——王其英

    在UPS中有一個(gè)稱為“負(fù)載功率因數(shù)”的指標(biāo)，這個(gè)指標(biāo)是指明這臺(tái)機(jī)器向負(fù)載提供有功功率和無功功率的能力。由于有的將這個(gè)指標(biāo)誤解成是UPS的“輸出功率因數(shù)”，這就出現(xiàn)了很大的誤差：就是這個(gè)功率因數(shù)的屬性問題。負(fù)載功率因數(shù)是指在UPS帶負(fù)載時(shí)在UPS輸出端測出的實(shí)際功率因數(shù)，如果這個(gè)功率因數(shù)和負(fù)載的輸入功率因數(shù)相等，該負(fù)載就可以得到UPS全部的的額定標(biāo)稱功率，稱為完全匹配。否則該UPS就必須降額使用。這里的最大不同就是UPS帶不同負(fù)載時(shí)，測出的功率因數(shù)也就不同，為什么？因?yàn)闇y出的這個(gè)功率因數(shù)是負(fù)載的而不是其它。如果把它看成是UPS輸出端的，即屬于UPS的，那么不論帶什么負(fù)載，功率因數(shù)值應(yīng)該是不變的，然而實(shí)際中并不是這樣。這就導(dǎo)致了一個(gè)誤區(qū)，并且在實(shí)際中產(chǎn)生了不良影響。

    一、電源的功率因數(shù)概念

    在電子領(lǐng)域的負(fù)載有三個(gè)基本品種：電阻、電容和電感。電阻是消耗功率的器件，電容和電感是儲(chǔ)存功率的器件。日常所用的交流電在純電阻負(fù)載上的電壓和電流是同頻率同相位的，即相位差q= 0°，

    功率因數(shù)的定義是：

    在電阻負(fù)載上的有功功率就是視在功率，即二者相等，所以功率因數(shù)F=1。而在純電容和純電感負(fù)載上的電流和電壓相位差90°，所以功率因數(shù)F=cosq = cos90°=0，即在純電容和純電感負(fù)載上的有功功率為零,全部是無功功率。

    從這里可以看出一個(gè)問題，同樣是一個(gè)電源，對(duì)于不同性質(zhì)的負(fù)載，其輸出功率的大小和性質(zhì)也不同，因此可以說負(fù)載的性質(zhì)決定著電源的輸出。換言之，電源的輸出不取決于電源的本身，而是由負(fù)載的需要決定。就像一座水塔的供水水流取決于水龍頭的開啟程度一樣。

    從上面的討論可以看出，功率因數(shù)是表征負(fù)載性質(zhì)和大小的一個(gè)參數(shù)。而且一般說一個(gè)負(fù)載只有一種性質(zhì)，就像一個(gè)人只有一個(gè)身份證號(hào)碼一樣。這種性質(zhì)的確定是從負(fù)載的輸入端看進(jìn)去，稱為負(fù)載的輸入功率因數(shù)。一個(gè)負(fù)載電路設(shè)計(jì)完成了，它的輸入功率因數(shù)也就定了。比如UPS作為前面市電或發(fā)電機(jī)的負(fù)載而言，六脈沖整流輸入的UPS，其輸入功率因數(shù)就是0.8左右，不論前面是市電電網(wǎng)還是發(fā)電機(jī)，假如該UPS要求輸入100kVA的視在功率，就需要向前面的電源索取80kW的有功功率和60kvar的無功功率。

    二、UPS負(fù)載功率因數(shù)的含義

    現(xiàn)代UPS總不能一對(duì)一地制造，要事先根據(jù)當(dāng)前用電器的形式和規(guī)模預(yù)先制造出一批或幾批不同功率因數(shù)和功率規(guī)格的機(jī)器，以備市場現(xiàn)貨銷售。預(yù)先制造出一批或幾批UPS的根據(jù)就是負(fù)載功率因數(shù)的大小和容量規(guī)格。當(dāng)UPS的負(fù)載功率因數(shù)與負(fù)載的輸入功率因數(shù)相等時(shí)，就稱為完全匹配，UPS就可向負(fù)載輸出全部功率。即37碼的鞋穿在37碼的腳上就正合適，否則就感到不舒服，那么這雙鞋的舒適度就打了折扣。UPS也是這樣，遇到不匹配負(fù)載時(shí)，就必須降額使用。

    三、對(duì)負(fù)載功率因數(shù)的誤解

    有的就誤把UPS的負(fù)載功率因數(shù)誤解為UPS的輸出功率因數(shù)。這種誤解的來源大概認(rèn)為UPS既然有輸入功率因數(shù)就一定有輸出功率因數(shù)，這樣一來UPS的性質(zhì)就有兩種，從輸入看進(jìn)去是一種性質(zhì)，從輸出看進(jìn)去又是另一種性質(zhì)，誤解了電路性質(zhì)的唯一性。既然是UPS的輸出功率因數(shù)，如前所述，如果UPS有輸出100kVA的能力，那么應(yīng)當(dāng)在任何負(fù)載性質(zhì)的條件下都可給出功率因數(shù)所指出的有功功率和無功功率。比如被稱為輸出功率因數(shù)的數(shù)值為0.8時(shí)，在任何負(fù)載性質(zhì)的條件下都可給出80kW的有功功率和60kvar的無功功率。但實(shí)際上不是這樣。比如往往出現(xiàn)這種情況，當(dāng)負(fù)載功率因數(shù)為0.8的100kVA UPS在帶線性負(fù)載時(shí)，就會(huì)因過載而轉(zhuǎn)旁路，這是其一；其二，當(dāng)用功率因數(shù)表測量UPS輸出端時(shí)發(fā)現(xiàn)，在帶線性負(fù)載時(shí)其功率因數(shù)值為1，當(dāng)帶二極管整流濾波輸入的IT負(fù)載時(shí)其功率因數(shù)值又是0.7，怎么也出不來0.8！實(shí)際上這兩種情況測得的都是負(fù)載的功率因數(shù)，所謂輸出功率因數(shù)0.8根本就不會(huì)出現(xiàn)，除非帶輸入功率因數(shù)為0.8的負(fù)載時(shí)，但那時(shí)測得的也仍然是負(fù)載的功率因數(shù)。即只要帶負(fù)載測量，測得的就是負(fù)載的功率因數(shù)。這樣一來，只有不帶負(fù)載時(shí)才可測得UPS的“輸出功率因數(shù)”，這時(shí)有功功率P的輸出電流IP=0，視在功率S的輸出電流IS=0，盡管二者的電壓UP和US不為零，但根據(jù)式（1）

    這個(gè)結(jié)果就是一個(gè)無理數(shù)。用功率因數(shù)表測試根本就測不出任何值。也就是說所謂的“輸出功率因數(shù)”沒有任何操作性。沒有任何操作性的指標(biāo)是沒任何意義的，是荒唐的指標(biāo)。

    所以在全匹配的條件下，負(fù)載功率因數(shù)為0.8的100kVA UPS能將80kW的有功功率和60kvar的無功功率全部輸送給負(fù)載。即在UPS的負(fù)載功率因數(shù)與負(fù)載的輸入功率因數(shù)完全匹配時(shí)，負(fù)載上得到的功率就是：

    如果負(fù)載的輸入功率因數(shù)與UPS的負(fù)載功率因數(shù)不相等，情形又會(huì)怎樣呢？比如后面的負(fù)載是線性負(fù)載，即負(fù)載的輸入功率因數(shù)=1，這種情況經(jīng)常出現(xiàn)在UPS帶假負(fù)載考機(jī)情況，如圖4所示。在這里有一個(gè)很大的區(qū)別，負(fù)載中的電感部分沒有了。這就造成了逆變器后面電容器C的無功功率再也不能向負(fù)載端提供的局面。由于60kvar的容抗XC是：

    從上式可以看出，逆變器輸出首先并聯(lián)了一個(gè)小于1W的電抗，如果讓逆變器輸出端建立起220V的電壓，首先要向電容C提供一個(gè)電流IC，其值的大小為：

    而原來逆變器可以提供的電流IINV為：

    很顯然，必須從逆變器輸出電流中減去上述的容性電流，余下的才是負(fù)載應(yīng)得的電流Ir，即：

    那么此時(shí)負(fù)載上能夠得到的功率Pr就只有：

    Pr =241A´220V»53kW （8）

    或者用功率計(jì)算式得出同樣的結(jié)果：

    因此負(fù)載功率因數(shù)為0.8的100kVA UPS在帶線性負(fù)載時(shí)，只能給出53kW的功率，其它功率都內(nèi)耗了。原因是以往的工頻機(jī)型UPS逆變器大都是按功率因數(shù)選擇功率管的，例外者不多。所以在以往的機(jī)器中不止一次地證明了這個(gè)結(jié)論。也就是說當(dāng)負(fù)載的輸入功率因數(shù)不等于UPS的負(fù)載功率因數(shù)時(shí)，UPS就必須降額使用。這是一般規(guī)律，當(dāng)然對(duì)不同負(fù)載功率因數(shù)的UPS有著不同的降額值。

    3. 對(duì)UPS功率因數(shù)的誤解危害

    正是由于有的用戶將負(fù)載功率因數(shù)誤認(rèn)為是UPS的“輸出功率因數(shù)”，不但將歸屬關(guān)系搞錯(cuò)了，而且還引出了一個(gè)根本不存在的概念。既然是“UPS的輸出功率因數(shù)”，那么UPS的輸出功率就必須服從這個(gè)功率因數(shù)值，也就是說“功率因數(shù)為0.8的100kVA UPS在帶線性負(fù)載時(shí)也應(yīng)給出80kW的輸出功率”。如果這種誤解僅僅是個(gè)別用戶，最多導(dǎo)致用戶和供應(yīng)商方面的矛盾。但如果是制定標(biāo)準(zhǔn)者陷入這個(gè)誤區(qū)，危害就是全國的UPS制造商。

    和負(fù)載功率因數(shù)并列的一個(gè)量就是UPS輸出電壓的諧波失真度，有的將二者混為一談，認(rèn)為只要輸出電壓的諧波失真度達(dá)到要求，那么負(fù)載功率因數(shù)也就知道了，所以可以不要。實(shí)際上在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中負(fù)載功率因數(shù)和諧波失真雖然有些聯(lián)系，但不是一碼事，各自的考慮不同。諧波失真度就好比是衡量這件衣服做得活計(jì)好不好，針腳密不密，樣式好不好。而功率因數(shù)表示的則是男服裝還是女服裝，是什么款式和多大號(hào)的衣服，等等。

    更令人費(fèi)解的是有些讀者至今仍認(rèn)為功率因數(shù)是百分?jǐn)?shù)，常聽到有人問：你的UPS輸入功率因數(shù)是百分之多少？這從上面的計(jì)算就可清楚地看到，有功功率和無功功率是正交關(guān)系。所以有功功率和無功功率是不能直接加減的。比如上面的例子，如果將80kW看做80%，那么60kvar就是60%，這樣一來有功功率和無功功率加在一起就是140%，顯然是不對(duì)的。這個(gè)最基本的基本概念如果搞不清楚，其他概念就很難去理解了！

    當(dāng)前的IT負(fù)載都把輸入功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)搅?.95以上，有的甚至補(bǔ)過了頭，略顯容性。所以當(dāng)今UPS的負(fù)載功率因數(shù)也與時(shí)俱進(jìn)地做到了0.9，實(shí)際上目前絕大多數(shù)高頻機(jī)UPS都做到了這個(gè)指標(biāo)，但也并不意味著帶線性負(fù)載時(shí)100kVA可以給出90kW。

    四、對(duì)其它的誤解

    當(dāng)今UPS的發(fā)展方向是高頻機(jī)型UPS，這是相對(duì)于傳統(tǒng)的工頻機(jī)型UPS而言。所謂工頻機(jī)型UPS，現(xiàn)在的說法就是UPS的主電路（整流器和逆變器）只要不是都工作在數(shù)倍50Hz以上頻率就是工頻機(jī)型UPS。比如傳統(tǒng)UPS的輸入整流器還是采用半控器件可控硅，仍工作在50Hz的電網(wǎng)工業(yè)頻率，而高頻機(jī)型UPS的主電路（整流器和逆變器）都采用了全控器件IGBT，都工作在數(shù)千赫茲，是50Hz的幾十到幾百倍。正是由于頻率的區(qū)別才有了工頻機(jī)型UPS和高頻機(jī)型UPS之說。有的誤解成工頻機(jī)型UPS和高頻機(jī)型UPS的區(qū)別是有無輸出變壓器（這里指的是電磁式的變壓器）。實(shí)際上有無變壓器根本不是二者區(qū)別的關(guān)鍵，因?yàn)橛袩o輸出變壓器和逆變器的電路結(jié)構(gòu)有關(guān)：如果前面的整流器仍然是工作在50Hz的可控硅，而逆變器采用采用了半橋解構(gòu)，照樣可以省去變壓器，難道就變成高頻機(jī)UPS了！而高頻機(jī)UPS的逆變器如果采用了全橋結(jié)構(gòu)，就必須加變壓器，難道就變成工頻機(jī)UPS了！要知道電路仍然工作在數(shù)千赫茲啊，是50Hz的幾十到幾百倍啊！<