关于UPS“输出功率因数”的探讨2010-10-20 10:08出处：机房360作者：佚名【我要评论】 [导读]有一种错误的解读，认为 \"UPS的输出功率因数越高越好\"。事实上，负载(输入)功率因数越低，则UPS带非线性负载的能力就越强，若UPS的输出能力能够做到从超前的-0.0到滞后的+0.0，那么这台UPS就可以带任何性质的负载了。
第 1 页 几个需要澄清的概念第 2 页 关于\"高频机\"ups的负载功率因数 1几个需要澄清的概念
在ups市场推广中，常有一些习惯性的不规范的技术用语，有些说法很容易引起用户的误解，更有甚者，还会在市场营销活动中将其变为不正当竞争的手段，因此有必要予以澄清。
1.1 关干kVA与kW
国家标准GB/T7260.3(对应于国际标准IEC62040一3)关于UPS的容量标度有着明确的定义：
(1)输出表观功率(或视在功率)(outputapparentpower):输出电压方均根值与输出电流方均根值之积(即有效值之积)。
(2)额定输出表观功率(「atedoutputapparentpower):制造厂商申明的，持续输出的表观功率(或视在功率)。
(3)额定输出有功功率(「atedoutputactivepower):制造厂商申明的输出有功功率。
由此可见，UPS产品的说明书或技术文件应该以kVA/kW进行标度，而不是以kVA/功率因数(PF)来标度。
1.2关干ups\"输出功率因数\"与\"负载功率因数\"
对于电源系统来说，没有固定的输出功率因数，所谓的电源输出功率因数事实上是指用电负载的输入功率因数，或是一组负载所获得的合成功率因数;而负载的输入功率因数一旦在产品制造出来以后，便是相对固定的，或是随负载运行状态而变化的，例如UPS的输入功率因数在不同的负载率条件下就是一个变化的量值，而额定标度是指100%负
载率下的输入功率因数值。
对于UPS来说，由于它具有双重的身份，面对前级供电的变压器、发电机等，它是这些电源的负载，因此其输入功率因数是需要标度的;但当它面对用电负载时，它又是供电的电源，与其它交流电源系统是相同的，即没有固定的输出功率因数;当它为不同类型的负载供电时，所输出的表观功率(kVA)和有功功率(kW)是随着负载的用电需求而变化的。因此在国家标准中并没有UPS\"输出功率因数\"一词的定义。
国家标准GB/T7260.33.5条 \"输出值\"中的定义为：
(1)负载功率因数(loadpowerfactor)：在假定理想正弦电压下，用有功功率对表观功率之比所表示的交流负载特性。(注:为实用需要，在制造厂商的技术参数表中，可能规定为包含谐波分量的总负载功率因数。)
由此可见，在国家标准或国际标准中并没有使用UPS\"输出功率因数\"这一概念，所谓的UPS\"输出功率因数\"实际上是把 \"负载(输入)功率因数\"误认为是UPS的输出功率因数，或是把UPS的\"额定输出有功功率\"与 \"额定输出表观功率\"之比作为UPS的输出功率因数，这是一种误解。
由于UPS输出能力的局限性，它不可能同时满足任意性质负载的要求，通常是约定以它主要的供电对象 计算机类负载的输入功率因数作为其电路设计时限定的最佳输出能力，当负载的功率因数大于或者超前于UPS电路设计时限定的最佳输出能力时，UPS就没有能力输出最大额定功率了，这就是所谓的 \"功率折算\"或 \"降容使用\"问题。
有一种错误的解读，认为 \"UPS的输出功率因数越高越好\"。事实上，负载(输入)功率因数越低，则UPS带非线性负载的能力就越强，若UPS的输出能力能够做到从超前的-0.0到滞后的+0.0，那么这台UPS就可以带任何性质的负载了，因为-0.0一+0.0的功率因数包括了功率因数从0一1之间的任何性质的负载，但这样的UPS其成本必然会很高，缺乏实际的应用市场。所以UPS的输出能力只要能够满足所供电的负载阻抗特性和容量即可，而无需一味地追求高功率因数。
1.3关干功率因数PF与位移因数cosφ
根据GB/T7260.33.3条 \"一般的规定值\"中关于 \"功率因数\"和 \"位移因数\"的定义：
(1)功率因数(Powerfactor)：有功功率对表观功率之比。
(2)位移因数(displa此mentfactor)：功率因数的位移分量，基波有功功率对基波表
观功率之比。
位移因数即是俗你的cosφ，它所表示的只是负载基波或线性部分的特征，而不包含负载的谐波部分。在线性电路中，其定义为：输人电压与电流之间相位差的余弦函数值，即 PF=Pw/Ps=cosφ
式中：
PF为输入功率因数(PowerFactor);
Pw为输入有功功率;
PS为输入视在功率;
φ为输入电压基波与输人电流基波之间的相位差。
但是，在含有谐波成份的非线性电路中，输人电压与输人电流的相位差并不是输入功率因数(PF)低的主要原因。事实上，输人交流电压的基波与电流的基波之间并没有明显的相位差(cosφ≈l)，例如在整流滤波输入电路中，真正造成输入功率因数降低的原因是各次谐波电流形成的失真功率(DiStonion POWer)。
如果把φ定义为电压U与基波电流I1之间的相位移，则上式应改写为：
Pw为输入有功功率;
PS为输入视在功率;
U为输入正弦波电压有效值;
I1为输入电流基波有效值;
φ为输入电压基波与输人电流基波之间的相位差;
cosφ定义为位移功率因数(Phase Displa Cement PoWer Factor);
IR为输入总电流有效值，且有
上式定义了非线性电路的输入功率因数是电压电流基波相移的余弦值与输人电流失真系数的乘积。根据电流总谐波畸变THDI的定义，又可表示为：
负载输入功率因数的提高意味着要求UPS输出更多的有功功率(kW)，而不再是更多的失真功率(DistortionPower)或表观功率(kVA)。因此，在UPS的容量选择时，考虑更多的也是UPS输出的有功功率(kW)，只要它能满足负载容量即可，而不再像过去那样过多地考虑表观功率(kVA)。
事实上，在某些工程实际的计算中经常也用cosp，近似代替功率因数PF，这是因为在负载非线性程度(例如THDI)较小时，PF与cos价之间的误差较小，例如:当PF二0 8时，按照上述公式得到THDI与cosp 的关系如表1所示。
1.4 关干容性负载
人们习惯上常用容性负载来描述计算机、服务器类IT设备的输入特性。容性负载原是指在线性负载中输入端电压及电流均为正弦波时，其电流相位超前于电压相位的负载。而计算机、服务器作为交流电源的负载通常为开关电源型负载(SwitchingModePowerSupply)，是典型的非线性负载，输入功率因数低主要是输人电流谐波成分造成的，其输入基波电压和电流并没有明显的相位差，只要降低输人电流的谐波成分，输入功率因数就会明显提高，所以简单地用容性负载来描述计算机类设备的输入特性并不是规范的说法。
2001年以后，为满足匝C/EN 61000一3一2AMDl-2001修订标准，开关电源型负载的输入端郡增加了功率因数校正(PFC)的整流技术，如图1所示。使得这些新型的计算机、服务器的输人电路特性发生了如下明显的变化：
(1)谐波电流大大降低：THDI从80%降低到<20%;
(2)m输入功率因数由原来的0.65提高到0.92。
负载输入功率因数的提高意味着要求UPS输出更多的有功功率(kW)，而不再是更多的失真功率(Distortion Power)或表现功率(kVA)。因此，在UPS的容量选择时，考虑更多的也是UPS输出的有功功率(kW)，只要它能满足负载容量即可，而不再像过去那样过多地考虑表现功率(kVA)。
图l 具有PFC功能的开关电源输入电路
2 关于\"高频机\"ups的负载功率因数
无变压器输出的UPS 俗称——\"高频机\"，是一种新型拓扑结构的UPS。由于大功率半导体开关器件的成熟，以及微电子控制技术的发展，使得取消UPS内部笨重、昂贵的逆变电路变压器已经成为可能，因此大功率(200kVA以上)无变压器输出的UPS成为UPS生产厂商竞相发展的新目标，并且将逐渐成为大功率UPS市场的主流产品。
2.1 UPS对负载功率因数的响应曲线
无变压器输出的大功率UPS，大多数是2001年以后设计定型的产品，为满足IEC/EN61000-3-2AMDl-2001修订标准的要求，其输出端能够承受较高的负载功率因数，这种UPS的特点是：在负载功率因数为0.8滞后到0.9超前时，输出有功功率kW数基本上保持不变，而表观功率kVA是随负载功率因数PF的不同而变化的，如图2所示。
图2 UPS输出对负载功率因数的响应曲线
由于新型IT设备的实际输入功率因数大多为超前的0.92——0.95，因此考虑UPS输出容量时，通常选用负载的有功功率(kW)来累计估算，再除以0.8或0.9(按照制造厂商申明的)作为选择UPS的依据，即可得到UPS的额定输出容量(kVA)。
2.2 关于UPS输出的功率折算(Derating)
UPS输出容量的功率折算是与诸多因素有关的，例如：负载的输入功率因数、负载的供电电压(UPS输出电压)、UPS的运行环境温度、海拔高度等。
(1)负载输入功率因数的影响
表2所标注的功率因数均为负载的输入功率因数PF，而不是cosφ。
例如对于某一个高频机：500kVA/40OV/50Hz的UPS来说，当负载功率因数变化时，UPS实际输出的kVA/kW数值也会变化，参见表2。
事实上，其功率折算远远优于同等电压/频率的具有变压器输出的UPS，参见表3。
由此可见，无变压器输出的UPS通常是按照\"kW/kVA\"=0.9设计的，因此具有更高的承受超前功率因数负载的能力，即对超前功率因数负载所需要的功率折算较少(折算系数大)，而传统的有变压器输出的UPS是按照 \"kW/kVA\"=0.8设计的，因此对超前功率因数负载的承受能力就要小一些，即功率折算要大一些(折算系数小)。
(2)负载输入电压的影响
负载的输人电压与UPS的输出电压是需要匹配的。按照国际标准，常用的50Hz交流电压分为：380V/400V/415V，当然还有其它等级的电压应用，例如船舶的460V电压等，总之额定电压不超过交流1000V。
对于UPS来说，在规定了标准输出容量之后，电压等级越高的UPS，其功率折算显得越小，这是因为UPS容量一旦确定，功率器件的额定电流随之确定，如果选择的输出电压较低，则通过功率器件的电流就较大，功率折算因此也较大。例如380V较400V的电压低5%，则输出电流就要高出5%，功率折算也会与400V的相差5%，而400V较
415V的电压低约3.6%，则输出电流也高出3.6%，功率折算也会相差3.6%，参见表4。
由此可见，UPS实际输出的表观功率和有功功率都与负载的输人电压成比例地变化，即功率折算与负载电压有关，其根本原因在于功率器件产生的焦耳热(I2t)。
(3)UPS运行温度的影响
由于功率器件的选择都是在一定的环境温度条件下设计的，例如有些UPS设计的连续运行温度为20℃，而有些UPS却设计为35℃。对于不同的运行温度，UPS的功率折算也是不同的。例如对于标准设计温度为35℃连续运行的UPS来说，其温度折算系数为:每降低10℃时，输出容量增加5%。
例如，对于500kVA UPS来说，当运行温度从35℃降低到20℃时，UPS输出的表观功率为500kVAxl.075=537.5kVA，对应的输出有功功率为450kW×1.075=483.75kW。
(4)海拔高度的影响
海拔高度超过1000m时，海拔越高空气密度越小，靠空气对流实现冷却的效果越差，因此也需要进行功率折算。表5为IEC62040-3、GB/T7260 .3、GB/T3859.2中通用的功率折算系数。
3 结束语
目前，大多数厂商都在开发和更新无变压器的UPS产品，它必将会发展成为市场的主流产品。
原文出自【比特网】，转载请保留原文链接：http://datacenter.chinabyte.com/366/11595866_2.shtml
