正弦波交流輸出電壓的“通信用”UPS標(biāo)準(zhǔn)針對的是“非線性負(fù)載”和“阻性負(fù)載”;為避免誤解,參考資料1及2中注明為“非線性的等效阻性負(fù)載”和“線性的阻性負(fù)載”。

1 阻性與感性的本質(zhì)區(qū)別及影響

(1) 阻性

電阻性質(zhì)的器件不僅是指電阻器、電位器、白熾燈、電爐,半導(dǎo)體器件如二極管、三極管、穩(wěn)壓管等在線性工作區(qū)都屬于阻性。

阻性的特性以歐姆定律為基礎(chǔ),電阻只取決于電壓、電流,兩者快速響應(yīng),電流與電壓瞬時值同時出現(xiàn)。電流與電壓為正弦波時,二者同相位;為非正弦波時,基波同相位。阻性器件的特性可在電壓U和電流I兩坐標(biāo)的平面上,用直線或曲線來表示。注意:感性、容性則不能只用U、I坐標(biāo),必須是時間t的函數(shù)。

“通信用”交流UPS所要求的負(fù)載的輸入特性,無論是“線性”的還是“非線性”的,都應(yīng)屬于“阻性”的。非線性的有大量諧波,功率因數(shù)僅約0.7，但諧波因頻率相對較高，容易濾除;剩下的都屬阻性了，誤差極小，如:略帶容性的阻性。

所以“通信用”交流UPS能做到這兩種負(fù)載都以相同大小的“額定輸出有功功率”,才能使此類專業(yè)化的產(chǎn)品“量身定做”,起到經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的特定效果。

但是,“通信用”UPS的容量仍以伏安表示,所以只能以非線性負(fù)載的額定容量和0.7額定容量的“額定輸出有功功率”(注:如果此UPS設(shè)計時沒有故意加大余量),線性的阻性負(fù)載同樣也只能限制在0.7額定容量。必須注意的是,不是感性負(fù)載也能工作在0.7額定容量,而是“通信用”UPS不考慮感性負(fù)載,若使用感性負(fù)載出現(xiàn)了嚴(yán)重故障,其責(zé)任自負(fù)。

(2) 感性

電感的特性完全不同,電壓與電流的變化率di/dt相關(guān),所以要在u、i與t坐標(biāo)相關(guān)的平面上繪出u、i各自的波形,相互對照。當(dāng)施加交流正弦波電壓時,線性電感的電流遲后于電壓90°。

應(yīng)注意到:純電感的電壓瞬時值“最大”的時候,電流變化率確實(shí)是最大,但電流的瞬時值卻剛巧過“零”。又應(yīng)注意到,電壓瞬時值為“零”的時候,電流變化率確實(shí)是為零,但電流的瞬時值卻剛巧是“最大”。這與“阻性”是完全不同的。

從電感的磁場儲能或回饋的狀態(tài)來看,穩(wěn)態(tài)情況下,例如:電壓為正的最大值時,正電壓使電流從“零”開始增大,電壓瞬時值漸減小,電流上升率相應(yīng)減小;當(dāng)電壓減小到0時,電流不再上升,已達(dá)最大值,磁場的能量也達(dá)最大,這就是“儲能”過程。

特別強(qiáng)調(diào):接著,波形的瞬時電壓從“零”開始變負(fù),電流從最大值逐漸減小,電流所對應(yīng)的磁場能量也從最大值逐漸減小,磁場“釋放”的能量轉(zhuǎn)換成電能“回饋”到電源和/或其他(阻性、容性)電路;電壓瞬時值愈負(fù),電流減小率愈大,磁場“釋放”能量的速率愈大;當(dāng)電流減小到0時,磁場能量“釋放”過程完成。

這里存在一個特別需要注意的問題,那就是UPS能否承受“回饋”的相應(yīng)能量,需要相應(yīng)措施來解決。

(3) 非線性器件

非線性器件常遇到的有非線性電阻和非線性電感。

①非線性電阻性類型的器件

在整流電路中普遍應(yīng)用的整流二極管屬功率半導(dǎo)體器件,其正向通態(tài)時的電阻非常小,反向阻斷時的電阻極大,兩部分絕然不同的性能,使電路的效率提高。為使分析簡化,計算簡便,近似分析時可忽略正向壓降和反向電流,相當(dāng)于正向電阻趨近于0、反向電阻趨近于∝,理想化到“觸點(diǎn)”開關(guān)的程度。

二極管在電路中起“自然”開關(guān)的作用，開通后的電流，取決于電路中的其他器件和參數(shù)及其變化。

② 非線性電感

電感出現(xiàn)非線性的原因是在于磁路中采用了鐵磁材料,其磁化曲線是非線性的,隨著磁通密度的增大，逐漸趨向飽和，電流相應(yīng)增大。一個成品電感直接施加交流電壓時，電流波形取決于磁化曲線和外加電壓?？梢姡兓蛩嘏c二極管電路不同。

電感兩端不能直接施加直流電壓,例如:若將直流UPS輸出的電壓直接加在電感兩端,電流將迅速增大,趨向于無窮大,迅速出現(xiàn)短路故障(而整流電路原理上是交、直流兩用的)。

　　2 非線性負(fù)載(規(guī)范性的)

在參考資料4通信用UPS標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范性附錄中,非線性負(fù)載是專門指定為“單相整流/容性負(fù)載”,其中“容性”指的是整流輸出側(cè)的“電容濾波”。這是單相220V市電電壓等級直接輸入的、二極管單相橋式整流、直流側(cè)電容濾波的整流電路的輸入側(cè)特性。此電路應(yīng)用極廣,電路和波形想必都熟悉的,本文要把概念深化、牢固。

參考資料1敘述了此電路的基本情況,二極管導(dǎo)通的條件,輸入電流波形為脈沖波,波頂(在無*時)尚圓滑,滿載時波形寬度(導(dǎo)通角)約為電源半周期的1/3(約60°)。電流的波形較窄,可分解出基波及3次、5次、7次等諧波。電流出現(xiàn)在電壓的峰值附近,所以基波電流基本上與電壓同相位,屬阻性負(fù)載,誤差很小。諧波電流是無功電流,使功率因數(shù)降低,例如降到0.7左右。

(1)整流二極管何時導(dǎo)通

這是本電路最根本的問題!理想化的整流二極管的正向?qū)?忽略正向壓降或線性化并歸入交流側(cè)電阻),反向截止(忽略反向電流),是性能明顯突變的非線性半導(dǎo)體器件。

①導(dǎo)通條件

電源電壓瞬時值只有在大于電容電壓的瞬時,整流二極管才受正向電壓而導(dǎo)通。

②整流二極管導(dǎo)通角θ估算

當(dāng)電路已進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作時,為便于計算,采用電容器的平均電壓,在參考資料4的規(guī)范中,滿載時按交流輸入電壓有效值的1.22倍估算,即交流電壓峰值的0.863倍,0.863對應(yīng)予cos30.3°,導(dǎo)通角θ為其2倍,即60.6°,符合上述“約60°”的范圍。

所以(在通路中不串聯(lián)有電感時),只有在交流電壓峰值附近上述范圍內(nèi)才能流過電流,在直流側(cè)和交流側(cè)都是如此,切記!切記!

③無電流的時間區(qū)間

為了進(jìn)一步強(qiáng)調(diào),特作以下說明:導(dǎo)通角之外的時間,約為交流電壓半周期的2/3,交流電源電壓瞬時值小于電容電壓,整流二極管承受反向電壓,反向電流極小(如毫安數(shù)量級),一般分析精度的情況下可忽略,認(rèn)為是不導(dǎo)電的,故整流二極管無電流。

特別要注意:在交流側(cè)觀察,由電路所決定,電流都是經(jīng)整流二極管的。整流二極管無電流時,交流側(cè)必然無電流。更不可能在交流電壓為零附近的時間區(qū)域通過電流。切記!切記!

參考資料3,6,7,8,9都有相應(yīng)的電流波形,可供參考。

電流、電壓的波形可用示波器來觀察。

(2)非線性電路的電流與電壓的相位差如何判別?

觀察正弦波電流與電壓的相位差時,習(xí)慣使用的方法是“正弦波的過零點(diǎn)瞬時判別法”。正弦波“過零點(diǎn)”瞬時在波形圖上是明確可見的,兩個波形的相位差在波形圖上已有時間(角度)區(qū)域來表示,非常方便,經(jīng)常使用。但其目的,仍然是要表達(dá)電流最大值與電壓最大值出現(xiàn)時的相位差,因?yàn)椴ㄐ紊系淖畲笾挡攀菦Q定功率大小的直接因素。但在圖上最大值瞬時位置常沒有精確的瞬時標(biāo)記,用“最大值”來判別相對不方便。

①非線性電路的電流波形特點(diǎn)

本文所關(guān)注的非線性電路的脈沖形電流的脈寬較窄,沒有精確的能代表相位的過零瞬時,就難以使用“過零瞬時判別法”了。電流波形是“實(shí)實(shí)在在”的電流,與電壓波形同樣以時間t為橫坐標(biāo),能看出相對位置關(guān)系,概念也簡潔。

但要分析相位關(guān)系,橫坐標(biāo)要用“角度”來表示;非線性電路的脈沖形電流為何能畫在ωt坐標(biāo)上,其概念就復(fù)雜了。本文所分析的非線性電流波形可分解出基波、諧波(3次、5次、7次…)。(注:波形正、負(fù)是對稱的,無偶次諧波)。

對基波來說,與電壓同頻率,畫在ωt的橫坐標(biāo)上是容易理解的。

對諧波來說,只能將橫坐標(biāo)理解成nωt,n為諧波的次數(shù);才能畫成諧波的樣子,各次諧波才能組合成現(xiàn)有波形的形狀。例如:對3次諧波來說,橫坐標(biāo)要“心中有數(shù)地”想成“3ωt”;才能在基波一周期的時間內(nèi),畫出3周期的3次諧波來。換句話說,橫坐標(biāo)即使標(biāo)上“ωt”,雖然只是對基波來說的,但仍舊不要忘記諧波與基波之間相應(yīng)的“時間”關(guān)系。

對電流的各次諧波與基波電流之間都有特定的相位關(guān)系,每基波的一周期,各次諧波相位都要和基波相位對比一次,這些相位關(guān)系都不變時,每個電流波形才能一致。

此外,要注意的是:需計算而畫矢量圖時,不同頻率的不能畫在同一張矢量圖上。

②最大值瞬時判別法

當(dāng)前所分析的電壓為正弦波,電流約為60°脈寬的脈沖波,如果電流波形左右對稱,實(shí)際電流最大值的瞬時對準(zhǔn)電壓最大值的瞬時,兩者的乘積能獲得最大的瞬時功率,還可以用積分法求出平均功率也是最大,這就是同相位,是阻性負(fù)載。這可以確定,基波電流最大值與二極管電流最大值在相同瞬時出現(xiàn)。

③波形時間中點(diǎn)瞬時判別法

上述找電壓和電流最大值是其實(shí)質(zhì),但圓弧形的波頂,要找準(zhǔn)最大值的瞬時就不易精確,在上述波形左右對稱的條件下,最大值就在波形脈寬的時間中點(diǎn)瞬時。

在實(shí)際電路中,電容電壓有些脈動,條件也有些改變。但正常的情況下,由于脈動電壓相對甚小,對電流波形影響極小,仍采用此法作估算分析,簡便、實(shí)用。

④波形面積“中分”瞬時判別法

當(dāng)波形左右明顯不對稱或受到*時怎么辦?如要精確計算,就要用波形面積“中分”瞬時判別法。由于波形變形時求面積很繁雜,本文從略。

(3)電流與電壓的相位差和基波的功率因數(shù)成分

①忽略濾波電容電壓脈動的理想化分析

該方法是用電容電壓平均值來分析,能簡單地判別電流與電壓的相位關(guān)系。此狀態(tài)相當(dāng)于電容器容量極大,輸出電壓的脈動極小(可忽略),電容電壓在波形上是一條水平線。

未受*的正弦半波是左右對稱的,與電容電壓水平線相交的兩個交點(diǎn)高度相同,這兩點(diǎn)離正弦半波幅值所對應(yīng)的瞬時(或時間角)是等距離的,也就是兩者與幅值瞬時的時間差(或角度差)相等,即電流波形的時間坐標(biāo)上的左右對稱。

二極管的電流波形正比于導(dǎo)通角(約60°)范圍內(nèi)正弦波的波頂部分,二極管的電流波形也是左右對稱的,其電流面積的中分線(波形面積左右均分垂直于時間坐標(biāo)t的瞬時線)就是脈寬左右兩端點(diǎn)連線的中點(diǎn)瞬時,對準(zhǔn)電流的峰值,并與正弦半波電壓的中分線相重合。

可以看出,電流中心瞬時與電壓中心瞬時相重合,也就是電流幅值與電壓幅值同時出現(xiàn)。兩個幅值相乘,瞬時功率最大,平均功率也最大,只有在同相位時才能出現(xiàn),也就是基波電流的幅值也在這時出現(xiàn),這就是基波的功率因數(shù)為“1”,基波屬“阻性”負(fù)載。

此外,還包括各次諧波及各自的相位,屬“非線性”,總體是“非線性阻性”負(fù)載。

②考慮濾波電容上電壓脈動時的分析

考慮到電容電壓瞬時值在充、放電過程中是脈動的,每一充電周期之初瞬時(導(dǎo)通角的左側(cè)起始點(diǎn)),電容電壓較平均值略低,為電容電壓的谷值。每一充電周期之末瞬時,電容電壓較平均值略高,為電容電壓的峰值。初瞬時和末瞬時都要比上述用電容的平均電壓計算的角度所決定的瞬時少量超前。參考資料2指出,這個超前通常<4°;電流峰值也相應(yīng)超前,所以是“略帶容性”。

特別要強(qiáng)調(diào)的是基波近似與電壓同相位,基波電流的功率因數(shù)仍很高,cos4°=0.9975≈1,比“純阻性負(fù)載”的功率因數(shù)為1的理想狀態(tài),僅小了0.0025,誤差僅為0.25%,所以仍說成“阻性”是強(qiáng)調(diào)其“非常主要”的特點(diǎn)。

規(guī)范性電路因電壓脈動較小,電流波形和基波

相位前移的角度更小,所以其基波電流的功率因數(shù)更接近于純阻性,例如:cos2.2°=0.9993。

(4)電容濾波整流器的功率因數(shù)

①功率因數(shù)與電流總諧波含量(相對值)的關(guān)系

電容濾波整流器輸入側(cè)的交流電流為脈寬較窄的波形,其電流有效值I與基波I1和各次諧波電流成分I3、I5、I7等有效值的頻域函數(shù)如下:

電流總諧波含量(相對值)用來衡量電流的畸變(偏離正弦波的程度),或稱電流總諧波畸變THD(Total Harmonic Distortion):

上式中分子部分,是幅值較大、相對頻率較低的各次諧波電流(所選的2～4個頻率的諧波)合成的總諧波電流(有效值)。

②功率因數(shù)PF的頻域函數(shù)

唯有同頻率的電壓和電流相乘后的功率才有平均功率。當(dāng)電壓為正弦波(只有基波)時,只有基波電流與電壓才有平均功率。則簡化為

式中φ1—基波電壓與電流的相位差。

上式中I1/I之比為畸變因子DF(Distortion Factor),cosφ1稱為基波相移因子。當(dāng)電流與電壓同相位、又是正弦波時,PF=1,稱為單位功率因數(shù)UPF(Unit Power Factor)。

對于電容濾波單相橋式整流電路來說,基波電流與電壓基本同相位,即基波移相因子為(極趨近)1;可認(rèn)為功率因數(shù)PF等于畸變因子DF。因此功率因數(shù)等于基波電流有效值除以輸入電流有效值。

例:當(dāng)電流總諧波畸變THD為1時,功率因數(shù)PF是多少?

解:THD為1,就可求出

則功率因數(shù)為

也就是“通信用”UPS標(biāo)準(zhǔn)所用的0.7。

③電流峰值因子與導(dǎo)通角的關(guān)系

峰值因子CF(Crest Factor)為瞬時電流峰值IP與有效值I之比,近似關(guān)系為

導(dǎo)通角θ越小時,峰值電流與有效值之比越大。

例:θ=60°=π/3時,求得CF=2.45。交流側(cè)電阻相對越小,θ也越小,CF越大;標(biāo)準(zhǔn)中取為3,那是要考驗(yàn)設(shè)備的負(fù)荷能力。

④功率因數(shù)PF與導(dǎo)電角θ的關(guān)系

如:θ=π/3時,求得PF=0.780;與標(biāo)準(zhǔn)中用的0.7相差甚少。若交流側(cè)電阻有所改變,θ角和PF的值也相應(yīng)改變。

3 感性負(fù)載

感性負(fù)載應(yīng)用最典型的是交流感應(yīng)式異步電動機(jī)。聯(lián)接到交流電源的“繞組”中的電流可分為兩部分,其等效電路可分為兩個相并聯(lián)的支路。

(1)產(chǎn)生磁場的激磁電流支路

交變磁場的激磁電流是感性的,電流的相位滯后于電壓近于90°。由于電動機(jī)要充分發(fā)出轉(zhuǎn)動“力矩”,應(yīng)有足夠強(qiáng)的磁場,要充分利用磁芯材料“硅鋼片”的磁化曲線所表達(dá)的導(dǎo)磁能力,讓通過的磁通達(dá)到高的磁通密度。但是,磁通密度接近于飽和磁通密度時,激磁電流有效值和非線性的峰值電流明顯增大,鐵心發(fā)熱功率損耗明顯增大,影響電機(jī)性能。所以,設(shè)計時磁通密度要選用適當(dāng),使用時交流電源電壓不能超過額定值過多。

例如:額定電壓時,激磁電流約為額定電流的1/4。

(2)轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的電能的負(fù)載支路

此處只討論電機(jī)的轉(zhuǎn)動部分“轉(zhuǎn)子”穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的情況,當(dāng)轉(zhuǎn)軸上輸出轉(zhuǎn)動的機(jī)械功率增大的時候,電路的等效負(fù)載支路所消耗的電功率相應(yīng)增大,此有功功率由相應(yīng)的電阻來體現(xiàn)。

但是,電機(jī)的“繞組”(線圈)都是有電感的,“定子”(不轉(zhuǎn)動的機(jī)體)繞組與“轉(zhuǎn)子”繞組的磁力線,不是全部都能互相建聯(lián)的,總是有一部分磁力線自成回路,稱為“漏磁”,與“漏磁”相應(yīng)的電感串聯(lián)在負(fù)載支路中。

(3)交流感應(yīng)式異步電動機(jī)的功率因數(shù)

兩個支路都是感性電流:

激磁電流支路的電流有相應(yīng)的非線性,與輸入電壓有關(guān);

負(fù)載支路電流只分析穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時,與輸出機(jī)械功率有關(guān)。

在額定工作狀態(tài)下,功率因數(shù)大致在感性0.8左右。

(4)交流感應(yīng)式異步電動機(jī)歸入“線性負(fù)載”

標(biāo)準(zhǔn)中將交流感應(yīng)式異步電動機(jī)歸入“線性負(fù)載”,原因是:從實(shí)用角度考慮,激磁電流相對較小,僅占總電流的1/4,非線性也不嚴(yán)重。最主要的是,感性負(fù)載的UPS輸出端有大電容,足夠吸收非線性的諧波電流。

　　4 不同負(fù)載性質(zhì)UPS的措施不同

UPS輸出端都要有電容器,其電容量的大小、利弊與UPS的負(fù)載性質(zhì)有很大的關(guān)系。

(1)通信用UPS輸出端內(nèi)部的電容器針對非線性負(fù)載

①限制輸出電壓波形畸變

電容濾波整流器輸入電流波形的脈寬較窄,其UPS輸出端口的電容器主要起到限制輸出電壓波形畸變不超出8%的作用。

②減小逆變器輸出的諧波電流

電容濾波整流器的非線性負(fù)載的功率因數(shù)雖然只有0.7,要注意的是,這是由諧波電流所引起的,諧波的頻率高,是基波頻率的數(shù)倍,濾波所需電容相對甚小。輸出端口內(nèi)部的電容器能旁路諧波電流,電感能限制諧波電流,功率晶體管的電流有效值相應(yīng)減小,功率損耗相應(yīng)減小,散熱容易,成本降低、效率提高。

對于線性的阻性負(fù)載來說,對UPS的逆變器工作狀態(tài)與非線性負(fù)載狀態(tài)基本一致;只是濾波要求不高。

“通信用”UPS用于這兩種負(fù)載,是專業(yè)性非常高的、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的品種。

(2)感性負(fù)載的UPS補(bǔ)償功率因數(shù)

感性負(fù)載時,對UPS逆變器的輸出電流來說,UPS輸出端口選用大的電容器,其容性電流對負(fù)載來說就是能提供的感性電流,若此電容器能“完全提供”負(fù)載的感性電流,逆變器可設(shè)計得最小。

例如:負(fù)載的功率因數(shù)是感性0.8,也就是有功電流是額定電流的80%;可算得感性無功電流為額定電流的60%;如果選擇相當(dāng)大容量的電容器,使電容器的電流也達(dá)到額定電流的60%。這時,逆變器只須承受有功電流,即額定電流的80%,逆變器可設(shè)計得小些。

這是“優(yōu)化”于感性0.8功率因數(shù)的設(shè)計。但其他負(fù)載時,如:阻性、容性時,設(shè)備的利用率就很差了。

(3)通用型UPS協(xié)調(diào)考慮多種負(fù)載性質(zhì)

各種負(fù)載對UPS輸出端口的電容有非常不同的要求:感性負(fù)載補(bǔ)償感性電流要有大電容,還有電感“回饋”能量的問題,限定電容不應(yīng)過小;非線性負(fù)載只需較小的電容,電容大了就占用了逆變器的容量;容性負(fù)載時,電容占用了逆變器的容量。

此電容器容量適當(dāng)減小,可減輕阻性、容性負(fù)載時逆變器的電流負(fù)荷,提高UPS對負(fù)載性質(zhì)的通用性,可設(shè)計成通用型UPS。

　　參考資料

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作者簡介

黃濟(jì)青,北京郵電大學(xué)電信工程學(xué)院教授,本刊編委。

編輯：Harris

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