做為現(xiàn)代通信系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)主要供電設(shè)備的不間斷電源UPS其輸出電氣指標(biāo)共有十余項(xiàng),本文就輸出功率因數(shù)(PF)一項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行較詳細(xì)的討論,并介紹此項(xiàng)指標(biāo)的測試方法。

　　UPS的輸出功率因數(shù)是多數(shù)用戶較為關(guān)照的技術(shù)指標(biāo)之一，因?yàn)閁PS輸出功率因數(shù)的高、低將直接影響對各種負(fù)載(如感性、容性及整流非線性負(fù)載)的驅(qū)動能力。交流供電設(shè)備的輸出容量是以伏安(VA)為單位來表示的。即供電設(shè)備的輸出交流電壓的有效值與電流有效值的乘積，也就是我們所說的視在功率PS。

　　UPS的輸出容量是以視在功率VA來表示的。所有的UPS在標(biāo)明輸出容量的同時還標(biāo)明了輸出功率因數(shù)。目前國內(nèi)市場上銷售的進(jìn)口或國產(chǎn)UPS的輸出功率因數(shù)一般在0.6～0.8之間。對UPS輸出功率因數(shù)的理解和評價在一些用戶和UPS銷售商中存在一些不全面的理解和不恰當(dāng)?shù)脑u價。

　　一些UPS用戶或銷售人員認(rèn)為輸出容量PS與功率因數(shù)PF的乘積就是UPS的實(shí)際輸出功率或稱輸出有功功率P，即P=PS×PF。這樣理解和解釋輸出功率因數(shù)雖然沒有錯誤，但還很不全面。忽視了UPS輸出能力的另一方面即無功功率PQ的輸出能力。先代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及自動化控制系統(tǒng)中的大部分交流用電負(fù)載為非線性負(fù)載，其中以整流非線性負(fù)載居，在自動化控制系統(tǒng)中也常有具有鐵芯的感性非線性負(fù)載，如變壓器、交流電動機(jī)等。這些用電負(fù)載正常工作時不僅需要有功功率P，而且還須要UPS在輸出電壓波形無明顯失真狀態(tài)下能提供負(fù)載必須的無功功率PQ才能確保用電負(fù)載正常工作。 UPS對負(fù)載所提供的無功功率PQ是由除基波電流以外的各次諧波電流提供的。

　　每個交流用電負(fù)載視其阻抗特性的不同功率因數(shù)的表達(dá)方式也不相同，功率因數(shù)有兩種表達(dá)方式即相移功率因數(shù)cosφ和失真功率因數(shù)PFD。

　　相移功率因數(shù)一般產(chǎn)生在線性負(fù)載上，如容性或無鐵芯電感負(fù)載等。由于負(fù)載上正弦電壓與正弦電流的相位不同而產(chǎn)生了相移功率因數(shù)，相位角φ的余弦值即為相移功率因數(shù)。如圖1所示。從圖中可看出電壓u與電流I雖然有相位差，但兩者都是正弦波，電流波形中沒有由于負(fù)載所引起的附加諧波電流。　　失真功率因數(shù)主要產(chǎn)生在二極管整流、可控硅整流和帶有鐵芯的感性非線性負(fù)載上。二極管整流及鐵芯感性非線性負(fù)載上的相移功率因數(shù)一般都比較高，如交流異步電動機(jī)的相移功率因數(shù)一般在0.9左右，二極管整流非線性負(fù)載的相移功率因數(shù)一般可達(dá)0.98～0.99。但由于這兩種負(fù)載工作時會產(chǎn)生較大的諧波電流，如圖2 所示。由于負(fù)載中有諧波電流而沒有與之對應(yīng)的諧波電壓，所以諧波電流在輸入電壓的一個周期內(nèi)的平均功率為零，諧波電流只是在UPS輸出端與負(fù)載之間進(jìn)行無功交換。尤其是二極管整流非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流與基波電流幾乎相等。

　　失真功率因數(shù)的定義為：　 PD=VI1/VIT=I1/IT=I1/√I12+I22+I32+I42+…… ……………(1)

　　式中I1—基波電流的有效值;

　　IT—包含基波電流在內(nèi)的總諧波電流有效值;

　　由式(1)可看出當(dāng)不含基波電流I1在內(nèi)的各次基波電流有效值為零時，失真功率因數(shù)PFD=1。二極管整流非線性負(fù)載的失真功率因數(shù)PFD=0.6～0.7，由式(1)可以推算出除基波以外的各次諧波電流有效值之和是基波電流有效值的1.02～1.33倍。

　　當(dāng)用電負(fù)載的電壓與電流既有相位差φ又有諧波電流時的功率因數(shù)稱為總功率因數(shù)PFT?？偣β室驍?shù)PFT與相移功率因數(shù)cosφ和失真功率因數(shù)PFD之間的關(guān)系為： 　 PFT=cosφ×PFD ……………(2)

　　公式(2)適用于各種類型的負(fù)載。UPS所標(biāo)明的輸出功率因數(shù)即為總功率因數(shù)PFT，也有用cosφ來表示UPS的總功率因數(shù)，這只能說是對 cosφ功率因數(shù)的一種廣義理解。UPS即然是重要的交流供電設(shè)備就應(yīng)該滿足不同阻抗特性或針對某種阻抗特性負(fù)載的要求。即在提供有功功率的同時還必須提供負(fù)載所需要的無功功率。所以UPS的輸出功率因數(shù)不僅是用來表明輸出有功功率的指標(biāo)，同時還是表示UPS輸出無功功率的指標(biāo)。經(jīng)大量的測試發(fā)現(xiàn)，確有一些小容量(3kVA～5kVA)的UPS用阻性負(fù)載測試時，其輸出有功功率和輸出電壓波形失真度均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。但改用與其輸出功率因數(shù)相符合的二極管整流非線性負(fù)載測試時，UPS不但顯示過載告警而且輸出電壓波形失真度明顯增加，同時UPS產(chǎn)生電磁振蕩及嘯叫聲。這種現(xiàn)象說明UPS不足以提供負(fù)載所需的諧波電流，導(dǎo)致UPS與負(fù)載都不能正常工作。　　由此可見，在考核UPS輸出能力時不能只用阻性負(fù)載測試UPS的輸出有功功率，還需用與UPS輸出功率因數(shù)相適應(yīng)的二極管整流非線性負(fù)載、帶有鐵芯的感性負(fù)載和電容性負(fù)載分別進(jìn)行輸出功率因數(shù)的測試。只有這樣才能全面考核UPS對各種阻抗特性的負(fù)載的驅(qū)動能力?！　￡P(guān)于如何評價UPS的輸出功率因數(shù)這項(xiàng)指標(biāo)，主要還是根據(jù)UPS所帶負(fù)載的阻抗特性來評價，不能一概而論。一般中小容量(約20kVA以下)的 UPS的負(fù)載大多數(shù)是PC機(jī)、小局域網(wǎng)及服務(wù)器或小型計(jì)算機(jī)，這些負(fù)載的輸入電路一般都是二極管整流非線性負(fù)載，相移功率因數(shù)cosφ可高達(dá)0.98～0.99，但失真功率因數(shù)PFD較低，一般只有 0.65左右，所以這類負(fù)載的總功率因數(shù)為0.6～0.7。選擇UPS時在保證輸出容量滿足負(fù)載要求的前提下，輸出功率因數(shù)為0.6～0.7都是較為適合的。對大型UPS來說負(fù)載情況比較復(fù)雜，其三相輸出的負(fù)載阻抗特性分布也不盡相同，所以要根據(jù)負(fù)載的具體情況來選擇UPS的輸出功率因數(shù)?，F(xiàn)在也有輸出適應(yīng)能力很強(qiáng)的UPS，其輸出功率因數(shù)范圍可做到0～1也就是說次種UPS的輸出可由99%無無功功率到99%有功功率。但這種UPS的造價和售價都是較昂貴的?！　PS輸出功率因數(shù)的測試是比較復(fù)雜的，所以只有一些規(guī)模較大的專業(yè)生產(chǎn)廠家才有可能進(jìn)行這項(xiàng)指標(biāo)的全面測試。如果UPS的輸出功率因數(shù)指標(biāo)后面沒有表明“超前”或“滯后”就意味著此臺UPS對感性或容性負(fù)載都適用。輸出功率因數(shù)后面標(biāo)明“超前”者適用于容性負(fù)載，反之適用于感性負(fù)載。 UPS的大多數(shù)負(fù)載是感性或二極管整流非線性負(fù)載，下面簡單介紹這兩種負(fù)載條件下的輸出功率因數(shù)測試方法。

　　帶有鐵芯的感性負(fù)載測試電路如圖(3)所示，圖中L為帶有鐵芯的電感線圈，R為電感線圈電阻與串聯(lián)負(fù)載電阻之和。負(fù)載電路中電流與電壓的相位角 φ由電阻R與電感L決定即：φ=arctgωL/R。調(diào)節(jié)電阻R或電感L值可改變相位角φ使cos　φ與UPS的輸出功率因數(shù)相等。負(fù)載阻抗Z=√R2+ (ωL)2，負(fù)載中的電流I=U/Z，負(fù)載上的視在功率PS=U×I=U2/Z。待負(fù)載容量及功率因數(shù)滿足測試條件時，用電力諧波分析儀觀察UPS的輸出電壓、頻率及電壓波形失真度是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。測試電路中電阻R的允許耗散功率WR應(yīng)滿足于WR>U/Z×R，電感線圈導(dǎo)線截面積可按5A/mm2 參考計(jì)算?！　?二極管整流非線性負(fù)載的測試電路如圖(4)所示。圖中電阻RS是模擬電源線的壓降，同時也可通過調(diào)節(jié)RS、電容C及負(fù)載電阻RL的值使非線性負(fù)載的功率因數(shù)在小范圍內(nèi)變化。當(dāng)RL與C的時間常數(shù)為0.15s、RS上的功率是視在功率的4%時，此非線性負(fù)載的功率因數(shù)為0.7。當(dāng)UPS輸出容量及非線性負(fù)載的功率因數(shù)滿足測試條件時，用電力諧波分析儀觀察UPS的輸出電壓、頻率及電壓波形失真度是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

　　對于通信行業(yè)所使用的UPS的主要容量負(fù)載為管整流非線性負(fù)載，所以對UPS輸出能力測試時使用二極管整流非線性負(fù)載是較接近UPS實(shí)際使用狀態(tài)的。