【2017年整理】功率因数与整机效率

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1、(1)用 100kVA 功率因数为 0.8 的 UPS,带功率因数为 0.6 的感性负载,能带多少?如负载是40kVA,现增加一倍还能够用吗?首先,计算 UPS 在各种负载下的输出能力时,应先确定 UPS 的品种,向厂家索要该 UPS 的相关数据,再进行计算。但在此问题中,因感性负载是小于额定情况下的功率因数,一般 UPS 的输出仍能维持为 100%的额定容量。现用一个著名的德国品牌 UPS 的数据为例来计算。由表 1 可知,感性负载功率因数小于额定情况下的 0.8 时,输出功率仍为额定值。当 UPS 的 S=100kVA、 cos =0.8 时 ,P=80kW;Q=60kVAR。当 UPS

2、为 S=100kVA、cos=0.6 时,则 S=100kVA;P=60kW;Q=80kVAR。若负载为 40kVA，cos=0.6，则 S=40kVA;P=24kW;Q=32kVAR。负载增至 80kVA,cos=0.6 时,则 S=80kVA;P=48kW;Q=64kVAR。此时负载的视在功率 S 和有功功率 P 都小于额定情况下的数值,而无功功率 Q 却大于额定情况下的数值。但是,不能用 cos=0.6 的负载的数值与 cos=0.8 时的 UPS 的数值来比,而必须与 UPS 为 cos=0.6 时的能力来比。负载的 Q 值小于 UPS 此时的 Q 值 80kVAR。完全可以满足负载增

3、至 80kVA 的需要。(2)UPS 带非线性负载的问题。若 UPS 为 100kVA,cos=0.7 时带非线性负载奔腾133PC+15in(英寸)显示器(170VA)能带多少台?cos=0.8 的 UPS 又能带多少台?非线性负载是五花八门的,但是计算机类负载多是整流电容滤波型。所以 IEC、EN 和 GB(国标)都确定了一个基准非线性负载,是二极管全波整流用电容滤波,功率因数确定为 0.7。UPS 也就是根据 这 个 标 准 制 造 的 。 UPS还 限 定 了 非 线 性 电 流 的 峰 值 因 数 ,一 般 为 3。 也 就 是 非 线 性 电 流 的 峰 值 与有 效 值 之 比

4、为 3。 这 对 于 计 算 机 类 负 载 也 足 够 了 。 因为峰值因数最大的是 PC 机,大约为 2.7 左右。UPS 带非线性负载的能力,除了非线性负载的特定基准之外,还有一个量的问题。在 IEC、EN和 GB(国标)中明确规定:单相 UPS 容量在 33kVA 以下时,用基准非线性负载来考核,33kVA 以上的UPS 用 33kVA 的非线性负载加线性负载来考核;三相 UPS 容量在 100kVA 以下时,用基准非线性负载来考核,100kVA 以上的 UPS 用 100kVA 的基准非线性负载加线性负载来考核。以上几点是我们在考虑这个问题时必须明确的。但是在这个题目中,以上这几点都

5、不成问题,可以按一般线性负载的情况来计算。100kVA 的 UPScos=0.7 时,S=100kVA;P=70kW;Q=71.4kVAR。单台负载 cos=0.7 时,S=170VA;P=119W;Q=121VAR。对于 P 和 Q 而言,UPS 能供总台数分别为:588 台;590 台。结论:应按最小的计算:588 台(未计留有裕度、启动等因素)。若用 100kVA cos=0.8 的 UPS 能带多少台？100kVA 的 UPScos=0.8 时,S=100kVA;P=80kW;Q=60kVAR。在负载 cos 仍为 0.7 时，UPS 的 S=100kVA； P=70kW;Q=71.4

6、kVAR。这时 UPS 能供总台数分别为 588 台;590 台。结论:也是 588 台，二者没有区别。那么,这样看来功率因数 0.7 的 UPS 与功率因数 0.8 的 UPS 没有什么区别了。不是的,还是有区别的。上面的例子都是负载功率因数小于额定情况下的数值,若是大于额定情况下的数值,或是电容性的负载,则情况就不一样了。功率因数为 0.7 的 UPS 带载能力就显得差了。负载功率因数为 0.7 的 UPS 只是为一些微机类负载而使用的。它设计的容量都比较小,大约为 30kVA 以下。而这一类负载功率因数多为 0.7,UPS 的负载功率因数也设计为 0.7,正好适应负载的条件。那么这种 U

7、PS 是不是带非线性负载的能力强呢?不是的,恰恰相反,其带载能力比 0.8 功率因数的 UPS 差。1 台 10kVA 的功率因数为 0.8 的 UPS 可以带 8kW 功率的负载,而功率因数为 0.7 的UPS 只能带到 7kW,如带功率因数大于 0.7 的负载则其能力可能就更小了。UPS 的额定输出功率与负载功率因数 UPS 的额定输出功率与负载功率因数 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

8、,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.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?这就是本文所要讨论的问题.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,

9、它不仅有结论的表格,而且还具体给出了计算过程.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 COS=0.8 额定电压为 380V 的 UPS 为例计算说明如下:输出功率 S=60KVA 额定负载功率因数 COS=0.8 有功功率 P=48KW 额定负载电流 IL=91A.滤波电容为 2 组 3x65F.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

10、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: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,电路的向量图入图 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 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

11、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COSCAP=0(IL=78-27=51A) 到 COSIND=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.图 4:理想向量图由于逆变器电流

12、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.在这个额定条件下负载 COSCAP=0.96 IL 为 65A,COSIND=0.7 IL 为 96A.图 5:实际向量

13、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.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.6:UPS 输出电流限定图UPS 输出功率与负载功率因数的关系 表 1负载功率因数 容 性 感 性 0.1-0.

14、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 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 0.3060=18KVA

15、,超过这个数值就过载了,更不能还用 60KVA 去计算. 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 COS=0.8 之外,还可有另外的标注,如标为 48KVA(IL=73A)COS=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.UPS 输出功率与负载功率因数的关系 表 2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.

16、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 所以,有的 UPS 额定 KVA 值等于 KW 值 COS=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 COS=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:该曲线所给出的数据也是在负载功率因数 COSind=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 7四、另一种著名品牌 UPS 输出功率的折算下面的资料是摘自某一著名品牌 UPS 的技术