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ups逆变器功率因数越大越好吗


UPS功率因数越大越好吗

长期以来不论是UPS的供应商还是用户,在UPS功率因数问题上,一直是一个争论的焦点:用户声言要高功率因数的UPS,供应商也说这个因数越大越好,于是厂家就尽全力去提高这个因数。到底UPS的功率因数是大了好还是小了好呢?

UPS有两个功率因数值:输入功率因数和输出功率因数。输入功率因数表示UPS对电网有功功率吸收的能力及对电网影响的程度;输出功率因数表示UPS对非线性负载的适应能力。当然,对输入功率因数的要求是越高越好,而UPS的输出功率因数却不一定越大越好,现就这个问题进行讨论。

1 基本概念

·视在功率:即交流电压和交流电流的乘积。UPS说明书上的功率伏安值就是指UPS的额定输出电压和额定输出电流的乘积,用公式表示为:S = UI式中,S是UPS的额定输出功率,单位是VA(伏安);U是UPS的额定输出电压,单位是V, 如220V;380V等;I是UPS的额定输出电流,单位是A。

视在功率包括两部分:有功功率(P)和无功功率(Q)。

有功功率是指直接做功的部分。比如使灯发亮,使电机转动,使电子电路工作等。因为这个功率做功后都变成了热量,可以直接被人们感觉到,所以有些人就产生一个错觉,即把有功功率当成了视在功率,孰不知有功功率只是视在功率的一部分,用式表示:P = Scosθ = UIcosθ = UI·F式中,P是有功功率,单位是W(瓦);F = cosθ 被称为功率因数,而θ是在非线性负载时电压电流不同相时的相位差。

功率因数表征着UPS输出有功功率的能力。

·无功功率是储藏在电路中但不直接做功的那部分功率,用式表示:Q = Ssinθ = UIsinθ 式中,Q为无功功率,单位是var(乏)。

对于计算机和其它一切靠直流电压工作的电子电路,离开无功功率是根本无法工作的。

一般用户都认为计算机之类的设备只需要有功功率,而不需要无功功率。既然无功功率不做功,要它何用!于是他们当然就认为功率因数为1的电源最好。因为它能给出最大输出功率,当然也就认为UPS输出功率因数小了就不好。然而,实际情况并非如此。

假如有一台计算机,当交流市电输入后进行整流,就得到图1中UDC的脉动直流电压,若不将脉动电压进行任何加工,就直接提供给计算机电路,毫无疑问,电路根本无法正常工作。虽然这时计算机的功率因数接近于1,可这又有何用呢。为了让计算机电路能正常工作,必须向其提供平滑了的直流电压。这个平滑工作必须由接在计算机电源整流器后面的滤波电容器C来完成。这个滤波器就像一个水库,电容器里面必须储存足够数量的电荷,在整流半波之间的空白时,使电路上的工作电压仍不间断,能保持正常电平。换句话说,即使在两个脉动半波之间无输入电能时,Uc的电压电平也无显著的变化,这个功能是靠电容器内的储能来实现的,储存在电容器内的这部分能量就是无功功率。所以说,计算机是靠无功功率的支持,才能保证电路正确运用有功功率实现正常运行的。

因此可以说,计算机不但需要有功功率,也需要无功功率,两者缺一不可!

3 UPS的输出功率因数并不是越大越 好

UPS很少被用来照明或带电热器之类的线性负载,绝大多数用作像计算机或类似计算机的电子设备供电。这类设备一般都在内部设置了PWM电源,而这种电源的特点就是直接将输入市电整流滤波。如前所述,这些设备对市电(或UPS输出)构成了非线性负载,功率因数F=0.6~0.7。为了使UPS和计算机匹配,UPS最好也具有功率因数0.6~0.7的值,如美国的APC、瑞士的IMEL和IM061等都具有这样的输出功率因数。

功率因数是大了好还是小了好呢?为说明这个问题,可以看一下图2的逆变器。

输出特性与功率因数的关系,也就是UPS输出与功率因数的关系。

当功率因数F=1时UPS只能输出额定容量的80%,而且这是有功功率,这时的无功功率为0,对计算机这样的非线性负载而言,显然无法应用。

众所周知,一个电源输出最大功率的条件是电源内阻和负载电阻值相等。比如从理想和极端的情况看,1KVAUPS的负载电阻是R=U 2/P=2202/1000=48.4Ω那么电源内阻也是48.4 Ω,而且是纯电阻,莫说带脉冲负载,就是电流稍有变化,也会造成输出电压U的大幅度变化。比如电流增加1A,则输出电压就会下降:

U=48.4×1=48.4(V)因此像图1中电流I波形更无法适应。因为计算机向UPS索取的脉冲电流幅度为其平均电流的3倍以上。在这样的脉冲负载下,电源将无法正常供电。当然,这只是一个极端的例子,实际中情况要好得多。故功率因数F=1的情况下,如果这个因数只仅仅是1而无变化余地,那麽就只能带线性电阻负载,且过载能力较差。

总之,F=1的UPS,一般说来,对输入功率因数尚未校正过的计算机负载而言,没有什么实际使用价值。比如计算机功率因数取平均值0.65,设10KVA的UPS在F=1时仅能输出功率为8000W(VA),如果带40台功率为200W的计算机,乍看起来正好满载,其实不然,还有无功功率未计入,若计入后,视在功率S=P/F=8000/0.65=12308(VA)=1.23KVA 所以,上述情况已过载23%了。而且F为1时 ,UPS也并不能将100%的VA值变成W。如果简单地认为功率因数多大就能给出多大的所谓有用的有功功率,而无功功率是无用的,那么就误会了!

F=0.8及0.8以下时

以往的UPS都把功率因数作成0.8,其根据何在呢?由图2的曲线可以看出,在输出功率因数为0.8时,正好可以输出100%的额定功率VA值。由图2上也可以看出,当F=0.7时,可以输出114%的VA功率值,即负载功率因数越小,输出的VA功率值就越大。换句话说,对付非线性负载的能力也越强,而计算机恰恰是典型的非线性负载,而且功率因数在0.6~0.7之间,所以只有UPS的输出功率因数作成与其相应,才构成最佳配合。所谓最佳配合,是指在这种情况下,当有功功率用满了,同时无功功率也用满了时才能充分发挥设备的潜力。

功率因数0.8<F<1.0时由图2也可以看出,当功率因数F=0.9时,UPS只能输出

整个视在功率的89%。从使用角度看,应用于此范围的设备似乎不多,而且UPS的输出也打了折扣,因此意义不大。

这里讨论的主要是滞后功率因数,原因是绝大部分电子电路负载都是感性的。所以一般UPS不能带大容性负载,只有那些在说明书上特别标明有超前功率因数这一项的方可带容性负载。

实际上,UPS输出功率因数的真正含义是适应负载的能力,即能适应多大功率的负载。比如,在一定功率范围内,如果是线性负载,UPS的输出功率因数就是1;如果是计算机之类的非线性负载,UPS的输出功率因数就是0.6~0.7。也就是说,UPS的输出功率数F是随负载而变的。但需说明的是:如果UPS说明书上标明F=0.6~0.9或1,UPS就可适应上述0.6~1的负载。但若只标了一个0.9或1,就不一定能带满负荷的计算机负载。如果UPS的功率因数是超前0.0或滞后0.0,那么它就可以带全范围任何性质的负载。德国EGB公司的100和300系列5~200KVA及BENNING公司的5~120KVA的UPS就具有这样的功率因数。

因此UPS功率因数的技术含量在小而不在大,一般用户关心的功率因数就应当是0.8以下而不是以上。不然,在作电源容量设计时就会出错甚至会造成不易挽回的损失。比如有50套包括监视器在内的功率为180W的电脑总功率是180W×50=9000W选择UPS的功率应当是:P=9000W÷0.6 =15000VA为了留有余量,取F=0.6而不是0.65;根据上式应选15KVA的UPS一台但若按着错误的算法就会选一台功率因数大于0.9的10KVAUPS,UPS比正确值小了50%;肯定带不动上述电脑只好再买一台来增容。容量小事情好办若是把150KVA错买成100KVA,把300KVA错买成200KVA呢……

至于实现高功率因数难还是实现低功率因数难的问题,举个例子:F = ±0.0的含义是可带纯电抗负载,即负载上的电压和电流相位差是90°。也就是说电压过零时电流最大或者相反这就不是一般UPS可做到的。尤其是F=1的UPS。因为这要增加专门的电路和环节。功率因数为0.6时电压和电流的相位差虽不是90°也有57°之多同样存在增加电路环节的问题。因为上述负载意味着电压电流不同时过零,那么逆变器在哪一个零点截止呢,不增加电路环节肯定不行。反之,在F=1的负载上电流电压同时达到最大值同时过零因无相位差对逆变器而言就容易多了。可以这样说:小功率因数包含有大功率因数的特点而大功率因数的UPS就办不了小功率因数的事。当然有时F=0.8的UPS也可以带计算机那是在大马拉小车的情况下,当接近额定功率时就显出它的弊病了。

4 输入功率因数的补偿与效果

不论是输入功率因数还是输出功率因数都可用一定的手段提高。问题是有无这个必要。因为功率因数的补偿必然伴随着器材的消耗和功耗。比如IMV、 Fenton等多数 UPS,在通常情况下均采用6脉冲输入可控硅整流器,因此功率因数平均值只能作到0.8左右。提高功率因数的方法一是采用12脉冲整流器 , 如Sitepro Fenton等UPS作为选件的12脉冲整流器采用后,再加上无源滤波,由于极大地抑制了电流谐波分量由原来的近30%的谐波电流分量削减到10%以下因此功率因数都可提高到0.95以上。APC的SILCON DP300E系列UPS的出现就非常容易地解决了这个问题。

一般说,输入功率因数的提高对输入电网有利,因为它减小了对电网的干扰。对UPS来说,好处不明显。因为UPS需要多少功率仍是按照自已的方式和要求吸取,大概这也是一般UPS不急于解决这个问题的另一个原因。

另一方面,UPS的输出功率因数尽管上限做到,但电脑类负载中的PWM电源由于其输入功率因数未进行校正,故仍按照本身的需要向UPS索取能量。比如吸收0.6的有功功率(W)和0.8的无功功率(VAR)。只要UPS能适应这个负载,那么对F=1的线性负载就更没问题。

5 结语

UPS的输出功率因数是表示适应不同性质负载的能力,而不单是提供有功功率的百分比。UP

S输出功率因数为0.8的含义是:当负载功率因数为0.8时,就可以获得100%的UPS额定功率;当负载功率因数为0.6时,上述UPS的输出功率就会大打折扣。

输出功率因数F=1时只能给出80%额定输出的有功功率;F=0.8时才可输出100%

额定功率而且功率因数F越小,输出的视在功率的VA值就越大,F=0.0时最大。

小功率因数包含着大功率因数的功能,而不是相反。

计算机功率的计算一般应是:S =Pi / 0.65 ;i= 1~n;式中, S是n台电脑

的总视在功率VA值;Pi是1台电脑的有功功率W值;0.65是电脑功率因数为0.6~0.7时的平均值。如果电脑资料上标的就是视在功率VA值那么就去掉分母中的0.65,直接相加即可。

(5)UPS的输出功率因数大小随负载性质而变,并不是UPS要给负载输出什么性质的功率,而是负载需要什么性质的功率。UPS应该适应负载,而不是负载去适应UPS


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