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=100kVA、cosφ=0.8时,P=80kW; Q=60kVAR。 当UPS为S=100kVA、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IEC、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IEC、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100kVA cosφ=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588台，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 关于规范使用各类表格的通知入职表格免费下载关于主播时间做一个表格详细英语字母大小写表格下载简历表格模板下载 ,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 60KVA COSΦ=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=0.96 IL为65A,COSФIND=0.7 IL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 0.1-0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.1-0.4 功率折算系数 0.20 0.25 0.25 0.30 0.40 0.50 0.80 0.95 1.00 1.00 0.94 0.86 0.76 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60KVA COSΦ=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 0.1-0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.1-0.4 功率折算系数 0.25 0.31 0.31 0.38 0.50 0.63 1.0 1.19 1.25 1.25 1.17 1.07 0.95 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UPS 48KVA/KW,也就是常用的60KVA COSΦ=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 0．9 1 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”,在该资料中有这样一段:”The inverter output is rated at a load power factor 0.8. If the power factor of the load differs from 0.8, the maximum output current is seen on the curve.” 曲线为Inverter output current versus load power factor.(逆变器输出电流与负载功率因数的关系).横座标为功率因数,纵座标为额定电流的百分数.这种UPS也是在COSΦ=0.8(电感性)的条件下标定额定功率的.这个曲线不仅给出了额定情况下的数据,还给出了过载条件下的数据.图8六、全功率因数范围的UPS负载特性从上述几个曲线或数据表来看,UPS供电负载虽然可以在一定的功率因数范围内变动,但在容性负载功率因数很小的情况下,UPS可供的负载容量太小,有的甚至是额定值的20%--30%.例如在上述例1中60KVA UPS带容性0.7功率因数的负载只能提供0.3×60=18KVA的功率,实在太小了.针对这个问题,有的厂家制造适于功率因数很宽的UPS.甚至称之为 COSΦcap=0至 COSΦ=1至COSΦind=0的全功率因数范围的UPS.尽管在这样宽的范围中UPS都可提供能量,但也不是在各种功率因数下负载均能和额定值一样.下面给出了一个某著名品牌的全功率因数范围的UPS的功率数据图.由图可知,在全功率因数范围内功率为额定值的55%--100%.在一般负载的情况下,容量为60%--100%范围内还是很好的. 图9七、另一品牌UPS的不同负载功率因数下的输出特性下面给出的图形是最早出现在我国的UPS市场的,可见于某些关于UPS的著作和杂志上的文章中.但解释却很不相同,在该UPS的”技术说明书”中,有电路分析,也有图形,”Inverter output characteristics versus power factor”.(逆变器输出特性与功率因数的关系).从图中可以看出该UPS是以滞后COSΦ=0.8作为额定功率的规定条件.在这个图中还给出了不限时的过载区和限时15分钟的过载区.该厂家给出这样一个图,理论上讲是可以根据某一负载功率因数的角度,在图上画出该角下的直线,则可量出输出功率的数值.图10以上的计算是计算基波电流,在UPS内部除了基波电流外,还有滤波电路滤出的谐波电流.这些电流不影响基波各电流的关系,只是在选择功率器件时所应考虑的.对于负载部分来讲,以上各个例子都是考虑线性负载的,对于非线性负载来讲,一般UPS都允许带100%的非线性负载.只不过限定峰值因数的数值.这也是反映在器件的选择中.对UPS的基本性质是没有影响的.以上给出了几个品牌UPS的输出功率与负载功率因数的关系.从这些资料可以看出,关于UPS的输出特性可以用几种不同的方式表示,其功率因数的范围也不尽相同.但我们可以得到以下几点基本认识.1 UPS输出额定功率值是在某一功率因数下确定的.2 所说的功率因数是指的负载功率因数,而不是所谓UPS本身内部所固有的.3 从以上几个例子来看,UPS额定功率的确定都是在感性功率因数为0.8的条件下确定的,也有用感性负载功率因数为0.7的条件确定的(本文未引用这种实例).4 同一台UPS可以用不同的功率因数做条件,标注得不同额定功率值(如上例二).5 各UPS有自己的特性,不同的UPS其特性是不同的.就是同一品牌不同系列UPS其特性也是不一定相同的.6 各种UPS可适用的功率因数范围是不相同的,有的范围窄一些,有的范围宽一些.但在过去一些UPS专著或杂志上发表的文章中,对这个问题有过不少的分析,在业内流传的说法也不少.主要有以下一些认识.认为UPS给出的功率因数是UPS自身的,固有的,是感性的(滞后),它应与负载的功率因数相匹配,才能输出最大功率.即UPS功率因数为0.8(滞后)带功率因数为0.8的容性负载,则输出功率最大. 认为UPS的功率因数是滞后的(lagging)是带容性负载. 认为在某功率因数下规定的UPS额定功率,计算所得的有功功率和无功功率分量是固定不变的.而用这个数可以去计算其它负载功率因数下的负载量. 认为一般UPS不能带感性负载,只有那些在说明书上特别标明有超前功率因数这一项的方可带感性负载. 认为这个功率因数小的比大的好,带非线性负载的能力强,等等.从我们上面说明的UPS输出功率与负载功率因数关系的计算,以及几个品牌UPS给出的数据.可以得出明确的结论.从这里可看出以上所列的这些认识是不正确的.其根本问题还是对UPS的输出电路未进行研究,对电路中这些电流关系不了解,未充分掌握资料以进行分析所造成的.希望我们的介绍能有助于澄清这些问题.