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。

一、 有功功率、无功功率、视在功率、功率因数

及峰值因子的概念

1.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。

2.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。

3.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来表示，单位为VA。

4.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Φ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cosineΦ=P/S。

5.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。 二、 UPS负载性质 1、 负载性质的种类

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 非线性负载 带有电解电容的整流滤波型负载 2、 不同负载的主要特性

选项 负载类型 线性阻性负载及功率因数已校正负载 非线性带有电解电容的整流滤波型负载 线性感性负载（电机、空调） 线性容性负载 3、 UPS禁止带的负载

有 有 无 电压与电冲击电电流失流相差 无 流 中等 峰值因有功功无功功功率因数 真 数 率 率 无 cosφ = 1 1.4 100% 约无 约高 高 cosφ≈0.7 2~2.8 70% 70% 约80% 有 60% 有 高 高 无 cosφ≈0.8 约1.4 无 cosφ＜1 约1.4 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 三、 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0.7。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0.7~0.8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0~1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1430Var PLx=SLx·cosΦ QLx=√SL2x-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1570Var

P=P负载1＋P负载2＋…＋P负载n P=1000W+1000W+1400W+1540W P=4940W

Q=Q负载1＋Q负载2＋…＋Q负载n Q=1430Var+1570Var Q=3000Var S=√PLx2+QLx2

S=√49402W2+30002Var2 S=5780VA

cosΦ=PL/SL=4940W/5780VA≈0.85

有功功率、无功功率、视在功率三者的关系： 1、有功功率（平均功率）

正弦交流电在一个周期内的平均功率为：

p1Tp(t)dt0T1TUIcoscos2tdtT0UIcos有功功率就是瞬时功率的平均值，也就是瞬时功率公式的第一部分，其中，cosφ 称为RLC电路的功率因数。 P

2、无功功率

有功功率反映的是电路消耗的功率，而无功功率反映的是电路储能元件的能量交换情况，它等于能量变换的最大功率，计算可得： 3、视在功率

交流电路中总电压与总电流有效值的乘积叫做视在功率，即： SQUIsinUIcosURII2RUI视在功率、有功功率和无功功率构成一个直角三角形，我们称为功率三角形，因此

SP2Q2cosPQ关系式：

功率的标称：以千瓦（kW）为单位的是P有功功率；以千伏安(kVA)为单位的是S视在功率。

有功功率又叫平均功率。交流电的瞬时功率不是一个恒定值，功率在一个周期内的平均值叫做有功功率，它是指在电路中电阻部分所消耗的功率，对电动机来说是指它的出力，以字母P表示，单位为千瓦（ｋW）。

无功功率：在具有电感（或电容）的电路里，电感（或电容）在半周期的时间里把电源的能量变成磁场（或电场）的能量贮存起来，在另外半周期的时间里又把贮存的磁场（或电场）能量送还给电源。它们只是与电源进行能量交换，并没有真正消耗能量。我们把与电源交换能量的振幅值叫做无

功功率，以字母Q表示，单位干乏（kvar）。

视在功率：在具有电阻和电抗的电路内，电压与电流的乘积叫视在功率，以字母S或符号Pｓ表示，单位为千伏安（kVA）。

有功功率、无功功率、视在功率三者关系可以用功率三角形表示

UPS的功能与作用

UPS是不间断电源(Uninterruptible Power System)的英文名称的缩写，它伴随着计算机的诞生而出现，是计算机常用的外围设备之一。实际上，UPS是一种含有储能装置，并以逆变器为主要组成部分的恒压恒频的不间断电源。 UPS在其发展初期，仅被视为一种备用电源。后来，由于电压浪涌、电压尖峰、电压瞬变、电压跌落、持续过压或者欠压甚至电压中断等电网质量问题，使计算机等设备的电子系统受到干扰，造成敏感元件受损、信息丢失、磁盘程序被冲掉等严重后果，引起巨大的经济损失。因此，UPS日益受到重视，并逐渐发展成一种具备稳压、稳频、滤波、抗电磁和射频干扰、防电压浪涌等功能的电力保护系统。目前在市场上可以购买到种类繁多的UPS电源设备，其输出功率从500VA到3000kVA不等。

当有市电供给UPS的时候，UPS对市电进行稳压(220V±5％)后为计算机供电。此时的UPS就是一台交流市电稳压器，同时它还向机内电池充电。因UPS设计的不同，UPS适应的范围也不同，UPS输出电压在±10-15％的变化一般属正常的计算机使用电压。当市电异常或者中断时，UPS立即将机内电池的电能通过逆变转换供给计算机系统，以维持计算机系统的正常工作并保护计算机的软硬件不受损失。 UPS的分类与特点

UPs电源按其工作方式可分为后备式和在线式两大类，按其输出波形又可分为方波输出和正弦波输出两种。

后备式UPS电源在市电正常供电时，市电通过交流旁路通道再经转换开关直接向负载提供电源，机内的逆变器处于停止工作状态。这种UPS电源在实质上相当于一台稳压性能极差的市电稳压器。它除了对市电电压的幅度波动有所改善外，对市电电压的频率不稳、波形畸变以及从电网串入的干扰等不良影响基本上

没有任何改善。只有当市电供电中断或低于170V时，蓄电池才对uPs的逆变器供电，并向负载提供稳压、稳频的交流电源。后备式UPS电源的优点是运行效率高、噪音低、价格相对便宜，主要适用于市电波动不大、对供电质量要求不高的场合。

在线式UPS电源在市电正常供电时，首先将市电交流电源变成直流电源，然后进行脉宽调制、滤波，再将直流电源重新变成交流电源，即它平时是由交流电经整流后又以逆变器方式向负载提供交流电源。一旦市电中断，立即改由蓄电池以逆变器方式对负载提供交流电源。因此，对在线式UPS电源而言，在正常情况下，无论有无市电，它总是由uPs电源的逆变器对负载供电，这样就避免了所有由市电电网电压波动及干扰带来的影响。显而易见，在线式UPS电源的供电质量明显优于后备式UPS电源，因为它可以实现对负载的稳频、稳压供电，且在由市电供电转换到蓄电池供电时，其转换时间为零。

方波输出的UPS电源带负载能力差(负载量仅为额定负载的40—60％)，不能带电感性负载。如所带的负载过大，方波输出电压中包含的三次谐波成份将使流入负载中的容性电流增大，严重时会损坏负载的电源滤波电容。

正弦波输出的UPS电源的输出电压波形畸变度与负载量之间的关系没有方波输出uPs电源那样明显，负载能力相对较强，并能带微电感性负载。 不管那种类型的UPS电源，当它们处于逆变器供电状态时，除非迫不得已，一般不要满载或超载运行，否则会使UPS电源的故障率明显增多。 UPS与负载的匹配

有的UPS用瓦(w)或者千瓦(kw)来表示其输出功率，如500W、1kw等；有的uPs用伏安(vA)或者千伏安(kvA)来表示其输出功率大小，如3000VA、5kVA等。vA与w的一般换算关系为：瓦是伏安的0．8倍，如3kvA=2．4kw。UPS是给负载供电用的，每一种UPS都有特定的输出功率能力。如3kVA的UPS，其最大输出功率是3kvA或者2．4kw，此时就要求接到这台uPS上的设备的耗电功率总和不能超过2．4千瓦。通常设备都标明了耗电功率(或者额定功率)，此时就应当使所有接到UPS上的设备的额定功率加起来不超过uPs的输出功率，这种方法通常就叫做UPS输出功率与负载耗电功率的匹配。但有些设备的启动功率是额定功率的3-5倍(例如打印机的额定功率为200W，则在计算负载匹配时要按5×200W=1000W进行折算)。除了打印机以外的其他计算机外部设备，通常

启动功率略大于额定功率，故考虑匹配时最好按UPS输出功率的80％进行负载匹配。标准的UPS未加外接电池前，在它的输出功率与负载耗电功率完全匹配(即全负载)的情况下，一般从市电中断时算起可供电约6～10分钟(具体数值每个型号的UPS说明书上都有记载)。如果以负载耗电功率只有UPS输出功率的一半计算(习惯叫半负载或者50％负载率，如1000W的UPS接入500W的负载)，则可供电12～25分钟，不同负载量时的UPS供电时间大约可参照负载减半时间加倍的方式计算。 使用注意事项

正确使用UPs电源，不但可以减少UPS发生故障的机会，而且能够有效地延长其使用寿命。平常应当注意以下几点：

(1)使用UPS电源时，应严格遵守厂家的产品说明书的有关规定，保证UPS所接市电的火线、零线顺序符合要求。

(2)配备UPS的主要目的是防止由于突然停电而导致计算机丢失信息和破坏硬盘，但有些设备工作时是并不害怕突然停电的(如打印机等)。为了节省uPs的能源，打印机可以考虑不必经过UPS而直接接入市电。如果是网络系统，可考虑UPS只供电给主机(或者服务器)及其有关部分。这样可保证uPs既能够用到最重要的设备上，又能节省投资。

(3)不要超负载使用UPS。uPs电源的最大负载量应该是其标称负载量的80％(如1000W的uPs，按80％负载率即800W去匹配负载；1000VA的UPS按80％换算成800W之后再按80％负载率即640W去匹配负载)。如果超载使用，在逆变状态下，常造成逆变三极管的击穿。此外，在使用UPS时，严禁接诸如日光灯之类的感性负载，而只能接纯电阻或较小的电容性负载。

(4)开关机时应当注意开关机的顺序：开机时先开uPs，稍后(最好是滞后l-2分钟，让uPS充分进入工作状态)再开通负载的电源开关，而且负载的电源开关要一个一个地去开通；关机时顺序正好相反，先一个一个地关掉负载的电源开关，再关掉UPS。UPS要长期处于开机状态，而计算机等负载则每次要用才开机，用完后只要关掉计算机等负载的电源开关即可。

(5)不要频繁关闭和开启UPS电源。一般要求在关闭uPs电源后，至少要等待6秒钟后才能再开启UPS电源，否则，UPS电源可能处于“启动失败”的状态，即UPS电源处于既无市电输出又无逆变器输出的不正常状态。

(6)UPS内电池内的电能有可能因某种原因而耗尽或者接近耗尽。为了补偿电池能量和提高电池寿命，UPS要进行及时的、较长时间的连续充电(通常不少于48小时，可以带或者不带负载)，以避免由于电池衰竭而引起故障。新购置或存放很久的UPS，在使用前，应先充电12小时。长期存放不用的UPS，每隔3个月，充电12小时，若处于高温地区，每隔2个月充电一次。UPS不充电就使用，会损坏蓄电池。