1)针对UPS输出端与负载的不同,例如:普通(无输入功率因数校正)输出侧电容滤波的整流器的功率因数以0.7为分界线,也就是说,UPS输出额定容量时,若某UPS设计在输出端能承受功率因数为0.7的负载。实际的UPS不但要能承受功率因数为0.7和<0.7的负载,若UPS输出端承受的功率因数的能力能高一些,即≥0.7,则会安全些。

负载的视在功率增大到UPS的额定容量时,功率因数应不超过0.7,负载的功率因数若低一些,即≤0.7,是安全的。

只有同时满足上述两方面的条件下,才能保证UPS中逆变器的功率半导体开关器件的功率损耗、发热、温升不进入危险状态。

(2)此UPS能否向高功率因数的负载供电呢?

此UPS能否向功率因数=1(或近于1)的负载供电呢?1远大于0.7,是不好办了吗?退一步讲,负载功率因数若是0.9、0.8又如何呢?实际上,无论功率因数多大,只要将对应于该功率因数时的允许电流值作相应的调整(例如:相应减小),都能找到安全的工作范围。因此,要用许多数据(如用表格、曲线等方式)来表示,才能表达清楚。

2.2   额定输出功率

(1)额定输出功率作为技术指标,甚为直观

对于通信用UPS来说,目前标准中采用额定输出功率作为技术指标。这就是,不论功率因数大小,只要在运行时同时注意:视在功率不超出该UPS的额定容量,输出的有功功率不超出该型号的通信用UPS所规定的额定输出功率,就可以了。

(2)额定输出功率的确定

额定输出功率应在输出有功功率规定的范围内确定:在通信用UPS标准中,具有输出有功功率指标,也可用不等式表示为

输出有功功率≥额定容量×0.7(kW/kVA)

此式若改变形式,将“额定容量”移到不等式的左下方,得到(输出有功功率/额定容量)≥0.7(kW/kVA)

可见,不等式的左边就是功率因数的计算关系(其中:输出有功功率含有其单位kW,额定容量含有其单位kVA),不等式的右边就是功率因数的最小值和功率因数的单位(即输出有功功率的单位kW与额定容量的单位kVA之比)。

当输出额定容量时,功率因数≥0.7,就是要求通信用UPS能承担功率因数为0.7;则额定输出功率=额定容量×0.7(kW/kVA)。不同型号的通信用UPS，设计生产单位可按UPS实际性能，若可承担较大的输出有功功率时，可提出数值，定为额定输出功率，也就是鉴定时要达到的输出有功功率上限。若告知在额定容量时能承担的功率因数(例如:0.8、0.9、1)，也可算出额定输出功率。

到目前为止,通信用UPS的标称值中,能做到“额定输出功率=额定容量”的产品,也已通过鉴定;这种UPS在以输入功率因数近似为1(输入功率因数校正)的整流器为负载时,不需增大UPS的容量,发挥了整流器功率因数校正的优点。

2.3   影响额定输出功率的机理

对某一机型的通信用UPS来说,其额定输出功率为何是常数,而不随功率因数的不同而改变呢?

(1)通信用UPS的输出端有谐波电流的滤波电容,用来减小逆变器输出的谐波电流。理想条件认为:已使逆变器输出电流不受谐波电流的影响。

通信用UPS负载的基波电流(即有功电流)与电压是同相位的,即相位不变。负载的基波电流大小一定时,电流矢量图不变。若此电流所对应的输出功率仍定为额定输出功率,则额定输出功率不受负载功率因数变化的影响。

(2)理想状态的优点

不同型号不同设计的通信用UPS的测试,不致过份繁杂。

(3)各设计生产单位要注意的问题

与理想状态的偏差是明显的,逆变器中功率半导体器件的结温在各代表性工作状态下,差别甚大;在额定输出功率与额定容量同时达到时,结温升高最多,但仍应保持在安全范围。在谐波电流较小的工作状态下,可允许输出功率大一些。

对于额定输出功率等于额定容量的通信用UPS机型来说,额定输出功率结温升高达到,理论误差已不存在了,可改善鉴定的准确性和提高运行的可靠性。

3   适用于感性和阻性负载UPS的优化选择或协调

上面已经谈到,通信用UPS(通信行业标准)的负载为“通信机”,不考虑用于电感性负载。但是,通信局站中还有些UPS的负载是电感性负载,应用最普遍的是(感应式)异步电动机,例如:大型计算机的硬盘驱动器、空调、水泵、电梯等设备中常用异步电动机来传动。要注意,应该选用能用于电感性负载的UPS,UPS的国家标准中有相关内容。

异步电动机虽因其硅钢片铁心的磁通与磁势之间有饱和特性,但磁通要通过空气隙,空气隙的磁阻是线性的,使总磁阻的非线性程度减小,其谐波电流不太大,不足以使正弦波电流专用的矢量图分析方法产生大的误差,所以近似分析,可以当作线性负载来分析。

异步电动机的转速、转矩都进入稳态后的运行情况下,额定功率时功率因数在0.8左右。但在起动过程中,若是全电压起动,电流要大到额定电流的数倍,而功率因数很低,仅约0.2～0.3;若是大功率异步电动机,则可能影响UPS的正常运行,应有相应的起动设施来限制起动电流。这里只分析稳态情况。

同样用于感性负载的UPS,还需考虑到某种UPS是只有利于某一指定的功率因数的电感性负载呢?还是也要用到电阻性负载。

下面根据三种典型的用途,作三种典型的设计方案思考,获得三种典型的性能,以利于大家认识到一种特定类型UPS的某一性能,不能代表所有UPS种类的相关性能,也有利于从性能的不同,追索到设计方案思考的不同。

3.1   输出端简单的UPS分析

在正弦波电压下,线性的阻性负载电流是正弦波、是与电压同相位的有功电流,功率因数为1。理论上没有谐波电流和无功电流。因此,高频开关的工频逆变器的输出端只需要高频滤波器,而不需要滤除工频的谐波滤波电容和补偿功率因数的电容。若忽略高频滤波器对输出特性的影响,则逆变电路输出电流与负载电流相同,依此可确定这种UPS,在功率因数为1时,输出有功功率可达到该UPS的额定容量,这是其优点。

另一方面,这种UPS的缺点是,如果用在非线性负载时,非线性电流在UPS内阻抗上的压降,*输出电压,使电压波形变坏。

3.2   “优化”于感性负载的UPS的分析举例

所谓“优化”,只能在特定条件下,对特定参数进行“优化”;对其他条件及参数不但不能一起“优化”,通常还要作出让步或牺牲。

UPS的负载为线性感性负载时,电流为正弦波(或近似),电流的相位滞后于电压,可分解为与电压同相位的有功电流和滞后于电压90°的无功电流(感性电流),其等效电路是,等效电阻负载与等效电感负载相并联。

(1)某种UPS所适应的负载功率因数的优化选择:UPS输出端并联有功率因数补偿电容,电容的电流为超前于电压90°的无功电流(容性电流)。

①优化()条件为,电容电流完全补偿负载电流中的感性电流分量,也就是等效的L与C处在并联谐振状态,这时UPS的逆变器仅供出负载电流的有功分量,功率因数为1。

②UPS中的逆变器输出的允许电流,也利用这个优化条件,取为负载电流的有功分量,小于负载的总电流,使逆变器的成本降低。

例如:针对功率因数为0.8的线性的感性负载做以上优化设计时,则逆变器输出的允许电流仅为负载电流的80%,减小了20%。降低了成本、减小了功率损耗,是有利的。

(2)功率因数补偿的优化设计,有好的针对性,但适应性下降。以上举例优化的UPS,在阻性负载时能供出的有功功率就小多了,例如:只能输出额定容量53%的有功功率。远远达不到通信用UPS额定有功功率为额定容量70%的要求,原因是:

①优化在感性负载的逆变器的输出电流允许值已设计得小多了。

②而优化的能补偿感性负载时电感电流分量的电容电流相当大,该电容的电流在纯阻负载时不但用不到它来提高功率因数,反而还成了累赘,也就是电容电流占用了逆变器电流容量中相当大的份额,降低了功率因数,可供给阻性负载的电流就小多了。

可见,相当大的电容电流,优点和缺点有明显的对比。为发挥其优点,这种UPS应该是功率因数范围较窄的专用UPS。若取用更大容量余量的UPS,则可以扩大其应用范围。

此外,在非线性负载时,由于大容量电容能吸收谐波电流,输出电压的波形畸变得到抑制,这是有利的因素。

3.3   感性和阻性负载折中设计的UPS举例

考虑到UPS的负载可能是线性的感性负载,又可能是线性的阻性负载时,可采取两者兼顾的设计方案,就是以上两种举例的折中(协调)。

例如:功率因数补偿电容相应减小,使电容电流只补偿功率因数为0.8的负载电流感性电流分量的1/2(或较小),为UPS额定电流容量的30%(或更小)。此条件下,逆变器输出的允许电流为UPS额定电流容量的85%(或更大)。

当阻性负载时,根据矢量分析(从略),纯理论计算,可输出有功电流80%(或更大),所对应的有功功率也是额定容量的80%(或更大),不会再小。

这种UPS对负载功率因数的适应性比功率因数补偿电容量大的UPS加宽了。可见,参数的选择,可以满足相应的设计要求。

但要注意,在非线性负载时,由于电容量的减小,电容能吸收谐波电流的能力减小,抑制输出电压波形畸变的能力减小,输出电压波形畸变,(失真度)增大,这是不利的因素。

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