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再谈功率因数对选择UPS容量的影响
作者:佚名            来源:             发布时间: 2014-02-08
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再谈功率因数对选择UPS容量的影响

中国电源工业协会专家委员会  王其英 

    一、“输出功率因数”称呼的来源 

对UPS而言,在其说明书上有两个功率因数值,一个是在“输入”栏目中,一个在“输出”栏目中。对应“输入”栏目的称作输入功率因数,比如6脉冲整流器输入的UPS的输入功率因数是0.8,12脉冲整流器输入的UPS的输入功率因数是0.9等。那么UPS的另外一个对应“输出”栏目的功率因数当然就叫输出功率因数。 

有些人并没有想这些问题,人云亦云,按照人家的叫法叫就是了。这样一来,“输出功率因数”这个词就叫开了。不但用户这么称呼、厂家这么称呼,甚至连参加制定标准的起草者也这么称呼。于是这个称呼又进一步升级为官称。 

实际上我国在十几年以前电子部标准化所关于电源中的词汇就出过一个中英文对照的标准。电源输出端的功率因数定义为“负载功率因数”,因文对照词是“Load Power Factor”,这个词是从国际标准上应用过来的。就目前国际上也没有“输出功率因数”(Output Power Factor)这个词。看来“输出功率因数”一词纯属国产。 

明眼人一看便知:这个功率因数是属于UPS的。既然如此,那就是说UPS在任何情况下都可以输出俺功率因数规定的有功功率。但在实际带线性负载时就给不出来,在一次电源学会年会上某测量认证机构就发表了一篇‘UPS的输出有功功率都不满足功率因数的要求’的文章,因为它在用电阻负载测量UPS输出有功功率能力时发现所有UPS都达不到要求,由此得出UPS输出能力不够的结论。 

在用户验收UPS输出能力时也是用电阻做假负载,由于给不出按功率因数算出的有功功率,就导致了供需双方的矛盾。 

二、“输出功率因数”称呼的误区 

功率因数从来就是表示负载性质程度的一个词。一般用F或PF表示,其数值是从0到1。比如功率因数是1,就表示这个负载是纯线性的;如果功率因数是0,就表示这个负载是纯非线性的;如果功率因数是0<F<1,就表示这个负载是非线性的,负载内既有线性成分又有非线性成分。功率因数既然表示的是负载性质,那就是输入端的数值。因为从输入端看进去负载的性质是唯一的,决不会出来两个值。UPS的性质也是唯一的,表征它的性质的那就是输入功率因数。比如对高频机型UPS9395来说,它的输入功率因数是0.99,它的负载功率因数是0.9,不能说9395的功率因数既是0.99又是0.9。对人来说也是一样,男孩就是男孩,女孩就是女孩。不能说从前面看是男孩从后面看又是女孩,但真正判断男女的方法都是看前面,机器的性质又何尝不是如此。 

比如UPS的输入功率因数是0.99,顾名思义,这个功率因数是属于UPS,从理论上说在任何情况下在输入端测量都是0.99,这就是它的唯一性。那么说UPS的“输出功率因数”是0.9,顾名思义,这个值当然也是属于UPS的,阿玛道理说也应该在任何情况下在输出端测量都是0.9。然而,又有谁能做得到呢。后面接上电阻负载时功率因数就是1,接上单相整流滤波负载时功率因数就是0.7,只有接上输入功率因数为0.9的负载时才会出现0.9的读数。这是为什么呢?原因很简单,原来测得的都是负载的功率因数。 

难道输出功率因数就真地侧不出来吗?如果非要测,可以测得出来,那必须空载测。因为一带载,测出的就是负载的功率因数。功率因数的计算表达式为:

由于空载时输出的有功功率PO和视在功率SO都为零,所以就有:

这是一个毫无疑义的数据,这更从侧面证明了所谓“输出功率因数”不存在的事实。 

那么UPS逆变器后面的这个功率因数又是做什么的呢?为什么会出现这样一个数值呢?这不得不从社会发展说起,在早些年的裁缝都是为顾客量体裁衣,一件一件地做。到了现代,人口增多,需求量大增,个人裁缝已不适应社会的发展需要,所以做衣服也必须走工业化和批量化的道路。这就提出一个问题:需要的人群有男有女有胖有瘦,按照什么尺寸做呢?于是就根据一般人群的衣服尺寸分成男装和女装,每一类又分成几个号码。对UPS而言这个男女就是功率因数,性质定下来了。尺寸号码就是规格。因为众多的电子产品性质是不同的,一台UPS不能满足所有产品性质和规格的要求,于是就根据一般电子产品的性质(输入功率因数)规定一些生产的产品类型与规格。 

换言之,UPS的这个功率因数是根据一般负载的普遍性质而定的一个大概的范围,这个功率因数是不是和实际负载的输入功率因数一样(匹配),谁也说不定。但以匹配为最佳,只有UPS的负载功率因数与实际负载的输入功率因数匹配时才能发挥它最好的性能。比如负载功率因数为0.8的10kVA容量的UPS只有带输入功率因数为0.8的负载时,才能给出8kW的有功功率和6kvar的无功功率。如图1所示,就是负载与“源”的关系。电源是市电的负载,IT又是电源的负载。 

三、“输出功率因数”误称的危害解析 

有的人就不理解,不就是个名词嘛,能有什么危害!其实不然,问题并不如此简单,并已经产生了不良后果,危害了别人的利益。 

原因是,如果按照正确的叫法:负载功率因数,人们决不会想到电源上去,很自然地会想到负载的需要。换言之,既然是负载功率因数,UPS的输出功率自然是按照负载的需要输出的。但如果按照这个错误的叫法:输出功率因数,那么就自然会认为UPS的输出有功功率不论在任何负载情况下都是固定不变的。于是误解产生了,比如就有人肯定地说:输出功率因数(一个不存在的系数)为0.8的400kVA UPS,在任何负载性质下都可以向负载输出320kW的有功功率。这种情况如果发生在用户,用户在用纯线性假负载验机时,一旦发现该UPS给不出320kW,就认为这台UPS不合格,供需双方就会出现没必要的争执。这种情况如果发生在对生产厂产品的认证检测,在用纯线性假负载验机时,一旦发现该UPS给不出320kW,就不给认证,必须修改至达到“要求”时才给与认证。得厂家增加了负担。 

究竟负载功率因数为0.8的400kVA UPS在纯线性假负载时能不能输出320kW?在此做一个分析。 

首先搞清楚一个基本概念,那就是UPS可以带什么负载不可以带什么负载。长期以来用户受某方面的误导,认为UPS可以带容性负载不可以带感性负载,甚至认为UPS带感性负载是他的特点。岂不知一般UPS就是为感性负载设计的。众所周知,元器件有三种类型:电阻、电容和电感。电阻是消耗能量的,电感和电容是储存能量的。并且感抗和容抗是互补的,即二者的符号相反,是互相抵消的。看一下图3的UPS电路原理方框图(a),任何UPS的输出端都有一个并联电容器C。这个电容的作用有两个:向负载提供无功功率和滤除逆变器输出PWM的高次谐波,将50Hz的正弦波解调出来。正因为负载是感性的才有电容的补偿作用,没有说用电容去补偿电容的。这是因为UPS的负载几乎都是感性负载,有人认为整流滤波器中有电容就是容性的,这是误解。如果电容器前面没有二极管整流器,它无疑就是容性的,加了整流器后就变成感性的了。只有感性负载才可使输入电压波形失真。 

因此,UPS的一般设计是,逆变器根据有功功率设计,电容器C根据无功功率加滤波功能来设计。当UPS的负载功率因数与负载的输入功率因数相等时,就达到了匹配效果。UPS提供的容性无功功率和负载的感性无功功率相等,形成并联谐振,相当于开路,换言之就好像只有线性负载存在。这时无功功率等于零,无功电流只在C和L中流动,如图3(a)所示。 

当UPS输出所带负载时纯线性负载时,如图3(b)所示,负载的电感分量没有了,电容的补偿没有了对象。但是由于电容器C的存在,逆变器的输出有功功率不能直接到达负载,因为它必须在后边电容器容抗上建立起比如220V电压后,才能向后传输。电容器C的容抗XC是: 

要在0.2W上建立起220V电压所需无功电流是IQ: 

而原来电容器C不向逆变器索取电流时,逆变器的全部有功电流为IRQ

此时必须由首先向电容器C提供1100A的无功电流,余下的部分IR才能送到负载,即:

此时提供给负载的有功功率PR就是:

当然这是一个理论值,因为实际中逆变器IGBT管的标称值和计算值是不一样的,比如计算出来的IGBT电流是851A,但IGBT没有这一档规格,相邻的规格是800A和1000A,那只有选标准规格,而标准规格还有误差,所以实际输出就有差异。总的方向是这样。这就带来了一个问题,比如产品认证检测人员就认准了“输出功率因数”这个概念,在上述情况下,如果厂家的产品给不出320kW就不给认证,加之厂家对此概念也不清楚,就只好乖乖地照办。这时逆变器的容量就只好加大至400kW。增加了80 kW,增加了成本。但这样一来,如果电容器C不改变,负载功率因数就不是0.8了。是多少呢? 

根据公式(1),可计算出: 

所以这是按倒葫芦起了瓢,越搞越乱!再如何调整…一般就到此为止,只要输出有功功率达到要求,其他一概不管了。于是“输出功率因数”这个指标也就不了了之。所以正确的称呼是负载功率因数。 

四、负载功率因数的作用 

既然负载功率因数是不属于UPS的要它和用?实际上这个参数对UPS至关重要,因为没有这个参数作参考UPS就无法生产。比如UPS这个设备生产出来要给谁用,即要有使用对象。比如一个制鞋厂做出的鞋要给什么人穿?是男人、是女人?这一点定不下来如何出产品?UPS也是这样,是带电容性负载还是带电感性负载?由于电容性负载和电感性负载是互补的,所以若带电容性负载,UPS的输出阻抗就应该的电感性的;若带电感性负载UPS的输出阻抗就应该的电容性的。如果要求电感性和电容性负载都可以带,那UPS的造价将会非常高,体积和重量也会非常大。比如国外某厂家的工业级UPS可带功率因数为-0.0 ~ +0.0的负载,一个40kVA的UPS就重达570kg! 

所好得是以往的负载绝大多是电感性的,这种负载的简单补偿方法就是用电容器,现在各大单位的动力科在市电总输入端都接了电容补偿柜。UPS也是这样,几乎所有UPS的输出阻抗都是电容性的,用“+”号表示;而负载功率因数和输入阻抗都是电感性的,用“-”号表示。这就是为什么在早期国外进口的UPS的负载功率因数都是“- 0.8”的原因。由此也可以看出将负载功率因数叫成输出功率因数的错误所在,在性别上就不对了! 

UPS负载功率因数的作用就是假设负载的输入功率因数与该UPS假定的负载功率因数相等时的情况。如果不想等,UPS的输出能力就要降低。比如负载功率因数为0.9的100kVA UPS在带功率因数为0.9的负载时就可给出90kW,但带功率因数为1的线性负载时只可给出87.5kW;又如负载功率因数为0.8

的100kVA UPS在带功率因数为1的线性负载时仅可给出53kW;再比如负载功率因数为0.7的100kVA UPS在带功率因数为1的线性负载时就1W也给不出来!当然实际中可以给出一些来,这是由于逆变器设计师考虑了各种的过载情况和元器件的额定标称值及误差,但绝对给不出按功率因数计算的有功功率。也有的说我的功率因数为0.8的100kVA UPS在带功率因数为1的线性负载时就可给出80kW!这种说法值得商榷,因为从一个误区有步入了另一个误区,实际上在它给出80kW的时候,其UPS的负载功率因数已经变为0.86了!

 
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