一、功率因数的由来

自从伏特创造伏打电池往后，直流供电的负载性质是仅有的，即都是电阻性的。要素是负载上的电流电压是同相的，所以负载上的功率都是有功功率。正弦波沟通电的呈如今运用中非纯电阻负载时就发现电流和电压正弦波禁绝则相了，呈现了相位差q，如图1所示。并且

图1 电压电流禁绝则相的状况

还发如今这种负载上的实习功耗比纯电阻时小了，有一有些功率被贮存起来了。这很像力学中的笔直移动做功而水平移动不做功准则。并研讨发现这种实习功耗P是由相位差q的余弦挑选的：

P=uicosq （1）

Q=uisinq （2）

而电流乘电压乘q的正弦即是贮存的能量Q，此二者的和输入总功率S的联络也恰是直角三角形购股弦的联络，即：

（3）

为了差异这种负载与电阻负载的差异，就起了一个“阻抗”的姓名，即耗费功率的有些是电阻，贮存功率的有些称为电抗。

分外是在纯电感和纯电容负载上这种相位差抵达了90°，纯电感和纯电容上不被耗费的功率，悉数贮存载器材里边。假定后边接上电阻，这些贮存的功率就会像电源准则将能量供出去，所以就把这种贮存在储能设备中的功率称作无功功率。能够看出，在电子器材中有三种性质的办法：电阻、电容和电感。电阻是耗费功率的，电感和电容则是贮存功率的。并且还发现电容上的电流是超前电压的而电感上的电流是滞后于电压的，如图2所示。这么一来

图2 电容和电感负载上的电流电压相位状况

电容和电感负载上的电流就相差180°，这从图2中也能够看出。这个特征就赋予了二者的互补特性，即二者的电流和电抗能够直接相减（抵消）。为了两种功率因数有所差异，通常作了这么的规矩，在电流超前的功率因数（容性）前面冠以“+”号，电流滞后的功率因数（理性）前面冠以“-”号。在前期的进口UPS中的负载功率因数前面都有一个“---”号。

二、功率因数的效果

如前所述，功率因数是表征负载性质的，一个电路，一个设备做好后，它的性质也就定了。即对前面的电源来说它是啥性质的都用输入功率因数来标明，因而一个电路或一个设备只需一种性质，就像每白皙的身份证号码准则是仅有的。所以对UPS或别的电源来说也只需输入功率因数一个量，并不存在啥“输出功率因数”。一个参数的规矩都是有条件的，这个条件即是它的操作性，即，是能够丈量的。任何负载的输入功率因数都是能够丈量的，

又有谁能够测得出输出功率因数呢！即便能测得电源输出端的功率因数，那完美是后边负载的输入功率因数，附在禁绝则测得的数值也禁绝则，莫非UPS输出功率因数是多值的吗？那就意味着UPS是多重性质的，这种状况是不存在的。所以应当称为负载功率因数才大伯实习状况，因为它历来就不归于UPS。

已然负载功率因数与UPS无关，要它何用？它何别的商品准则，负载功率因数是今世方案化出产和商场经济的商品。比方衣服，早年是白皙经济，各家各户白皙做衣服穿。现代咱们能够到商场上现买现穿，那么假定商场上没有厂家预先做成的商品摆放在那里，咱们就没有这个便当。那么厂家依据啥来定服装的款式呢？这些资料都来历于胡歌，男子大概有几种规范，女性有几种款式等等，归纳这些资料作出一批男女服装，有S、M、XL等等，供咱们挑选。UPS也是这么，也要预先作出一批供用户挑选，负载功率因数即是依据以往广泛负载的性质而定的，在前期通常负载的功率因数为-0.8，因而那时的UPS负载功率因数简直100%都按这个值方案和出产。如今负载设备的输入功率因数广泛跋涉了，许多厂家

图3 UPS与负载联接示芳香

就推出了0.9功率因数的商品。即是说方案规矩按这个功率因数值出厂的UPS在与负载输入功率因数相匹配时就能够输出最大的功率，如图3所示。就像37码的鞋穿到37码的脚上最适宜，不然就哀痛了。UPS也是这么，假定负载的输入功率因数和UPS的方案不相符，

就不能输出悉数的功率，依据实习状况要降额运用。所以负载功率因数是衡量UPS商品带载才调的一个首要方针。但它和波形失真是两回事，波形失真是衡量电源的输出正弦波形是不是规整，就像衣服准则是反映这件衣服的生路是不是细腻，看起来是不是回视。至所以男服装仍是女服装有必要有功率因数定性。所以谐波失真不能代表负载功率因数。从另一方面说，负载功率因数仅仅直接反映UPS的带载才调，而谐波失真是直接反映UPS输出电压波形质量的一个方针，二者的从属联络禁绝则。

从核算式上也禁绝则，总谐波失真（THD）：其界说办法为输入单一频率的余弦信号，输出的各次谐波总有用值和基波有用值之比的平方根。而功率因数的核算式与谐波无关：图4示出了脉冲电流时功率因数PF所需的几个核算参量：

PF = F（a）×g（b） （4）

其间：F（a）=（1/f）×（0.5T/ a）½ × {1/[(1/ a2)--0.01]} ×[cos (a/T )/(a/T )]

g（b）= cos (b/0.5T )

图4 脉冲电流时的功率因数几个核算参量

式中：F（a）— 是脉宽因子，它的巨细取决于脉冲的宽度；

g（b）— 是脉冲的位移因子，它的巨细取决于脉冲挨近于正弦波电压半波基地的位移；

a — 是脉冲的底部宽度，以ms计；

b — 是电流脉冲基地挨近于正弦波电压半波基地的位移，以ms计；

T — 是正弦波电压周期，以ms），对50Hz而言即是20ms；

f — 沟通电压作业频率，赫兹（HZ），在这儿是50 Hz。

以上这个式子即是说在两种电流负载的功率因数PF持平的状况下的等效核算公式，即：

PF=cosθ= F（a）×g（b）

三、功率因数对带载才调的影响

如若想了解功率因数对带载才调的影响就需求了解UPS的方案准则和电路构造。图5所示为今世UPS电路构造原理方框图，从图中能够看出，在UPS的输出端都有一个或一组电容器C，这个电容器通常有两个效果：将正弦波电压从逆变器输出的脉宽调制（PWM）波中解调出来和向负载输出无功功率，简直绝大大都UPS商品都是这么做的。早年面的议论中能够看出，C向负载输出无功功率的芳香即是抵消掉负载中的电感成分，即是说负载简直都是电理性的，UPS即是为电理性负载方案的。因而UPS带电理性负载是它的本职作业，而不是啥特征。带电容性负载的才调最差，乃至带不动电容性负载。

图5 今世通常UPS电路构造原理方框图

四、负载功率因数的方案与断定

在方案UPS逆变器的容量时首要要思考负载功率因数，比方是取0.8仍是取1。所谓取1的意义即是逆变器按输出的视在功率挑选功率管。比方输出是100kVA，那么逆变器功率管就有必要依照100kW来挑选，尽管这其间有有功功率电流和无功功率电流，但因为逆变器实习上即是一个电流通道，不管是有功电流仍是无功电流对它来讲都是电流，就像电缆准则不管啥电流都会使电缆发热。另一种即是挑选负载功率因数为0.8，这时的逆变器就按80kW挑选功率管，因为商场竞赛要素的教唆，挑选0.8者居多。

首要声明的是为了阐明疑问，这儿只思考了额外状况，至于过载到125% 10min和过载到150% 30s及其它要素等等暂不触及，当然不清扫如今也有少量就按额外状况方案的商品。

关于输出功率为100kVA的UPS来说，在负载功率因数选为0.8时，电容C的无功功率QC即是：

（5）

（6）

因为这仅仅输出无功功率的电容值，故滤波电容值也应当思考进入，通常逆变器的脉宽调制频率f都在15kHz以下，取ff=10kHz，取滤波电容的容抗Xf为负载阻抗Z的10%/，即：

（7）

所以电容值Cf：

（8）

依据核算的效果看电容器的总容量是4277mF，通常依照标称值选4700mF就能够了。但为安在机器上电容数量要多许多呢？这是因为通过电容器的电流太大，单个电容器接受不了，要用多个并联才行。在这儿还有两个疑问要思考：一个是输出电压波形的解调疑问，若电容标称值就获得比核算值小了，推重影响解调，这个方针和输出电压波形失真挨近挨近。但下一个标称值即是5600mF，容量又太大了，通常取上不去下，要素是对等电压的电容器容量尽管大了许多，但报价上相差甚微。不过却严峻影响了带载才调。其二是尽管电容器的总容量并不大但却不能用一个电容器，因为这儿首要是无功功率电流，单60kvar的电流Iq即是：

（9）

分到3相上也有101A所以有必要挑选多个电容器的并联方案。

五、负载功率因数不相一同的带载才调

上边谈到逆变器按输出视在功率挑选就能够给出100kVA=100kW。这时接在UPS输出端的无功功率抵偿电容器就不接入了，只留下解调电容器。而功率因数为0.8的逆变器是按80kW容量挑选功率管。即是说在这种状况下假定输出端的负载也是0.8的输入功率因数，毫无疑问该100kVA容量的UPS就能够给出有功功率80kW，无功功率60kvar。如图6（a）所示。从图中能够看出，这时的UPS输出电容器与负载内的电感有些自成回路而互补，无功电流只在这个LC构成的回路中活动而不进入逆变器。

那么负载的性质不是理性的而是一个电阻，状况又怎样呢？

从图6（b）能够看出，因为负载端的电感L有些不见了，只剩下电阻R有些。电容器C

（a） UPS的负载功率因数与负载的输入功率因数持平的状况

（b） UPS的负载功率因数为0.8而负载的输入功率因数为1的状况

图6 两种禁绝则负载性质时的输出端无功电容器的作业状况比照

失掉了抵偿方针，而这个电容并不会因为失掉了抵偿方针而不见，并且身份也变了，由电源便成了负载，这是客观存在的实习。作为负载也要在上面树立起220V的沟通电压。很显着，树立电压的电流要由逆变器供应，这个电流多大呢？从式（9）可知是

Iq=303A

80kW逆变器可供出的电流IR：

（10）

此刻逆变器应供应的电流总量I应当是：

（11）

折构成功率即是100kW。这就过载20%了。但这儿的无功功率60kvar是有必要满意的，即只需在220V的电压下，无功功率就推重这么大，这是电容量挑选的。那么除掉这些无功功率逆变器还剩多大功率p能向负载供应而不过载呢？

（12）

实习上80kW的负载也是需求的，即也有必要供应。为安在这种状况下UPS不宣告报警信号呢？其要素是UPS的输出电撒播感器都是放置在输出端，如图7所示。并且逆变器

图6 UPS操控联络原理示芳香

的输出电流信息就来自这儿，100kVA功率的UPS在输出端只能测出53%的功率，无功功率根柢测不出来，因而逆变器得来的信息才只需半载的输出，因而在丈量与操控器的教唆下还依然向负载输出电流，不到过载到125% 10min绝不告警和切换到旁路，因而这是一个较长时刻热量堆集的效应，直到热堆集到推重温度将功率管焚毁接连。有一些逆变器的功率管散热器上装有温度传感器，能够起到维护效果，因为商场和造价的要素还有恰当一有些商品无此环节，只好等着焚毁。比方北京某政府机关信息基地即是用了负载功率因数为0.8的模块化UPS，开端因为没有这个概念在线性负载（输入功率因数大于0.95）状况下的带载量跨越了70%，依照上述核算已过载20%以上，不到半年土崩瓦解五个模块无一破例悉数焚毁而替换，往后将负载量降到40%，机器作业安稳了很长时刻。但因为作业的需求又将带载量添加到60%以上，焚毁逆变器功率管的景象又时有发作，无法又将负载量减下来，作业又安稳了。黑龙江七台河某工厂、内蒙呼和浩特某工厂、无锡某工厂等都是用负载功率因数为0.8的UPS带变频器（输入功率因数大于0.95），负载量跨越了60%以上，焚毁逆变器功率管的景象再三发作，后来将UPS容量加倍后就正常了。这悉数都阐了解UPS的带载才调是和负载性质息息挨近的。

又比方有的断语说UPS的天分是带电容性负载的，没有带电理性负载的才调。在这儿无妨仍以上述100kVA功率的UPS为例，带功率因数为+0.8的100kVA负载看一看效果。如图8所示。

图8 负载功率因数为-0.8的100kVA功率UPS带功率因数为+0.8的100kVA负载的状况

图中左边的点划线方框内是UPS，右面的点划线方框内是电容性负载。从图中能够看出UPS逆变器内的无功电容依然存在，而负载端不光没有了电感重量反而多了一个和UPS无功电容同容量的电容重量。很显着两个电容不光不能互补并且能够直接相加。假定UPS向这个负载供电，它的逆变器要输出三个电流：UPS无功电容的、负载无功电容的和负载电阻的，如图8箭头所示。此刻逆变器为了满意这三个负载的央求其有必要的功率Q3应当是：

（13）

比正本80kW多出了64kW，假定仍用这个逆变器供电就过载80%！但在输出LCD上闪现的也不过是带载量100%，从外特性上看应当是容许的，因为通常UPS都容许带载量125% 10min。而实习上这时推重是要出缺陷的。

还有一种功率因数状况就根柢带不动负载，那即是负载功率因数为0.7的UPS带纯线性负载。这种状况通常在小功率段，比方10kVA以下UPS的负载功率因数大都在0.7。即10kVA在匹配负载时可供出的有功功率P和无功功率Q别离为：

（14)

这儿的逆变器是按7kW容量方案的，假定此刻带功率因数为1的线性负载，如前面的图5（b）所示。依照式（12）的核算办法，此刻逆变器就不能向负载供应有功功率p：

（15）

为何有的还能够供应很大的有功功率呢？这有几方面的要素，首要是因为过载才调的方案和电容器的过失构成：

1. 标称值的挑选过失：比方核算出的电容总容量是4100mF，但邻近的标称值商品是3900mF和4700mF，都和核算值不相符，选哪一种都有过失。实习的逆变器器材的挑选是思考了过载状况的。

2. 电容器的并联过失：比方核算出的电容总容量是4100mF，但无功电流是300A，只就需求多个电容器并联，比方是10个470mF并联仍是10个390mF并联，仍是390mF与470mF混并联。并且在这10个电容器中的实习过失又各禁绝则。

3．再一个也是首要要素，那即是概念上的误解。要素是将UPS的负载功率因数误以为是UPS的“输出功率因数”，已然是UPS的“输出功率因数”那麽在任何负载状况下都应当给出按功率因数算出的有功功率,即功率因数位0.8的100kVA UPS能给出80kW。所以乎就将逆变器功率加大到能给出80kW接连。岂不知此刻UPS的负载功率因数已不是0.8而变成了1！这可用下面的比方阐明。

图9（a）示出了100kVA UPS的根柢电路，早年面的核算可知在匹配负载时能够输出80kW和60kva，带电阻负载时只能给出53kW，怎样办？只好加大逆变器功率。一贯加大到100 kW（也是100 kVA），此刻逆变器的输出除了抵消掉输出并联电容器上的60kva以外，刚好输出80kW。所以有的人就说‘我的UPS就可给出80kW！’实习上此

（a）负载功率因数为-0.8的100kVA

（b） 逆变器输出功率三角形

图9 负载功率因数为-0.8的100kVA UPS带电组负载状况

时的负载功率因数已不是正本的0.8，而是别的数值。为何？这由功率因数的界说就可阐明。因为对逆变器而言100kVA=100kW，或许包富富含功功率和无功功率，终究怎样分配的没有可知，所以为了核算便当起见暂取100kW为例，就有：

（16）

即是说通过逆变器增容后的UPS即是说通过逆变器增容后的UPS在给出100kW和60kvar的状况下，负载功率因数变成了0.87。即在带输入功率因数为0.87的负载时其悉数的输出才调即是P=87kW有功功率和无功功率

（17）

为何不能输出100kW了？要素是此刻的负载不需求60kvar的无功功率，电容器剩下的量就有必要有逆变器来平衡，所以别的的13kW以无功的办法来平衡电容中剩下的量了。这仅仅一个定性的核算，至于有功功率以啥样的份额转化到无功功率在此不再议论。只需阐明逆变器增容后UPS的负载功率因数已不是正本的0.8就够了。

还有的提出了另一个疑问：为何正本逆变器的80kW在带线性负载时成了斜边呢？如图9（b）所示。要知道，逆变器是悉数UPS输出的咽喉，在带电阻负载时，逆变器此刻不光给出有功功率还要给电容器无功电流和无功功率，所以正本的80kW有功功率的效果这时就变成了视在功率的效果，这在前面现已述及‘不管有功电流仍是无功电流对逆变器来说都是电流’，在这儿二者得到了对等候遇。

剖析了这么多实习上即是一句话：当负载与UPS不匹配时，UPS就有必要降额运用。前面的这些核算即是怎样降额和降额多少的举例。其降额数值的精确度终究有多少，则取决于元器材资料的精确度方案。

因而在实习中与核算效果有禁绝则是正常景象，不用锱铢必较，只看方向，只需方向对了，通常就不会太出格。

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