UPS输出功率因数问题

输出功率S=60KVA 定负载电流IL=91A。
额定负载功率因数COSΦ=0.8 有功功率P=48KW 额
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:
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。
第一部分 UPS 的额定输出功率与负载功率因数
作者:王鸿藻 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。
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
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:
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。
1 0．75
0．9 0．92
滞后 0．8 0．7 1．00 1．00
0．6 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。
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 全功率因数范围的 UPS 的功率数据图
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)。
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 逆变器输出电流与负载功率因数的关系
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。
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。
不同系列 UPS 其特性也是不一定相同的。
表 2 UPS 输出功率与负载功率因数的关系
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
表 1 UPS 输出功率与负载功率因数的关系
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
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 逆变器输出特性与功率因数的关系
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。
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,电路的向量图如图 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
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 不同负载功率因数的 UPS 负载能力曲线
四、另一种著名品牌 UPS 输出功率的折算
图 6:UPS 输出电流限定图
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。
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
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。
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。
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。
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? 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, 而且还具体给出了计算过程。
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。
下面的资Baidu Nhomakorabea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:
功率因数 功率折算系数
表 3 UPS 功率折算系数表
0．6 0．50
超前 0．7 0．8 0．53 0．55
0．9 0．60