì)算。

電源線的壓降，同時(shí)也可通過調(diào)節(jié)RS、電容C及負(fù)載電阻RL的值使非線性負(fù)載的功率因數(shù)在小范圍內(nèi)變化。當(dāng)RL與 C的時(shí)間常數(shù)為0。15s、RS上的功率是視在功率的4％時(shí)，此非線性負(fù)載的功率因數(shù)為0。7。當(dāng)UPS輸出容量及非線性負(fù)載的功率因數(shù)滿足測(cè)試條件時(shí)，用電力諧波分析儀觀察UPS的輸出電壓、頻率及電壓波形失真度是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

　　對(duì)于通信行業(yè)所使用的UPS的主要容量負(fù)載為管整流非線性負(fù)載，所以對(duì)UPS輸出能力測(cè)試時(shí)使用二極管整流非線性負(fù)載是較接近UPS實(shí)際使用狀態(tài)的。