功率因数与整机效率.docx
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功率因数与整机效率
（1）用100kVA功率因数为0.8的UPS,带功率因数为0.6的感性负载,能带多少?
如负载是40kVA,现增加一倍还能够用吗?
首先,计算UPS在各种负载下的输出能力时,应先确定UPS的品种,向厂家索要该UPS的相关数据,再进行计算。
但在此问题中,因感性负载是小于额定情况下的功率因数,一般UPS的输出仍能维持为100%的额定容量。
现用一个著名的德国品牌UPS的数据为例来计算。
由表1可知,感性负载功率因数小于额定情况下的0.8时,输出功率仍为额定值。
当UPS的S=100kV
A、cosφ=0.8时,P=80kW;
Q=60kVAR。
当UPS为S=100kV
A、cosφ=0.6时,则S=100kVA;P=60kW;Q=80kVAR。
若负载为40kVA，cosφ=0.6，则S=40kVA;
P=24kW;Q=32kVAR。
负载增至80kVA,cosφ=0.6时,则S=80kVA;
P=48kW;Q=64kVAR。
此时负载的视在功率S和有功功率P都小于额定情况下的数值,而无功功率Q却大于额定情况下的数值。
但是,不能用cosφ=0.6的负载的数值与cosφ=0.8时的UPS的数值来比,而必须与UPS为cosφ=0.6时的能力来比。
负载的Q值小于UPS此时的Q值80kVAR。
完全可以满足负载增至80kVA的需要。
（2）UPS带非线性负载的问题。
若UPS为100kVA,cosφ=0.7时带非线性负载奔腾133PC+15in（英寸）显示器（170VA）能带多少台?
cosφ=0.8的UPS又能带多少台?
非线性负载是五花八门的,但是计算机类负载多是整流电容滤波型。
所以I
EC、EN和GB（国标）都确定了一个基准非线性负载,是二极管全波整流用电容滤波,功率因数确定为0.7。
UPS也就是根据这个标准制造的。
UPS还限定了非线性电流的峰值因数,一般为3。
也就是非线性电流的峰值与有效值之比为3。
这对于计算机类负载也足够了。
因为峰值因数最大的是PC机,大约为2.7左右。
UPS带非线性负载的能力,除了非线性负载的特定基准之外,还有一个量的问题。
在I
EC、EN和GB（国标）中明确规定:
单相UPS容量在33kVA以下时,用基准非线性负载来考核,33kVA以上的UPS用33kVA的非线性负载加线性负载来考核;三相UPS容量在100kVA以下时,用基准非线性负载来考核,100kVA以上的UPS用100kVA的基准非线性负载加线性负载来考核。
以上几点是我们在考虑这个问题时必须明确的。
但是在这个题目中,以上这几点都不成问题,可以按一般线性负载的情况来计算。
100kVA的UPScosφ=0.7时,S=100kVA;P=70kW;Q=71.4kVAR。
单台负载cosφ=0.7时,S=170VA;P=119W;Q=121VAR。
对于P和Q而言,UPS能供总台数分别为:
588台;590台。
结论:
应按最小的计算:
588台（未计留有裕度、启动等因素）。
若用100kVAcosφ=0.8的UPS能带多少台？
100kVA的UPScosφ=0.8时,S=100kVA;P=80kW;Q=60kVAR。
在负载cosφ仍为0.7时，UPS的S=100kVA；P=70kW;Q=71.4kVAR。
这时UPS能供总台数分别为588台;590台。
结论:
也是588xx，二者没有区别。
那么,这样看来功率因数0.7的UPS与功率因数0.8的UPS没有什么区别了。
不是的,还是有区别的。
上面的例子都是负载功率因数小于额定情况下的数值,若是大于额定情况下的数值,或是电容性的负载,则情况就不一样了。
功率因数为0.7的UPS带载能力就显得差了。
负载功率因数为0.7的UPS只是为一些微机类负载而使用的。
它设计的容量都比较小,大约为30kVA以下。
而这一类负载功率因数多为0.7,UPS的负载功率因数也设计为0.7,正好适应负载的条件。
那么这种UPS是不是带非线性负载的能力强呢?
不是的,恰恰相反,其带载能力比0.8功率因数的UPS差。
1台10kVA的功率因数为0.8的UPS可以带8kW功率的负载,而功率因数为0.7的UPS只能带到7kW,如带功率因数大于0.7的负载则其能力可能就更小了。
UPS的额定输出功率与负载功率因数
UPS的额定输出功率与负载功率因数
UPS的额定输出功率是UPS输出的一个重要参数,也是选择UPS的一个最重要的参数.但并不是UPS对任何负载都可达到这一个固定不变的数,而是与负载性质有关的数据.
任何一台UPS都要标注额定输出功率,同时也标注负载功率因数值,或标注额定功率的KVA值及KW值.但是对这个参数却有一些错误的认识,甚至在一些杂志上个别文章也做了一些错误的解释.例如,有的用户要用功率因数为0.8的UPS按其KVA值带满纯阻性负载,有的作者用功率因数为0.8的UPS的输出值去计算功率因数为0.7的负载量.这些都是错误的.
那么,输出功率是怎么确定的?
输出功率与负载功率因数又有什么关系呢?
这就是本文所要讨论的问题.下面就某著名品牌的UPS的有关计算做一说明,并将其他几种品牌的UPS的有关数据加以介绍.
一、某著名品牌的UPS的输出功率与负载功率因数的关系
下面的资料选自该厂的培训材料（英文）的有关部分,它不仅有结论的表格,而且还具体给出了计算过程.
这是一种标准的双变换UPS,其输出部分电路简图如图1.IGBT逆变器模块输出接至变压器初级,变压器与滤波电容共同组成输出滤波电路.（无变压器的UPS是由一个电感与电容组成滤波电路,电路性质相同）.
图1:
UPS输出部分电路简图
现以一台三相输入/三相输出60KVACOSΦ=0.8额定电压为380V的UPS为例计算说明如下:
输出功率S=60KVA额定负载功率因数COSΦ=0.8有功功率P=48KW额定负载电流IL=91A.滤波电容为2组3x65μF.在正常电压工作情况下,电容除了滤掉高次谐波外,对于基波来讲它是一个固定的电容电路,在额定电压下,基波电容电流为27A.也就是说不管负载电流是多少,也不管电流的性质如何,即便是空载,这个电流总是要由逆变器供给的.这是一个固定的容性电流.这是这个问题的关键,其简化等值电路（折算到输出电压）如图2:
图2:
等值电路图
逆变器电流应是负载电流与电容电流之和.当负载电流为额定值,负载功率因数为规定值0.8时,电路的向量图入图3:
图3:
向量图
从此向量图可以得出在规定的功率因数额定负载电流下,逆变器电流IINV=78A.根据这个电流值来选择UPS的功率器件和变压器等器件.这就是按照UPS输出要求,设计选择UPS内部元器件的基础.也就是由这个问题决定UPS的输出性能.
逆变器电流IINV为78A,电容电流IC为27A,是IINV的35%.也就是说不管负载电流IL如何,逆变器总是要供给其额定值35%的容性电流.
从理论状态上讲不管负载电流的大小也不管负载功率因数如何,只要逆变器电流不超过其规定数值（例如在本例中为78A）,UPS就在其额定范围内,不过载.如图4为理想向量图.从该图得出负载功率因数从COSФCAP=0（IL=78-27=51A）到COSФIND=0（IL=78+27=105A）范围内只要IL值与IC值合成IINV的数值不超过规定值,就能供电.
图4:
理想向量图
由于逆变器电流流经IGBT模块的情况是和IINV与电压U之间的相位差有关,当IINV与U同方向时,电流流经导通的IGBT,当IINV与U反向时,电流流经与之相应的IGBT的旁路续流二极管.为了适应UPS的设计要求,选择适当的功率器件,设计者可能规定流经IGBT和续流二极管电流的比例,也就是说限定IINV与U之间的相位差.在本例中设计者限定IINV的无功分量为IINV额定值的60%（即0.6x78=47A）,据此画下的向量图如图5.
在这个额定条件下负载COSФCAP=0.96IL为65A,COSФIND=0.7IL为96A.
图5:
实际向量图
若负载功率因数超出了上述范围,则负载电流的大小应保证其无功分量与电容电流的代数和维持为IINV的60%.由此得到图6所示的该UPS输出电流（功率）与负载功率因数的关系图.
由这个图可知,若已知某一负载功率因数,根据其已知相位差角,在图上画出与U的夹角的直线,由O点至界定值的长度,即为此UPS可以供给这一负载的电流（功率）.
因这个图使用很不方便,故厂家给出了计算表格,并为使用方便对数据做了个别处理.
下面的表1就是这种UPS输出功率与负载功率因数的关系.
6:
UPS输出电流限定图
UPS输出功率与负载功率因数的关系表1
负载功率因数容性感性
0.1-0.40.50.60.70.80.910.90.80.70.60.50.1-0.4
功率折算系数0.200.250.250.300.400.500.800.951.001.000.940.860.76由上述计算可得到以下几个结论:
1.UPS额定输出功率是在某一负载功率因数下确定的,而且负载性质也是确定了的.本例中的UPS额定输出功率是在感性负载功率因数为0.8条件下确定的.
2.不同负载功率因数下UPS的输出功率值是不同的.各种UPS有自己的规律.在本例中如负载为容性功率因数为0.7,则输出功率仅为0.30×60=18KVA,超过这个数值就过载了,更不能还用60KVA去计算.
二、与上述同一品牌,同一规格的UPS的不同标注的情况
在上述培训资料中还给出了另一种说明.即UPS除了标注为60KVACOSΦ=0.8之外,还可有另外的标注,如标为48KVA（IL=73A）COSΦ=1因上述UPS的内部结构,器件的规格都是同一个,没有区别,只不过对外数据的写法不同.所以这种标注的UPS与上面的UPS的负载量仅差一个0.8的关系而已.
UPS输出功率与负载功率因数的关系表2
负载功率因数容性感性
0.1-0.40.50.60.70.80.910.90.80.70.60.50.1-0.4
功率折算系数0.250.310.310.380.500.631.01.191.251.251.171.070.95
所以,有的UPS额定KVA值等于KW值COSΦ=1,并不是有什么特殊的功能,仅是一种写法而已.如这种标注的UPS48KVA/KW,也就是常用的60KVACOSΦ=0.8的,而没有区别.
三、同一品牌不同系列的UPS产品
与上述同一个厂家生产的同一品牌不同系列的UPS,其内部结构和设计思路与上述UPS是基本相同的.这个系列UPS也提供了一个内部使用的“不同负载功率因数的UPS负载能力曲线”如图7:
该曲线所给出的数据也是在负载功率因数COSΦind=0.8时输出额定功率.这种UPS与前一种不同之处就是带容性负载的能力比较强,由曲线可知,当容性负载功率因数为0.8时,功率折算系数为0.75,而前一种仅为0.4.
图7
四、另一种著名品牌UPS输出功率的折算
下面的资料是摘自某一著名品牌UPS的技术资料:
”技术原理”,在这份技术资料中也提供了关于“负载特性与功率折算”方面的内容.除电路分析及向量图之外,也给出了功率折算表如下:
UPS功率折算系数表表3
功率因数超前滞后
0．6
0．7
0．8
0．91
0．9
0．8
0．7
0．6
功率折算系数
0．50
0．53
0．55
0．60
0．75
0．92
1．00
1．00
1．00
从上列数据来看这种UPS把输出功率限定在额定值之内,这是考虑到各种条件避免UPS内外部的各种器件的过载,是比较适宜的.
五、某一品牌UPS输出功率与负载功率因数曲线
下面的资料选自某UPS的技术资料”英文”,在该资料中有
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