UPS功率因数越大越好吗

<电僖藏X)2001年一3期 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^ 功率 因数 和输 出功 率 因数 。输^ 功率 因数 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^ 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 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 = ScosO = UlcosO = UI-F 式 中 ，P是有 功功 率 ，单 位 是 w(瓦 )；F = o∞日 被称为 功率 因数 ，而 日是在非 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 ： 王其英 Q = SsinO= UlsinO 式 中 ，p 为无 功功率 ，单位 是 v (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 ^ 后进 行 整 流 ，就 得 到图 1中 砺c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 ，如 图 1的 Uc。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 ^ 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 _I电愿理田 ． ， ‰ 图 1 输^电压和整疽电压波形 一 l1一 维普资讯 http://www.cqvip.com 《电叠藏，I【)2oo1年一3啊 无 功功率 ，两者缺 一不 可 1 3 uPs的输 出功率因数 并不是越大越 好 uPs很 少 教 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 PWWI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 IM051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 圈2 逆变器输出特性与负载功率因散的关系 功率因数 的关 系 。由图 2可 以看 出 ： (1)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 ．1kVA UPS的负载 电阻是 = U ／P=2202／1000=48 4(o) 那 么 电源 内阻也是 48+4 n，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 的大幅度 变化 。比如 电流增 加 1A，则 输 出电压就 会 下降 ： U=48．4x1=48．4(V) 因此像 图 1中电流 ，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 一 12一 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 10 kVA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 人 ，若计 人后 ，视 在 功率 ： S=P／F：8000／0．65=12308(VA)= 1．23 kVA 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 ! (2)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 0 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 。 (3)功 率因数 0．82帅1年一3期 1的负载 。但若 只标 了一个 0．9或 l，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 5～2O0 kVA 及 BENNING公 司 的 5～120 kvA 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 10 kVA UPS，该 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 150 kVA错 买 成 100 kVA，把 300 kVA错 买成 2O0 kVA 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 9 ，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 是辖 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 t。pro Felaton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 ⋯1’，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 (1)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。UPS辖 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 。 (2)辖 出功率 因数 F：1时只 能给 出 8o％额定输 出的有 功 功 率 ；F=0．8时才 可输 出 100％ 的额 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 。 (3)小功 率 因数 包古 着大 功率 因数 的功 能 ，而不 是 相反 。 (4)计算机功率的计算一般应是 ： S =∑ P／／0．65(i= 1～n) 式 中 。S是 n台 电脑 的总视在 功率 VA值 ；P／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的辖 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。 口 一 13— 维普资讯 http://www.cqvip.com