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关于APCUPS电源的功率因数详细分解

长期以来,不论是APCUPS的供应商还是用户,在UPS电源功率因数问题上,一直都在讨论着一个焦点性的问题:用户声言要高功率因数的UPS,供应商也说这个数值越大越好,于是各厂家就尽全力去提高这个参数。到底UPS的功率因数是大点好还是小点好呢? 
  APCUPS电源有两个功率因数值:输入功率因数和输出功率因数。输入功率因数表示UPS对电网有功功率的吸收能力及对电网的影响程度;输出功率因数表示APCUPS对非线性负载的适应能力。当然,对输入功率因数的要求显然是越高越好,而UPS得输出功率因数却并不一定越高越好。
 下面先来看看几个概念
  视在功率(S):即交流电压和交流电流的乘积。其单位为伏安,APCUPS电源的标称容量就是指其视在功率,即额定输出电压和额定输出电流的乘积。用公式表示为: S=U×I
 视在功率包括两部分:输出有功功率(P)和无功功率(Q)。
  有功功率(P):指直接做功的部分,单位为瓦(W)。比如使灯发亮,使电机运转等。因为这个功率做功后都变成了热量,转化成热能、光能、机械能等,可以被人明显地感知到。有功功率只是视在功率的一部分,它与视在功率的关系为:P=S×cosφ=U×I×cosφ 
 其中cosφ即为功率因数,角φ是在非线性负载时,电压电流的相位差。功率因数表征着UPS输出有功功率的能力。
  无功功(Q):是指储存在电路中但不直接做功的那部分功率,单位为乏(var)。其数值用公式表示为:Q=S×sinφ=U×I×sinφ
 虽然无功功率不转化为其他的能量形式,但对于计算机等非线性负载来说,没有无功功率却根本无法工作。
 大多数人都认为既然无功功率不做功,当然可以不要。于是认为功率因数为1的电源最好,可以输出最大的功率。然而实际情况并非如此。
  首先从负载方面来说。
  比如说计算机吧,当市电输入后,要进行整流处理,如果去掉输出端的电容C,将整流桥的输出电压直接输出给计算机,则这时计算机的功率因数接近于1,但输出的直流电压是忽大忽小,上下起伏的脉动波,显然这样的电压是无法让计算机正常工作的,这么高的功率因数又有什么用呢?为了让计算机能正常工作,在整流桥输出端加个大电容,来进行滤波,以向计算机输入平滑的直流电压Uo,这个电容滤波器就像一个水库一样,里面必须储存足够数量的电荷,在整流桥输出电压偏低时,补充电荷;偏高时储存电荷,保证Uo的电压不会有显著的脉动变化,以输出平滑的直流电压。储存在电容器里的这部分能量其实就是无功功率。有的平滑滤波电路用电感或电容与电感共同组成,但无论哪种,原理都是相通的,可电路中,只要存在电容或电感,功率因数就不会再为1了。因此说,计算机之类的非线性负载不仅需要有功功率,同样也需要无功功率才能正常工作。
 再从电源设备-UPS来说。
 APCUPS电源绝大多数都是用于计算机或类似计算机之类的非线性负载,很少有用来照明或带电热器之类的线性负载。这类非线性设备一般都是直接输入市电后进行整流、滤波。这些设备对市电构成了非线性负载,功率因数基本上在0.6~0.7。从电路的基本原理来说,当负载阻抗于电源阻抗相等时,电源的利用率最高,工作在最佳状态,此时电源与负载才叫匹配。为了使UPS和这些设备匹配,最好也应具有相近甚至相等的功率因数值。如世界上知名的UPS品牌,美国的APCUPS电源具有这样的输出功率因数。

  现在假设APCUPS电源的输出功率因数为1,则此时无功功率为0,对计算机这样的非线性负载而言,显然无法应用,这样的电源也就只能纯带线性负载了,此时如果电流稍有变化,输出电压就要几十伏地增加,而且过载能力极差,这种情况下,电源根本就无法工作。在现实生活中,UPS用于纯线性负载的场合也极少的。
  其实,APCUPS电源的逆变器的输出特性与负载的功率因数有个对应关系,在功率因数为1时,APCUPS电源只能输出80%的额定容量,随着功率因数的降低,UPS的输出能量也相应的变大,当功率因数为0.8时,恰好可以输出100%的额定容量。即负载功率因数越小,输出的VA功率值越大,换句话说,对付非线性负载的能力越强,而计算机恰恰就是典型的非线性负载,如果让UPS的输出功率因数计算机系统的越相近,则越可能构成最佳配合,此时,有功功率用满了,无功功率也刚好用满,充分发挥了设备的潜力。
 一般说,APCUPS电源的输入功率因数的提高对输入电网有利,可以减小对电网的干扰。因此这个参数越大越好,但对UPS本身来说,好处并不是很明显。为了降低对电网造成的公害,施耐德APC电源的输入功率因数也是尽量做大,但这样做势必增加控制电路的复杂程度,增加元器件,增加成本,所以,这也是传统的UPS一般不急于提高输入功率因数的原因之一。
  UPS的输出功率因数真正含义是适应负载的能力,即能适应多大功率的负载,而不单是提供有功功率的百分比。比如,在一定范围内,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的输出功率因数也应该与其相匹配,为0.6~0.7。也就是说,APCUPS电源的输出功率因数是随负载而变化的。
  总之,无论是APCUPS电源的输入功率因数还是输出功率因数,都是可以通过一定的手段提高的,问题是有无这个必要的问题。UPS的输出功率因数并不是越大越好,可以这样说:小功率因数的UPS包含有大功率因数的特点,大功率因数的UPS却代替不了小功率因数UPS的功能。施耐德UPS电源的输出功率因数大小完全是随负载的性质而变,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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