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技術(shù)文章/ article
陶瓷纖維馬弗爐-安晟功率因數(shù)(Power Factor是衡量電氣設(shè)備效率高低的一個系數(shù)。它的大小與電路的負(fù)荷性質(zhì)有關(guān), 如白熾燈泡、電阻爐等電阻負(fù)荷的功率因數(shù)為1,一般具有電感性負(fù)載的電路功率因數(shù)都小于1。功率因數(shù)低,說明無功功率大, 從而降低了設(shè)備的利用率,增加了線路供電損失。關(guān)于功率因數(shù)的討論網(wǎng)上也有不少文章,但很多人仍然對一些概念存有誤解,這將為系統(tǒng)的設(shè)計帶來諸多危害,有必要在此再加以澄清。
一、功率因數(shù)的由來和含義在電氣領(lǐng)域的負(fù)載有三個基本品種: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相位的,即相位差q=0°,如圖1(a)所示;交流電在純電容負(fù)載上的電壓和電流關(guān)系是電流超前電壓90°(q=90°),如圖1(b)所示;交流電在純電感負(fù)載上的電壓和電流關(guān)系是電流滯后電壓90°(q=-90°),如圖1(c)所示。
陶瓷纖維馬弗爐-安晟功率因數(shù)的定義是: (1)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。從這里可以看出一個問題,同樣是一個電源,對于不同性質(zhì)的負(fù)載其輸出的功率的大小和性質(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,就像一座水塔的供水水流取決于水的開啟程度。從上面的討論可以看出,功率因數(shù)是表征負(fù)載性質(zhì)和大小的一個參數(shù)。而且一般說一個負(fù)載只有一種性質(zhì),就像一個人只有一個號碼一樣。這種性質(zhì)的確定是從負(fù)載的輸入端看進去,稱為負(fù)載的輸入功率因數(shù)。一個負(fù)載電路完成了,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)電機的負(fù)載而言,比如六脈沖整流輸入的UPS,其輸入功率因數(shù)就是0.8,不論前面是市電電網(wǎng)還是發(fā)電機,比如要求輸入100kVA的視在功率,都需要向前面的電源索取80kW的有功功率和60kvar的無功功率。如果UPS的輸入功率因數(shù)是0.6,就需要向前面的電源索取60kW的有功功率和80kvar的無功功率。像這樣的輸出分配,前面電源是“無權(quán)”決定的。二、表征UPS輸出能力的參數(shù)——負(fù)載功率因數(shù)1. 負(fù)載功率因數(shù)被誤稱為“輸出功率因數(shù)”UPS不能一對一地制造,也要事先根據(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)。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,就稱為*匹配,UPS就可輸出全部功率。遇到不匹配負(fù)載時,就必須降額使用。圖2示出了UPS負(fù)載功率因數(shù)與負(fù)載輸入功率因數(shù)的關(guān)系。2 UPS負(fù)載功率因數(shù)與負(fù)載輸入功率因數(shù)的關(guān)系有的就誤把UPS的負(fù)載功率因數(shù)稱為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,從輸入看進去是一種性質(zhì),從輸出看進去又是另一種性質(zhì),誤解了電路性質(zhì)的唯性。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,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,就會因過載而轉(zhuǎn)旁路,這是其一;其二,當(dāng)用功率因數(shù)表測量UPS輸出端時發(fā)現(xiàn),在帶線性負(fù)載時其功率因數(shù)值為1,當(dāng)帶二極管整流濾波輸入的IT負(fù)載時其功率因數(shù)值又是0.7,怎么也出不來0.8!實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根本就不會出現(xiàn),除非帶輸入功率因數(shù)為0.8的負(fù)載時,但那時測得的也仍然是負(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)載時才可測得UPS的“輸出功率因數(shù)”,這時有功功率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)(2)這個結(jié)果就是一個無理數(shù)。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。2.負(fù)載功率因數(shù)的確定因素那么負(fù)載功率因數(shù)為0.8的100kVA UPS在帶線性負(fù)載時,為什么給不出80kW呢?一般這種情況下的工頻機UPS設(shè)計是根據(jù)額定的有功功率選擇逆變器,而無功功率部分由逆變器后面的電容器C來承擔(dān),如圖3所示。在圖中的逆變器功率選擇就是根據(jù)負(fù)載功率因數(shù)設(shè)定的。這里是以負(fù)載功率因數(shù)為0.8的100kVA UPS為例的數(shù)字。逆變器是根據(jù)80kW選擇的功率管,電容器C的容量是根據(jù)輸出的無功功率60kvar選定的(當(dāng)然還需另外加上濾波時所需的容量)。因為在全匹配負(fù)載時電容C的輸出無功功率QC和負(fù)載上的容性無功功率負(fù)載上的感性無功功率 QL值相等而符號相反,*互補(直接相減),即:QC-QL=0而且C和L形成的回路電流并不流經(jīng)逆變器,即無功電流不流經(jīng)逆變器,UPS就是在這種設(shè)定條件下制造的。 一般工頻機UPS與負(fù)載匹配情況下的主電路結(jié)構(gòu)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)*匹配時,負(fù)載上得到的功率就是:(3)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)載考機情況,如圖4所示。在這里有一個很大的區(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:(4)從上式可以看出,逆變器輸出首先并聯(lián)了一個小于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提供一個電流IC,其值的大小為: (5)而原來逆變器可以提供的電流IINV為:(6)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:(7)那么此時負(fù)載上能夠得到的功率Pr就只有:Pr=241A′220V?53kW (8)一般工頻機UPS與線性負(fù)載不匹配情況下的主電路結(jié)構(gòu)
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