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(shí)值同時(shí)出現(xiàn)。電流與電壓為正弦波時(shí),二者同相位;為非正弦波時(shí),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(shí)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(jì)時(shí)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)。石家莊UPS
(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(shí),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(shí)值“最大”的時(shí)候,電流變化率確實(shí)是最大,但電流的瞬時(shí)值卻剛巧過“零”。又應(yīng)注意到,電壓瞬時(shí)值為“零”的時(shí)候,電流變化率確實(shí)是為零,但電流的瞬時(shí)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(shí),正電壓使電流從“零”開始增大,電壓瞬時(shí)值漸減小,電流上升率相應(yīng)減小;當(dāng)電壓減小到0時(shí),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(shí)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(shí)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(shí),磁場能量“釋放”過程完成。
這里存在一個(gè)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。
�、俜蔷�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(shí)的電阻非常小,反向阻斷時(shí)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(jì)算簡便,近似分析時(shí)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(gè)成品電感直接施加交流電壓時(shí)，電流波形取決于磁化曲線和外加電壓。可見，變化因素與二極管電路不同。
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(shí))尚圓滑,滿載時(shí)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(shí)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。
�、賹�(dǎo)通條件
電源電壓瞬時(shí)值只有在大于電容電壓的瞬時(shí),整流二極管才受正向電壓而導(dǎo)通。
�、谡鞫䴓O管導(dǎo)通角θ估算
當(dāng)電路已進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作時(shí),為便于計(jì)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(shí)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(shí)),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(shí)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(shí)間,約為交流電壓半周期的2/3,交流電源電壓瞬時(shí)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(shí),交流側(cè)必然無電流。更不可能在交流電壓為零附近的時(shí)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(shí),習(xí)慣使用的方法是“正弦波的過零點(diǎn)瞬時(shí)判別法”。正弦波“過零點(diǎn)”瞬時(shí)在波形圖上是明確可見的,兩個(gè)波形的相位差在波形圖上已有時(shí)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(shí)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(shí)位置常沒有精確的瞬時(shí)標(biāo)記,用“最大值”來判別相對不方便。
�、俜蔷�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(shí),就難以使用“過零瞬時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí),每個(gè)電流波形才能一致。
此外,要注意的是:需計(jì)算而畫矢量圖時(shí),不同頻率的不能畫在同一張矢量圖上。
②最大值瞬時(shí)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(shí)對準(zhǔn)電壓最大值的瞬時(shí),兩者的乘積能獲得最大的瞬時(shí)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(shí)出現(xiàn)。
�、鄄ㄐ螘r(shí)間中點(diǎn)瞬時(shí)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(shí)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(shí)間中點(diǎn)瞬時(shí)。
在實(shí)際電路中,電容電壓有些脈動(dòng),條件也有些改變。但正常的情況下,由于脈動(dòng)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。
�、懿ㄐ蚊娣e“中分”瞬時(shí)判別法
當(dāng)波形左右明顯不對稱或受到*時(shí)怎么辦?如要精確計(jì)算,就要用波形面積“中分”瞬時(shí)判別法。由于波形變形時(shí)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
�、俸雎詾V波電容電壓脈動(dòng)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(dòng)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(gè)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(shí)(或時(shí)間角)是等距離的,也就是兩者與幅值瞬時(shí)的時(shí)間差(或角度差)相等,即電流波形的時(shí)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(shí)間坐標(biāo)t的瞬時(shí)線)就是脈寬左右兩端點(diǎn)連線的中點(diǎn)瞬時(shí),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(shí)與電壓中心瞬時(shí)相重合,也就是電流幅值與電壓幅值同時(shí)出現(xiàn)。兩個(gè)幅值相乘,瞬時(shí)功率最大,平均功率也最大,只有在同相位時(shí)才能出現(xiàn),也就是基波電流的幅值也在這時(shí)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。
�、诳紤]濾波電容上電壓脈動(dòng)時(shí)的分析
考慮到電容電壓瞬時(shí)值在充、放電過程中是脈動(dòng)的,每一充電周期之初瞬時(shí)(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(shí),電容電壓較平均值略高,為電容電壓的峰值。初瞬時(shí)和末瞬時(shí)都要比上述用電容的平均電壓計(jì)算的角度所決定的瞬時(shí)少量超前。參考資料2指出,這個(gè)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(dòng)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)
�、俟β室驍�(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(gè)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(shí),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(shí),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(shí),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(shí)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(shí),峰值電流與有效值之比越大。
例:θ=60°=π/3時(shí),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。
�、芄β室驍�(shù)PF與導(dǎo)電角θ的關(guān)系
如:θ=π/3時(shí),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(dòng)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(gè)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(dòng)機(jī)要充分發(fā)出轉(zhuǎn)動(dòng)“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(shí),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(jì)時(shí)磁通密度要選用適當(dāng),使用時(shí)交流電源電壓不能超過額定值過多。
例如:額定電壓時(shí),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(dòng)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(dòng)的機(jī)械功率增大的時(shí)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(dòng)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(dòng)機(jī)的功率因數(shù)
兩個(gè)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(shí),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(dòng)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(dòng)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
�、傧拗戚敵鲭妷翰ㄐ位�
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。
�、跍p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(shí),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(jì)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(shí),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(jì)得小些。
這是“優(yōu)化”于感性0.8功率因數(shù)的設(shè)計(jì)。但其他負(fù)載時(shí),如:阻性、容性時(shí),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(shí),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(shí)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(jì)成通用型UPS。
參考資料
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[4]UPS應(yīng)用.2009.10(總第100期)p.52YD/T1095-2008通信用不間斷電源-UPS,附錄A(規(guī)范性附錄)非線性負(fù)載.
[5]UPS應(yīng)用.2009.6(總第96期)p.52,表1輸出有功功率.
[6]張乃國.UPS供電系統(tǒng)應(yīng)用手冊[M].p.18圖1.13;p.334標(biāo)準(zhǔn);p.347輸出功率與功率因數(shù).
[7]張乃國.電子電源技術(shù)應(yīng)用(第2版)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社p.69圖3-12、圖3-13.
[8]王其英,何春華.UPS不間斷電源剖析與應(yīng)用[M].p.181圖7-5、p.183圖7-8.
[9]林金水.關(guān)于電流諧波的常識[J].UPS應(yīng)用2009.8p.52圖2非線性負(fù)載(例如電腦)的輸入電壓電流波形. |
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