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作為現代通信系統及計算機網絡主要的供電設備，UPS的輸出電氣指標共有十余項，本文就輸出功率因數(PF)一項指標進行較詳細的討論，并介紹此項指標的測試方法。 UPS的輸出功率因數是多數用戶較為關注的技術指標之一，因為UPS輸出功率因數的高、低將直接影響對各種負載(如感性、容性及整流非線性負載)的驅動能力。交流供電設備的輸出容量是以伏安(VA)為單位來表示的，即供電設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在標明輸出容量的同時還標明了輸出功率因數。目前國內市場上銷售的進口或國產UPS的輸出功率因數一般在0。6～0。8之間。對于UPS輸出功率因數，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的評價。一些UPS用戶或銷售人員認為輸出容量PS與功率因數PF的乘積就是UPS的實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雖然沒有錯誤，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。現代計算機網絡系統及自動化控制系統中的大部分交流用電負載為非線性負載，其中以整流非線性負載居首位，在自動化控制系統中也常有具有鐵芯的感性非線性負載，如變壓器、交流電動機等。這些用電負載正常工作時不僅需要有功功率P，而且還須UPS在輸出電壓波形無明顯失真狀態下提供負載必須的無功功率PQ才能確保用電負載正常工作。UPS對負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。 每個交流用電負載視其阻抗特性的不同，其功率因數的表達方式也不相同，功率因數有兩種表達方式:相移功率因數cosφ和失真功率因數PFD。 相移功率因數一般產生在線性負載上，如容性或無鐵芯電感負載等。由于負載上正弦電壓與正弦電流的相位不同而產生了相移功率因數，相位角φ的余弦值即為相移功率因數，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載所引起的附加諧波電流。 圖1線性負載相移功率因素示意圖 失真功率因數主要產生在二極管整流、可控硅整流和帶有鐵芯的感性非線性負載上。二極管整流及鐵芯感性非線性負載上的相移功率因數一般都比較高，如交流異步電動機的相移功率因數一般在0。9左右，二極管整流非線性負載的相移功率因數一般可達0。98～0。99。但由于這兩種負載工作時會產生較大的諧波電流，如圖2所示。由于負載中有諧波電流而沒有與之對應的諧波電壓，所以諧波電流在輸入電壓的一個周期內的平均功率為零，諧波電流只是在UPS輸出端與負載之間進行無功交換。尤其是二極管整流非線性負載產生的諧波電流與基波電流幾乎相等。 失真功率因數的定義為： PFD＝VI1／VIT＝I1／IT＝I1／√I12+I22+I32+I42+…… (1) 式中I1—基波電流的有效值； IT—包含基波電流在內的總諧波電流有效值； 由式(1)可看出當不含基波電流I1在內的各次基波電流有效值為零時，失真功率因數PFD＝1。二極管整流非線性負載的失真功率因數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。 當用電負載的電壓與電流既有相位差φ又有諧波電流時的功率因數稱為總功率因數PFT。總功率因數PFT與相移功率因數cosφ和失真功率因數PFD之間的關系為： PFT=cosφ×PFD (2) 公式(2)適用于各種類型的負載。UPS所標明的輸出功率因數即為總功率因數PFT，也有用cosφ來表示UPS的總功率因數，這只能說是對cosφ功率因數的一種廣義理解。UPS即然是重要的交流供電設備就應該滿足不同阻抗特性或針對某種阻抗特性負載的要求。即在提供有功功率的同時還必須提供負載所需要的無功功率。所以UPS的輸出功率因數不僅是用來表明輸出有功功率的指標，同時還是表示UPS輸出無功功率的指標。經大量的測試發現，確有一些小容量(3kVA～5kVA)的UPS在用阻性負載測試時，其輸出有功功率和輸出電壓波形失真度均符合標準要求。但改用與其輸出功率因數相符合的二極管整流非線性負載測試時，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UPS產生電磁振蕩及囂叫聲。這種現象說明UPS不足以提供負載所需的諧波電流，導致UPS與負載都不能正常工作。 由此可見，在考核UPS輸出能力時不能只用阻性負載測試UPS的輸出有功功率，還需用與UPS輸出功率因數相適應的二極管整流非線性負載、帶有鐵芯的感性負載和電容性負載分別進行輸出功率因數的測試。只有這樣才能全面考核UPS對各種阻抗特性的負載的驅動能力。 關于如何評價UPS的輸出功率因數這項指標，主要還是根據UPS所帶負載的阻抗特性來評價，不能一概而論。一般中小容量(約20kVA以下)UPS的負載大多數是PC機、小局域網及服務器或小型計算機，這些負載的輸入電路一般都是二極管整流非線性負載，相移功率因數cosφ可高達0。98～0。99，但失真功率因數PFD較低，一般只有0。65左右，所以這類負載的總功率因數為0。6～0。7。選擇UPS時在保證輸出容量滿足負載要求的前提下，輸出功率因數為0。6～0。7都是較為適合的。對大型UPS來說負載情況比較復雜，其三相輸出的負載阻抗特性分布也不盡相同，所以要根據負載的具體情況來選擇UPS的輸出功率因數。現在也有輸出適應能力很強的UPS，其輸出功率因數范圍可做到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的造價和售價都是較昂貴的。 UPS輸出功率因數的測試是比較復雜的，所以只有一些規模較大的專業生產廠家才有可能進行這項指標的全面測試。如果UPS的輸出功率 因數指標后面沒有表明“超前”或“滯后”就意味著此臺UPS對感性或容性負載都適用。輸出功率因數后面標明“超前”者適用于容性負載，反之適用于感性負載。UPS的大多數負載是感性或二極管整流非線性負載，下面簡單介紹這兩種負載條件下的輸出功率因數測試方法。 帶有鐵芯的感性負載測試電路如圖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負載電阻之和。負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。調節電阻R或電感L值可改變相位角φ使cosφ與UPS的輸出功率因數相等。負載阻抗Z=√R2+(ωL)2，負載中的電流I=U／Z，負載上的視在功率PS=U×I=U2／Z。待負載容量及功率因數滿足測試條件時，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到標準要求。測試電路中電阻R的允許耗散功率WR應滿足WR＞U／Z×R，電感線圈導線截面積可按5A／mm2參考計算。 二極管整流非線性負載的測試電路如圖4所示。圖中電阻RS是模擬電源線的壓降，同時也可通過調節RS、電容C及負載電阻RL的值使非線性負載的功率因數在小范圍內變化。當RL與C的時間常數為0。15s、RS上的功率是視在功率的4％時，此非線性負載的功率因數為0。7。當UPS輸出容量及非線性負載的功率因數滿足測試條件時，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到標準要求。 對于通信行業所使用的UPS的主要容量負載為管整流非線性負載，所以對UPS輸出能力測試時使用二極管整流非線性負載是較接近UPS實際使用狀態的。 |
