關(guān)于UPS輸出功率因素

1、關(guān)于UPS “輸出功率因數(shù)”的探討 2010-10-20 10:08出處：機房360作者：佚名【我要評 論】導(dǎo)讀有一種錯誤的解讀，認為"UPS的輸出功率因數(shù)越高越好"。事實上，負載(輸入)功率因數(shù)越低，則 UPS帶非線性負載的能力就越強，若UPS的輸出能力能夠做到從超前的-0.0到滯后的+0.0,那么這臺UPS就可以帶任何性質(zhì)的負載了。第 1 頁幾個需要澄清的概念第 2 頁關(guān)于 "高頻機 "ups 的負載功率因數(shù) 1 幾個需要澄清的 概念在 ups 市場推廣中，常有一些習慣性的不規(guī)范的技術(shù)用語，有些說法很容易引起用戶 的誤解，更有甚者，還會在市場營銷活動

2、中將其變?yōu)椴徽敻偁幍氖侄?，因此有必要予?澄清。1.1 關(guān)干 kVA 與 kW國家標準 GB/T7260.3(對應(yīng)于國際標準IEC62040一 3)關(guān)于UPS的容量標度有著明確的定義：(1) 輸出表觀功率 (或視在功率 )(outputapparentpower): 輸出電壓方均根值與輸出電流方 均根值之積 (即有效值之積 )。(2) 額定輸出表觀功率 (atedoutputapparentpower): 制造廠商申明的，持續(xù)輸出的表觀 功率 (或視在功率 )。(3) 額定輸出有功功率 (atedoutputactivepower): 制造廠商申明的輸出有功功率由此可見，UPS產(chǎn)品的說明書或

3、技術(shù)文件應(yīng)該以kVA/kW進行標度，而不是以 kVA/功率因數(shù)(PF)來標度。1.2關(guān)干ups"輸出功率因數(shù)"與"負載功率因數(shù)對于電源系統(tǒng)來說，沒有固定的輸出功率因數(shù)，所謂的電源輸出功率因數(shù)事實上是指 用電負載的輸入功率因數(shù)，或是一組負載所獲得的合成功率因數(shù);而負載的輸入功率因數(shù)一旦在產(chǎn)品制造出來以后，便是相對固定的，或是隨負載運行狀態(tài)而變化的，例如UPS的輸入功率因數(shù)在不同的負載率條件下就是一個變化的量值，而額定標度是指100%負載率下的輸入功率因數(shù)值對于UPS來說，由于它具有雙重的身份，面對前級供電的變壓器、發(fā)電機等，它是這 些電源的負載，因此其輸入功率因數(shù)是

4、需要標度的;但當它面對用電負載時，它又是供電的電源，與其它交流電源系統(tǒng)是相同的，即沒有固定的輸出功率因數(shù) ;當它為不同類型的負載 供電時，所輸出的表觀功率（kVA）和有功功率（kW）是隨著負載的用電需求而變化的。因此在 國家標準中并沒有 UPS"輸出功率因數(shù)"一詞的定義。國家標準 GB/T7260.33.5條"輸出值"中的定義為:（1）負載功率因數(shù) （loadpowerfactor） ：在假定理想正弦電壓下，用有功功率對表觀功率 之比所表示的交流負載特性。 （注:為實用需要，在制造廠商的技術(shù)參數(shù)表中，可能規(guī)定為 包含諧波分量的總負載功率因數(shù)。 ）由此可見

5、，在國家標準或國際標準中并沒有使用UPS"輸出功率因數(shù)"這一概念，所謂的UPS"輸出功率因數(shù)-實際上是把"負載（輸入）功率因數(shù)-誤認為是UPS的輸出功率因數(shù)， 或是把UPS的"額定輸出有功功率"與"額定輸出表觀功率"之比作為UPS的輸出功率因數(shù), 這是一種誤解。由于UPS輸出能力的局限性，它不可能同時滿足任意性質(zhì)負載的要求，通常是約定以 它主要的供電對象計算機類負載的輸入功率因數(shù)作為其電路設(shè)計時限定的最佳輸出能力， 當負載的功率因數(shù)大于或者超前于UPS電路設(shè)計時限定的最佳輸出能力時，UPS就沒有能力輸出最大額定功率

6、了，這就是所謂的 "功率折算 "或 "降容使用 "問題。有一種錯誤的解讀，認為 "UPS的輸出功率因數(shù)越高越好-。事實上，負載（輸入）功率 因數(shù)越低，則UPS帶非線性負載的能力就越強，若UPS的輸出能力能夠做到從超前的-0.0到滯后的+0.0,那么這臺UPS就可以帶任何性質(zhì)的負載了，因為-0.0 一 +0.0的功率因數(shù)包括了功率因數(shù)從0 1之間的任何性質(zhì)的負載，但這樣的UPS其成本必然會很高，缺乏實際的應(yīng)用市場。所以 UPS的輸出能力只要能夠滿足所供電的負載阻抗特性和容量即可，而 無需一味地追求高功率因數(shù)。1.3關(guān)干功率因數(shù)PF與位移因數(shù)cos

7、0根據(jù)GB/T7260.33.3條"一般的規(guī)定值"中關(guān)于"功率因數(shù)"和"位移因數(shù)"的定義:(1)功率因數(shù) (Powerfactor) ：有功功率對表觀功率之比(2)位移因數(shù)(displa此mentfactor):功率因數(shù)的位移分量，基波有功功率對基波表觀功 率之比。位移因數(shù)即是俗你的 COS0，它所表示的只是負載基波或線性部分的特征，而不包含 負載的諧波部分。在線性電路中,其定義為:輸人電壓與電流之間相位差的余弦函數(shù)值, 即 PF=Pw/Ps=cos)式中:PF為輸入功率因數(shù)(PowerFactor);Pw 為輸入有功功率PS為輸入視

8、在功率0為輸入電壓基波與輸人電流基波之間的相位差但是，在含有諧波成份的非線性電路中，輸人電壓與輸人電流的相位差并不是輸入功 率因數(shù)（PF）（氐的主要原因。事實上，輸人交流電壓的基波與電流的基波之間并沒有明顯的 相位差（COS0Q I），例如在整流濾波輸入電路中，真正造成輸入功率因數(shù)降低的原因是各次 諧波電流形成的失真功率 （DiStonionPOWer）。如果把0定義為電壓U與基波電流11之間的相位移，則上式應(yīng)改寫為:Pw 為輸入有功功率PS為輸入視在功率U 為輸入正弦波電壓有效值I1 為輸入電流基波有效值0 為輸入電壓基波與輸人電流基波之間的相位差COS0 定義為位移功率因數(shù) (PhaSe

9、DiSpIa Cement POWer FaCtOr);IR 為輸入總電流有效值，且有上式定義了非線性電路的輸入功率因數(shù)是電壓電流基波相移的余弦值與輸人電流失真系數(shù)的乘積。根據(jù)電流總諧波畸變THDI的定義，又可表示為：負載輸入功率因數(shù)的提高意味著要求UPS輸出更多的有功功率(kW)，而不再是更多的失真功率(DistortionPower)或表觀功率(kVA)。因此，在UPS的容量選擇時，考慮更多的也 是UPS輸出的有功功率(kW)，只要它能滿足負載容量即可，而不再像過去那樣過多地考慮 表觀功率 (kVA)。事實上，在某些工程實際的計算中經(jīng)常也用cosp，近似代替功率因數(shù) PF,這是因為在負載非

10、線性程度(例如THDI較小時，PF與cos價之間的誤差較小，例如：當PF二0 8時, 按照上述公式得到 THDI與cosp的關(guān)系如表1所示。1.4 關(guān)干容性負載人們習慣上常用容性負載來描述計算機、服務(wù)器類 IT設(shè)備的輸入特性。容性負載原是指在線性負載中輸入端電壓及電流均為正弦波時，其電流相位超前于電壓相位的負載。而 計算機、服務(wù)器作為交流電源的負載通常為開關(guān)電源型負載 (SwitchingModePowerSupply) ， 是典型的非線性負載，輸入功率因數(shù)低主要是輸人電流諧波成分造成的，其輸入基波電壓 和電流并沒有明顯的相位差，只要降低輸人電流的諧波成分，輸入功率因數(shù)就會明顯提高， 所以簡單

11、地用容性負載來描述計算機類設(shè)備的輸入特性并不是規(guī)范的說法。2001 年以后，為滿足匝 C/EN 61000一 3一 2AMDl-2001 修訂標準，開關(guān)電源型負載的 輸入端郡增加了功率因數(shù)校正(PFC的整流技術(shù)，如圖1所示。使得這些新型的計算機、服 務(wù)器的輸人電路特性發(fā)生了如下明顯的變化：(1)諧波電流大大降低：THDI從80%降低到20%;(2)m 輸入功率因數(shù)由原來的 0.65提高到 0.92負載輸入功率因數(shù)的提高意味著要求UPS輸出更多的有功功率（kW），而不再是更多的失真功率（Distortion Power）或表現(xiàn)功率（kVA）。因此，在UPS的容量選擇時，考慮更多的也 是UPS輸出

12、的有功功率（kW），只要它能滿足負載容量即可，而不再像過去那樣過多地考慮 表現(xiàn)功率 （kVA）。圖I具有PFC功能的開關(guān)電源輸入電路2關(guān)于"高頻機"ups的負載功率因數(shù)無變壓器輸出的UPS俗稱一一"高頻機"，是一種新型拓撲結(jié)構(gòu)的 UPS由于大功率半 導(dǎo)體開關(guān)器件的成熟，以及微電子控制技術(shù)的發(fā)展，使得取消UPS內(nèi)部笨重、昂貴的逆變電路變壓器已經(jīng)成為可能，因此大功率（200kVA以上）無變壓器輸出的 UPS成為UPS生產(chǎn)廠商競相發(fā)展的新目標，并且將逐漸成為大功率UPS市場的主流產(chǎn)品。2.1 UPS對負載功率因數(shù)的響應(yīng)曲線無變壓器輸出的大功率 UPS大多數(shù)是2

13、001年以后設(shè)計定型的產(chǎn)品，為滿足 IEC/EN61000-3-2AMDI-2001 修訂標準的要求，其輸出端能夠承受較高的負載功率因數(shù)，這 種UPS的特點是：在負載功率因數(shù)為0.8滯后到0.9超前時，輸出有功功率 kW數(shù)基本上保持不變，而表觀功率 kVA是隨負載功率因數(shù) PF的不同而變化的，如圖 2所示。圖2 UPS輸出對負載功率因數(shù)的響應(yīng)曲線由于新型IT設(shè)備的實際輸入功率因數(shù)大多為超前的0.92 0.95，因此考慮UPS輸出容量時，通常選用負載的有功功率（kW）來累計估算，再除以0.8或0.9（按照制造廠商申明的）作為選擇UPS的依據(jù)，即可得到 UPS的額定輸出容量（kVA）。2.2關(guān)于U

14、PS輸出的功率折算（Derating）UPS輸出容量的功率折算是與諸多因素有關(guān)的，例如：負載的輸入功率因數(shù)、負載的 供電電壓（UPS輸出電壓）、UPS的運行環(huán)境溫度、海拔高度等。（1）負載輸入功率因數(shù)的影響表2所標注的功率因數(shù)均為負載的輸入功率因數(shù)PF,而不是COS0。例如對于某一個高頻機：500kVA/400V/50Hz的UPS來說，當負載功率因數(shù)變化時,UPS實際輸出的kVA/kW數(shù)值也會變化，參見表 2。事實上，其功率折算遠遠優(yōu)于同等電壓 /頻率的具有變壓器輸出的 UPS參見表3由此可見，無變壓器輸出的UPS通常是按照"kW/kVA"=0.9設(shè)計的，因此具有更高的承受

15、超前功率因數(shù)負載的能力，即對超前功率因數(shù)負載所需要的功率折算較少（折算系數(shù)大 ），而傳統(tǒng)的有變壓器輸出的UPS是按照"kW/kVA"=0.8設(shè)計的，因此對超前功率因數(shù)負載的承受能力就要小一些，即功率折算要大一些（折算系數(shù)小 ）。（2）負載輸入電壓的影響負載的輸人電壓與 UPS的輸出電壓是需要匹配的。按照國際標準，常用的 50Hz交流 電壓分為：380V/400V/415V，當然還有其它等級的電壓應(yīng)用，例如船舶的460V電壓等，總之額定電壓不超過交流1000V。對于UPS來說，在規(guī)定了標準輸出容量之后，電壓等級越高的UPS其功率折算顯得越小，這是因為UPS容量一旦確定，功率器

16、件的額定電流隨之確定，如果選擇的輸出電壓 較低，則通過功率器件的電流就較大，功率折算因此也較大。例如380V較400V的電壓低5%,則輸出電流就要高出 5%,功率折算也會與 400V的相差5%,而400V較415V的電壓 低約 3.6%，則輸出電流也高出 3.6%，功率折算也會相差 3.6%，參見表 4。由此可見，UPS實際輸出的表觀功率和有功功率都與負載的輸人電壓成比例地變化, 即功率折算與負載電壓有關(guān),其根本原因在于功率器件產(chǎn)生的焦耳熱 (I2t) 。UPS運行溫度的影響由于功率器件的選擇都是在一定的環(huán)境溫度條件下設(shè)計的，例如有些UPS設(shè)計的連續(xù)運行溫度為20C，而有些UPS卻設(shè)計為35C。對于不同的運行溫度，UPS的功率折算也是不同的。例如對于標準設(shè)計溫度為35C連續(xù)運行的UPS來說，其溫度折算系數(shù)為：每降低10C時，輸出容量增加 5%。例如，對于500kVA UPS來說，當運行溫度從