——王其英

    在UPS中有一個稱為“負載功率因數”的指標，這個指標是指明這臺機器向負載提供有功功率和無功功率的能力。由于有的將這個指標誤解成是UPS的“輸出功率因數”，這就出現了很大的誤差：就是這個功率因數的屬性問題。負載功率因數是指在UPS帶負載時在UPS輸出端測出的實際功率因數，如果這個功率因數和負載的輸入功率因數相等，該負載就可以得到UPS全部的的額定標稱功率，稱為完全匹配。否則該UPS就必須降額使用。這里的最大不同就是UPS帶不同負載時，測出的功率因數也就不同，為什么？因為測出的這個功率因數是負載的而不是其它。如果把它看成是UPS輸出端的，即屬于UPS的，那么不論帶什么負載，功率因數值應該是不變的，然而實際中并不是這樣。這就導致了一個誤區，并且在實際中產生了不良影響。

    一、電源的功率因數概念

    在電子領域的負載有三個基本品種：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載上的電壓和電流是同頻率同相位的，即相位差q= 0°，

    功率因數的定義是：

    在電阻負載上的有功功率就是視在功率，即二者相等，所以功率因數F=1。而在純電容和純電感負載上的電流和電壓相位差90°，所以功率因數F=cosq = cos90°=0，即在純電容和純電感負載上的有功功率為零,全部是無功功率。

    從這里可以看出一個問題，同樣是一個電源，對于不同性質的負載，其輸出功率的大小和性質也不同，因此可以說負載的性質決定著電源的輸出。換言之，電源的輸出不取決于電源的本身，而是由負載的需要決定。就像一座水塔的供水水流取決于水龍頭的開啟程度一樣。

    從上面的討論可以看出，功率因數是表征負載性質和大小的一個參數。而且一般說一個負載只有一種性質，就像一個人只有一個身份證號碼一樣。這種性質的確定是從負載的輸入端看進去，稱為負載的輸入功率因數。一個負載電路設計完成了，它的輸入功率因數也就定了。比如UPS作為前面市電或發電機的負載而言，六脈沖整流輸入的UPS，其輸入功率因數就是0.8左右，不論前面是市電電網還是發電機，假如該UPS要求輸入100kVA的視在功率，就需要向前面的電源索取80kW的有功功率和60kvar的無功功率。

    二、UPS負載功率因數的含義

    現代UPS總不能一對一地制造，要事先根據當前用電器的形式和規模預先制造出一批或幾批不同功率因數和功率規格的機器，以備市場現貨銷售。預先制造出一批或幾批UPS的根據就是負載功率因數的大小和容量規格。當UPS的負載功率因數與負載的輸入功率因數相等時，就稱為完全匹配，UPS就可向負載輸出全部功率。即37碼的鞋穿在37碼的腳上就正合適，否則就感到不舒服，那么這雙鞋的舒適度就打了折扣。UPS也是這樣，遇到不匹配負載時，就必須降額使用。

    三、對負載功率因數的誤解

    有的就誤把UPS的負載功率因數誤解為UPS的輸出功率因數。這種誤解的來源大概認為UPS既然有輸入功率因數就一定有輸出功率因數，這樣一來UPS的性質就有兩種，從輸入看進去是一種性質，從輸出看進去又是另一種性質，誤解了電路性質的唯一性。既然是UPS的輸出功率因數，如前所述，如果UPS有輸出100kVA的能力，那么應當在任何負載性質的條件下都可給出功率因數所指出的有功功率和無功功率。比如被稱為輸出功率因數的數值為0.8時，在任何負載性質的條件下都可給出80kW的有功功率和60kvar的無功功率。但實際上不是這樣。比如往往出現這種情況，當負載功率因數為0.8的100kVA UPS在帶線性負載時，就會因過載而轉旁路，這是其一；其二，當用功率因數表測量UPS輸出端時發現，在帶線性負載時其功率因數值為1，當帶二極管整流濾波輸入的IT負載時其功率因數值又是0.7，怎么也出不來0.8！實際上這兩種情況測得的都是負載的功率因數，所謂輸出功率因數0.8根本就不會出現，除非帶輸入功率因數為0.8的負載時，但那時測得的也仍然是負載的功率因數。即只要帶負載測量，測得的就是負載的功率因數。這樣一來，只有不帶負載時才可測得UPS的“輸出功率因數”，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，但根據式（1）

    這個結果就是一個無理數。用功率因數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”沒有任何操作性。沒有任何操作性的指標是沒任何意義的，是荒唐的指標。

    所以在全匹配的條件下，負載功率因數為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載。即在UPS的負載功率因數與負載的輸入功率因數完全匹配時，負載上得到的功率就是：

    如果負載的輸入功率因數與UPS的負載功率因數不相等，情形又會怎樣呢？比如后面的負載是線性負載，即負載的輸入功率因數=1，這種情況經常出現在UPS帶假負載考機情況，如圖4所示。在這里有一個很大的區別，負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載端提供的局面。由于60kvar的容抗XC是：

    從上式可以看出，逆變器輸出首先并聯了一個小于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：

    而原來逆變器可以提供的電流IINV為：

    很顯然，必須從逆變器輸出電流中減去上述的容性電流，余下的才是負載應得的電流Ir，即：

    那么此時負載上能夠得到的功率Pr就只有：

    Pr =241A´220V»53kW （8）

    或者用功率計算式得出同樣的結果：

    因此負載功率因數為0.8的100kVA UPS在帶線性負載時，只能給出53kW的功率，其它功率都內耗了。原因是以往的工頻機型UPS逆變器大都是按功率因數選擇功率管的，例外者不多。所以在以往的機器中不止一次地證明了這個結論。也就是說當負載的輸入功率因數不等于UPS的負載功率因數時，UPS就必須降額使用。這是一般規律，當然對不同負載功率因數的UPS有著不同的降額值。

    3. 對UPS功率因數的誤解危害

    正是由于有的用戶將負載功率因數誤認為是UPS的“輸出功率因數”，不但將歸屬關系搞錯了，而且還引出了一個根本不存在的概念。既然是“UPS的輸出功率因數”，那么UPS的輸出功率就必須服從這個功率因數值，也就是說“功率因數為0.8的100kVA UPS在帶線性負載時也應給出80kW的輸出功率”。如果這種誤解僅僅是個別用戶，最多導致用戶和供應商方面的矛盾。但如果是制定標準者陷入這個誤區，危害就是全國的UPS制造商。

    和負載功率因數并列的一個量就是UPS輸出電壓的諧波失真度，有的將二者混為一談，認為只要輸出電壓的諧波失真度達到要求，那么負載功率因數也就知道了，所以可以不要。實際上在產品設計中負載功率因數和諧波失真雖然有些聯系，但不是一碼事，各自的考慮不同。諧波失真度就好比是衡量這件衣服做得活計好不好，針腳密不密，樣式好不好。而功率因數表示的則是男服裝還是女服裝，是什么款式和多大號的衣服，等等。

    更令人費解的是有些讀者至今仍認為功率因數是百分數，常聽到有人問：你的UPS輸入功率因數是百分之多少？這從上面的計算就可清楚地看到，有功功率和無功功率是正交關系。所以有功功率和無功功率是不能直接加減的。比如上面的例子，如果將80kW看做80%，那么60kvar就是60%，這樣一來有功功率和無功功率加在一起就是140%，顯然是不對的。這個最基本的基本概念如果搞不清楚，其他概念就很難去理解了！

    當前的IT負載都把輸入功率因數補償到了0.95以上，有的甚至補過了頭，略顯容性。所以當今UPS的負載功率因數也與時俱進地做到了0.9，實際上目前絕大多數高頻機UPS都做到了這個指標，但也并不意味著帶線性負載時100kVA可以給出90kW。

    四、對其它的誤解

    當今UPS的發展方向是高頻機型UPS，這是相對于傳統的工頻機型UPS而言。所謂工頻機型UPS，現在的說法就是UPS的主電路（整流器和逆變器）只要不是都工作在數倍50Hz以上頻率就是工頻機型UPS。比如傳統UPS的輸入整流器還是采用半控器件可控硅，仍工作在50Hz的電網工業頻率，而高頻機型UPS的主電路（整流器和逆變器）都采用了全控器件IGBT，都工作在數千赫茲，是50Hz的幾十到幾百倍。正是由于頻率的區別才有了工頻機型UPS和高頻機型UPS之說。有的誤解成工頻機型UPS和高頻機型UPS的區別是有無輸出變壓器（這里指的是電磁式的變壓器）。實際上有無變壓器根本不是二者區別的關鍵，因為有無輸出變壓器和逆變器的電路結構有關：如果前面的整流器仍然是工作在50Hz的可控硅，而逆變器采用采用了半橋解構，照樣可以省去變壓器，難道就變成高頻機UPS了！而高頻機UPS的逆變器如果采用了全橋結構，就必須加變壓器，難道就變成工頻機UPS了！要知道電路仍然工作在數千赫茲啊，是50Hz的幾十到幾百倍啊！<