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1、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 T10952000 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GB726087 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 0.70.9（滞后） ，额定为0.9。在 1993 年GBT1471593 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
2、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
3、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YDT10952000 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
4、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 ，导致负载和电源间吞吐互换的无功功率，功率因数 cos 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
5、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，
6、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
7、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
8、表示，单位为 VA。 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 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=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
9、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(VA 数) ：计算机负载容量(VA 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
10、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线性负载 非线性负载阻性负载 或 功率因数已校正负载感性负载 容性负载 带有电解电容的整流 滤波型负载不同负载的主要特性选项负载类型电压与电流相差冲击电流电流失真 功率因数峰值因数有功功率无功功率线性阻性负载及功率因数已校正负载 无 中等 无 cos = 1 1.4 100% 无非线性带有电解电容的整流滤波负载 无 高 高 cos0.7 22.8约70%约70%线性感性负载（电机、空调） 有 高 无 cos0.8 约 1.4约80% 60%线性容性负载 有 高 无 cos1 约 1
11、.4 有 有UPS 禁止带的负载空调：一般禁止使用 UPS 供电，因其起动冲击很大切属于感性负载 激光打印机：应选择大余量 UPS 供电，因其工作过程中经常产生冲击电流 复印机、高速行打：同上 日光灯：应选择大余量 UPS 供电，因其起动冲击电流较大，且阻性成分高 电炉丝(纯电阻负载) ：需要选择大余量 UPS 供电，因其为阻性负载 电动机(感性负载) ：需要选择大余量 UPS 供电，因其为感性负载，且起动冲积很高3. 功率因数匹配及 UPS 选型问题绝大多数计算机、通讯设备、控制系统等精密设备采用开关电源作为主电源，因此根据以上关于负载性质的论述，大多数计算机设备的输入功率因数为微容性 0.
12、7。而 UPS 主要针对的负载正是这些只能精密设备，基于这样的原因，所有的 UPS 设计均采用输出功率因数匹配为 0.70.8 的参数，从而最大限度地发挥 UPS 的带载能力。在功率因数匹配的情况下，即计算机负载的输入功率因数为微容性 0.7，而 UPS 标定的输出功率因数也为 0.7 时，负载的 VA 数与UPS 的 VA 数比值为 1： 1。也就是说 1VA 容量的 UPS 在不考虑冲击、曾容等余量因素时可带 1VA 的此类负载。若功率因数不匹配，例如电阻负载，1VA容量的 UPS 只能带 0.7VA 的电阻负载，否则 UPS 会出现过载现象(即使 UPS的 VA 数大于负载此时的 VA
13、数)。 这里需要指出的是，一些 UPS 厂家宣传的 UPS 输出功率因数为 01 实际上是片面的，例如交互式 UPS 以及代有在线补偿功能的三端口式 UPS，当有市电供电时可直接将负载通过变压器供电或通过补偿匹配 UPS 负载，此时可以匹配其它功率因数的负载，而当市电停电时，UPS 失去了补偿功能，此时的 UPS输出功率因数匹配只能是一个值，而绝大多数厂家将该匹配点选在 0.7 左右。如果此时所带负载功率因数不匹配超出 UPS 带载能力范围，UPS 将过载停机或出现更加严重的故障。因此 UPS 在负载选择问题上需要考虑功率因数匹配的问题。若负载为阻性或感性，应适当增大 UPS 容量。以下举一实
14、际例子，说明选择 UPS 容量时应考虑的功率因数方面的因素：就如上的负载状况，根据功率因数概念及与 UPS 匹配因素。如上的负载容量总合不能简单代数相加得出 6.2kVA。正确的计算方法如下：将负载 3 的视在功率分为有功功率和无功功率两部分有功功率部分为 1400W无功功率部分为 1430VarPLx=SLxcosQLx=S Lx2-PLx2将负载 4 的视在功率分为有功功率和无功功率两部分有功功率部分为 1540W无功功率部分为 1570VarP=P 负载 1 P 负载 2P 负载 nP=1000W+1000W+1400W+1540WP=4940WQ=Q 负载 1Q 负载 2 Q 负载 nQ=1430Var+1570VarQ=3000VarS=PLx2+QLx2S=49402W2+30002Var2S=5780VAcos=PL/SL=4940W/5780VA0.85
