方案-UPS功率因数与负载的关系

UPS标准中功率因数的概念

由信息产业部制定的UPS通信行业标准《YD／T1095－2000通信用不间断电源――UPS》中有两处与功率因数有关的概念，即输入功率因数和输出功率因数。

在1987年《GB7260－87不间断电源设备》标准中，对“负载功率因数”有如下定义：理想正弦波电压情况下，有功功率对视在功率之比。并在之后的技术要求中规定，在正弦波条件下，负载功率因数为0.7～0.9（滞后），额定为0.9。

在1993年《GB／T14715－93信息技术设备用不间断电源通用技术条件》标准中也提出了负载功率因数的概念，并在术语部分做出与1987年标准相同的解释。但在之后的技术要求中，负载功率因数的指标定为0.8。

这两个标准中，“UPS功率因数”的概念还没有出现，只对UPS负载的功率因数提出了不同的要求。这可能和当时UPS的应用不多，国内对UPS的各项技术掌握不够全面有关。

UPS作为供电系统中的中间环节，它本身具有双重性格：对于上一级供电设备（电网），它是一个交流负载；而对于下一级负载，它是一个交流电源，是电网的一部分。

如果把UPS与UPS的负载当成一个整体，作为上一级电网的交流负载出现时，它的功率因数由两部分决定：UPS负载的功率因数和UPS的电路结构形式。这时的功率因数，我们现在叫做“UPS输入功率因数”。后备式和在线互动式UPS 的输入功率因数等于UPS输出负载的功率因数，他们本身不产生附加的功率因数失真。传统双变换在线式UPS由于输入侧的变换器是整流滤波电路，它的输入功率因数较低，小于0.8，并且和UPS输出端的负载性质无关。双变换式UPS 附加有源功率因数校正电路（PFC）后，输入功率因数可达0.99，且不受UPS 输出端负载性质影响。

在2001年《YD／T1095－2000通信用不间断电源――UPS》标准中，使用了输入功率因数的概念，在电气性能技术要求中，分三个等级分别给出了指标，并提出了试验方法。

另一个概念，“输出功率因数”也出现了在电气性能技术要求中给出指标：输出功率因数≤0.8。并在输出功率因数的试验方法中提到：“调节非线性负载的

输入功率因数在小范围内变化，由电力多功能分析仪测得非线性负载的输入功率因数应符合技术要求的规定，并使得UPS输出达到额定容量，UPS能正常工作。”显然在这里测得的数据是UPS负载的功率因数，这个数据的范围是用来衡量UPS 输出能力大小的。

首先，功率因数这个概念是针对负载而言的，非线性负载中，电流和电压出现相位差φ，导致负载和电源间吞吐互换的无功功率，功率因数cosφ反映了负载从电源中获取有功功率的能力。对UPS来说，UPS的输入功率因数反映了UPS 从电网中获取有功功率的能力，也可以衡量UPS对电网的污染程度。功率因数越大，获取有功功率的能力越强，对电网的污染程度越小。

UPS的“输出功率因数”这个概念是衡量UPS输出能力的一个指标。显然，这里UPS是作为负载的供电设备出现的，而‘功率因数’这个概念是专为负载量身定做的，它反映的是负载的某些性质。于是我们借用‘功率因数’的概念加上‘输出’两字，来描述作为供电设备的UPS的输出能力。

例如，UPS的‘输出功率因数’的大小是由UPS负载的功率因数决定的，我们认为负载功率因数越大，它获得有功功率的能力越强，但是由负载功率因数决定的‘输出功率因数’越大，表示UPS的输出能力越小。

作为一项衡量UPS输出能力的技术指标，“由于UPS输出能力有限，不可能满足任意非线性负载的要求，约定以计算机类负载的输入功率因数作为UPS 的输出功率因数指标，约定≤0.8。”这样，用一个由UPS负载性质决定，而不是由它本身决定的技术指标，来衡量UPS输出能力的好坏，而又以计算机类设备为默认的负载，那么输出功率因数≤0.8这个指标的意义不便于理解。

‘输出功率因数’是一个容易引起岐义的概念，既然UPS输出功率因数的大小由负载的功率因数决定，那么直接用‘负载功率因数’的概念来衡量UPS 的输出能力更为清晰。如果使用‘输出功率因数’这个概念，就必须赋予它明确的定义。

UPS功率因数及负载性质

UPS是针对计算机、通讯设备、控制系统等精密设备而设计制造的可靠电源系统,适用于0中断要求场合的应用。使用UPS供电时需要注意负载性质是否匹配,另外，有些负载是不可以使用UPS供电的。以下首先介绍几个基本概念。

1.有功功率、无功功率、视在功率、功率因数及峰值因子的概念

有功功率：可以转化成其他形式能量（热、光、动能）的能量。以P来表示，单位为W。一般来说，有功功率是相对于纯阻性负载来说的。

无功功率：功率从能量源传递到负载并能反映功率交换情况的功率就是无功功率。以Q来表示，单位为Var。它的产生是由于感性负载、容性负载、以及电压和电流的失真。这种功率可导致额外的电流损失。

视在功率：有功功率和无功功率的几何之和（即平方和的均方根），它用来表示电气设备的容量。以S来表示，单位为V A。

功率因数：正弦交流电压与电流的相位差称为功率因数角，以Φ来表示，没有单位，而这个功率因数角的余弦值称为功率因数。它决定于电路元件参数和工作频率，纯电阻电路的功率因数为1，纯电感电容电路的功率因数为0。功率因数cosine Φ=P/S。

峰值因数：如右图所示，蓝色正弦波为电压波形，红色为电流波形。峰值因数是指电流瞬时值的峰值与其有效值的比值。它用来描述冲击电流。如果供电设备的

峰值因数越高，表明设备抗冲击能力越强。通常UPS的峰值因数为3：1，适合电脑等非线性负载在正常工作中的峰值因数要求。但当冲击较大时，UPS等供电设备的电流容量乘于3后还不足以满足负载的瞬间电流要求。在这种情况下需要考虑增加供电设备的容量，从而提高电流提供能力。通常计算机负载在开机时会产生超出平常多倍的大冲击电流。通常超过UPS的峰值因数提供能力，因此在选择UPS容量时需要考虑负载波动及冲击余量，适当增大UPS容量以抵御负载的波动，选择UPS容量余量为：

UPS容量(V A数)：计算机负载容量(V A数) = 1：0.7

而对于某些特殊负载而言，在起动或工作过程中会产生很强的冲击电流，负载容量瞬间升高数倍(有时高达6倍)。对于此种负载应在普通容量余量比例基础上进一步加大余量。正确的容量配比对UPS的正常稳定工作及UPS的工作寿命影响很大，经常工作在满载或过载状态下的UPS系统故障的机会源源高于正确容量配比的UPS电源。

2.UPS负载性质

负载性质的种类

不同负载的主要特性