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UPS的功率因数与输出电流峰值系数 3

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UPS的功率因数与输出电流峰值系数 3

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2001年全国电源技术应用研讨会论文集 "UPS”的功率因数与输出电流峰值系数 信息产业部邮电工业产品质2监督检验中心 李米建 (北京 100088)  随着 通 信 技术的飞速发展,计算机在通信领域的 人端电压与电流的相位角,因此称之为相角功率因 应用日益普及和信息技术的不断提高,对供电质量和 数。 供电可靠性提出了较高的要求。于是静止型USP交  失真 功 率 因数即。=19/讶 十扮+厅十一刀,式 流不间断电源在各种通信电源系统和其他电源系统 中 Is为失真波电流的基波有效值,12,1, ,...1.为失真 得到广泛应用。 波电流的第 2次,第 3次……第 n次谐波电流有效  “功 率 因数 ”及“输出电流峰值系数”是衡量 UPS 值。由失真功率因数PF。的表达式可看出PFD的最大 电源输出能力的两项重要技术指标。 值是 1,只有基波电流为 0时PF。为0。但基波电流为  UP S电 源 的“功率因数,’(以下简称 PF)分为输人 0的情况是不会出现的,所以失真功率因数PF。的范 PF。和输出Ho,在介绍输出 Ho之前有必要对输人 PF做一个简单介绍,以便区分二者不同之处。  输人 功 率 因数是用来表示交流用电设备的输人 围为 1到接近于0,用电设备的总输人功率因数PF二 PFrx P F。的值为 0一1,  在阻 性 、 容性、感性等线性负载中总功率因数只 端对交流电源所呈现的阻抗特性的术语。由于各种交 决定于相角功率因数PFr,因为在线性负载中失真功 流用电设备的输人阻抗特性各有不同,所以输人功率 率因数为 1。而在输人电路是整流滤波的非线性负载 因数也各不相同。输人功率因数分为相角功率因数和 中总功率因数主要决定于失真功率因数,因为在这种 失真功率因数,二者的乘积为总输人功率因数PF; 整流非线性负载中相角功率因数一般为 0.98-  PF, =P FP x P F D            ( 1 )     0. 9 9,  式中:PF,为相角功率因数,(O-PF,-1 );  由于 相 角 功率因数的存在所以衡量交流电源如  PF。 为 失 真功率因数。 市电、电力变压器、发电机组、交流稳压器等交流电源 其中:PF,二P/S二Cosrp            (2 )  的 输 出 能 力用 容 量 ( V人 ) 来表示 ,也就是说用交流电  S为 用 电 设备输人电压和电流的乘积 (VA)称 源输出电压和电流的乘积既视在功率来衡量其输出  为视 在 功 率。 能力。输出视在功率中有多少转换为有功功率则取决  尸为 用 电 设 备 所消耗的有功功率。 于用电设备的输人相角功率因数PFr。若输人相角功  根据 式 (2 )可画出如图1所示功率三角形。由此 率因数PFr= 1则电源输出的视在功率全部转换为用 图可看出相角功率因数 PFP是视在功率 S与有功功 电设备的输人有功功率。若PFr< 1电源输出视在功 率 P所夹角的余弦,P为无功功率,Q二Sx si n4} ,无 率中一部分转换为有功功率,另一部分以无功功率的 功功率是在电抗中产生的一种功率,它只表示电源和 形式在电源与用电设备之间进行能量转换,值得注意 阻抗之间的能量转换,所以无能量消耗。 的是无功功率虽然对用电设备没有做功,但却占有了  由式 P FP 二Cos州9003(O 3一900)可定义相角功 交流电源输出视在功率的一部分。交流电源如要满足 率因数PFP的范围为 0一1, 用电设备输出足够的有功功率,就必须输出足够的视  视在 功 率 与有功功率的夹落也就是用电设备输 在功率,如果视在功率超出了供电设备的额定容量, 供电设备将会损坏。  失真 功 率 因数产生于整流滤波非线性负载中,这 种用电设备的输人总功率因数主要决定于失真功率 因数PFD。输人端无功率因数补偿的UPS其输人端的 电压,电流波形如图2所示。  从 图中 可 看出输人电流为周期性的脉冲电流,此 脉冲电流尖峰的间隔时间为 IOms。通过试验证明这 图 1 功率三 角形 种非线性输人电路的电流和电压的相位差是很小的, 2001年全国电源技术应用研讨会论文集 3电容性负载输人端的电压、电流相位图可看出当负 载的输人相角功率因数PF,二。8时,容性负载产生 的无功电流向UPS输出端回授的时间 t= 2 .05 ms约 占一个周期的10%,当PFr二0.6时回授电流持续时 间 t= .2.95 ms,这样长的回授时间对UPS来讲必须有 较强的相移电流补偿能力才可使 UPS正常工作。 图 2 无功率因毅补偿的拾入端波形 一般在80一110,   由数 学 中 付里叶分析可以知道这种周期性非正 弦波电流是由基波电流和足够多的奇次谐波电流组 成的。基波电流的频率与输人电压的频率相同,谐波 电流的频率则分别是基波频率的 3,5 ,7 ,9 ...…的奇 数倍 。  由于 输 人 电压为正弦波,不含有与谐波电流频率 相对应的谐波电压,所以谐波电流不能为供电设备提 供有功功率,只有基波电流才能产生有功功率。由失 真功率因数 P。的定义可以看出谐波电流的增加必然 导致失真功率因数降低。单相输人的交流用电设备当 其输人失真功率因数为 0.7时 ,总谐波电流成份 (THDA)可达 100%以上,无功率因数补偿的三相输 人交流用电设备的功率因数一般可达到 0.8一0.85, 总谐波电流成分较单相输人的有所减小,但在 5,7 , 11,13等单次谐波成份与单相输人的相同。谐波电流 除了对公用电网造成严重的传导污染,还会增加设备 熔断器的电流容量及电力传输导线的截面积,同时也 要加大前级主用交流供电设备 (如电力变压器)及备 用交流供电设备(如柴油发电机组)的额定容量,增加 了设备投资。所以对 UPS要求输人功率因数校正是 十分有必要的。  UP S对 交 流用电设备来讲是交流电源,衡量 UPS 的输出能力如同电力变压器和发电机组一样用伏安 (VA)或千伏安 (kVA)来表示。与交流市电不同的是 UPS的输出特性是用功率因数或负载功率因数来表 示,UPS的输出功率因数用来表示对容性感性或综和 线性负载的驱动能力。需要说明的是此处提到的“功 率因数”只是相角功率因数 。os}p 并不包含失真功率 因数PFD。在有关 UPS的产品标准中“输出功率因数” 这一项技术指标规定Cos(p50.8。 这一技术指标要求 当UPS为线性负载 (如阻性、感性、容性)供电时,负 载的输人电流超前或滞后电压 36.9。或大于 36.90时 UPS能正常工作且输出波形不会产生附加失真。由图 图3 电客性负载愉入端的电压、电流相位图  UP S的 输 出电流峰值系数是用来衡量 UPS对非 线性负载的驱动能力。这里提到的非线性负载主要是 指输人端为整流滤波电路的交流用电设备,此类用电 设备在通信行业应用较多如微型计算机,小型计算 机,服务器以及一些小功率的整流器,这些用电设备 的输人端一般都没有功率因数(PFC)功能。这种输人 电路的电原理图如图4所示。 图4 UPS愉入电路的一般形式  图中  C为 直流平滑滤波电容,R为用电设备内 的等效直流输人电阻,当输人电压为正弦波时输人电 流波形如图 2所示。Ir为周期性非正弦波电流的峰 值,IA为非正弦波电流的基波有效值,电流峰值系数 K= I r/IA ,由试验表明当失真功率因数PF。二。.7时 K二(3一3.5),如果 UPS峰值电流输出能力较强,随 着负载失真功率因数的降低,K值可达到5左右,但 此时负载的失真功率因数 PFu=O.5, 一个无功率因 数校正的单相输人的 UPS的输人失真功率因数可达 到。.7一0.72,但负载电流变化时输人失真功率因数 也会随着降低,所以USP输出电流峰值系数一般要求 K? 3o  UP S输 出 电流峰值系数是由逆变器功率电路和 2401年全国电源技术应用研讨会论文集 输出电路的设计决定的,但做为设计者和产品检验机 构必须具有相应的试验方法来验证此项技术指标是 否达到设计要求及符合相关的标准。UPS输出电流峰 值系数的试验方法及试验电路如下:(图5)  f4 叭压 又 ANALYZER  一去一 气 OSCfLLI i] I 图5 U玲 拾 出电流冷值系数试脸电路  图中  R。 为充电限流电阻,其作用是限制初始冲 电电流过大对 UPS和整流桥的大电流冲击。K,为空 气开关,当滤波电容 C两端的直流电压被充到接近 输人交流电压峰值时,将 K:接通使限流电阻 R,退出 工作。Kz为负载开关,K:接通后再接通 K,此电路即 可进人试验状态。凡 为电流取样电阻。  此非 线 性 负载的输人视在功率 Ps(VA)、有功功 率 凡(w)及输人功率因数用电力谐波分析仪在电路 中的A,B 两点测得,负载中的非正弦波电流波形可 用记忆示波器在电流取样电阻 Rx两端观察到,其峰 值电压为 VP,换算成峰值电流 IP二Vr/R z,非正弦波 电流的基波电流有效值即产生有功功率的正弦波电 流的有效值为 IA= P n/V ol( Vo 为UPS输出电压的有 效值)。因此输出电流峰值系数 K的表达式可换算为 K以 VP·V.)/(& ·PA)。此时非线性负载所吸收的 视在功率Ps应等于UPS的额定输出容量 (kVA),只 有在这种状态下才能考核 UPS输出峰值电流的能 力。  在试 验 过 程中可适当调整滤波电容 G的容量, 使非线性负载中产生更大的非正弦波峰值电流,而且 UPS输出电压波形失真度应符合标准要求,此时的输 出电流峰值系数 K便是墩大值。值得注意的是当改 变了滤波电容 C的容量后为了保持输人视在功率 Ps 不变,负载电阻 R也要做相应的调整。  在此 项 试 验中为了使取样电阻 R2不至耗散较大 功率而温升过高,所以 R,的阻值应尽量小,一般推荐 按下式计算取样电阻 凡的阻值。  几 ‘0 . 2 份  /段             式中:Vo为UPS输出电压值;  S为 U PS 输出视在功率。  取样 电 阻 R}的的额定耗散功率 叭>O.1S。以 上介绍的取样电阻测试方法适用于 lOkVA以下的 UPS。对于有条件的试验室和生产商可用霍尔电流传 感器与记忆示波器相配合,对大、中大功率三相输出 的UPS进行此项指标的测试。

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