1.功率因數(shù)的由來

  自從伏特發(fā)明伏打電池以后,直流供電的負(fù)載性質(zhì)是的,即都是電阻性的。原因是負(fù)載上的電流電壓是同相的,所以負(fù)載上的功率都是有功功率。正弦波交流電的出現(xiàn)在使用非純電阻負(fù)載時就發(fā)現(xiàn)電流和電壓正弦波不同相了,出現(xiàn)了相位差θ,如圖1所示。而且還發(fā)現(xiàn)在這種負(fù)載上的實際功耗比純電阻時小了,有一部分功率被儲存起來了。這很像力學(xué)中的垂直移動做功而水平移動不做功一樣。并研究發(fā)現(xiàn)這種實際功耗P是由相位差θ的余弦決定的
P=UIcosθ(1)
Q=UIsinθ(2)
而電流乘以電壓乘以θ的正弦就是儲存的能量Q,此二者和輸入總功率S的關(guān)系也正是直角三角形勾股弦的關(guān)系,即

為了區(qū)別這種負(fù)載與電阻性負(fù)載,就起了一個“阻抗”的名字,即消耗功率的部分是電阻,儲存功率的部分稱為電抗。

尤其是在純電感和純電容負(fù)載上這種相位差達(dá)到了90°,純電感和純電容上不被消耗的功率,全部儲存在器件里面。如果后面接上電阻,這些儲存的功率就會像電源一樣將能量供出去,于是就把這種儲存在儲能裝置中的功率稱作無功功率。可以看出,在電子器件中有三種負(fù)載的形式:電阻、電容和電感。電阻是消耗功率的,電感和電容則是儲存功率的。而且還發(fā)現(xiàn)電容上的電流是超前電壓的,而電感上的電流是滯后于電壓的,如圖2所示。這樣一來電容和電感負(fù)載上的電流就相差180°,這從圖2中也可以看出。這個特點就賦予了二者的互補特性,即二者的電流和電抗可以直接相減(抵消)。為了兩種功率因數(shù)有所區(qū)別,一般作了這樣的規(guī)定,在電流超前的功率因數(shù)(容性)前面冠以“+”號,電流滯后的功率因數(shù)(感性)前面冠以“-”號。在早期的進(jìn)口UPS中的負(fù)載功率因數(shù)前面都有一個“-”號。

既然負(fù)載功率因數(shù)與UPS無關(guān),要它何用?它和其它產(chǎn)品一樣,負(fù)載功率因數(shù)是當(dāng)代規(guī)模化生產(chǎn)和市場經(jīng)濟(jì)的產(chǎn)物。比如衣服,以前是個人經(jīng)濟(jì),各家各戶自己做衣服穿�，F(xiàn)代人們可以到市場上現(xiàn)買現(xiàn)穿,那么如果市場上沒有廠家預(yù)先做成的產(chǎn)品擺放在那里,我們就沒有這個方便。那么廠家根據(jù)什么來定服裝的款式呢?這些資料都來源于社會,男人大概有幾種尺寸,女人有幾種樣式等,綜合這些資料作出一批男女服裝,有S、M、XL等,供人們選擇。UPS也是這樣,也要預(yù)先作出一批供用戶選擇,負(fù)載功率因數(shù)就是根據(jù)當(dāng)前普遍負(fù)載的性質(zhì)而定的,在早期一般負(fù)載的功率因數(shù)為0.8,因此那時的UPS負(fù)載功率因數(shù)幾乎100%都按這個值設(shè)計和生產(chǎn)的�，F(xiàn)在負(fù)載設(shè)備的輸入功率因數(shù)普遍提高了,很多廠家就推出了0.9功率因數(shù)的產(chǎn)品。
就是說設(shè)計規(guī)定按這個功率因數(shù)值出廠的UPS在與負(fù)載輸入功率因數(shù)相匹配時就可以輸出的功率,如圖3所示。就像37碼的鞋穿到37碼的腳上最合適,否則就難受了。UPS也是這樣,如果負(fù)載的輸入功率因數(shù)和UPS的設(shè)計不相符,就不能輸出全部的功率,根據(jù)實際情況要降額使用。所以負(fù)載功率因數(shù)是衡量UPS產(chǎn)品帶載能力的一個重要指標(biāo)。但它和波形失真是兩回事,波形失真是衡量電源的輸出正弦波形是否規(guī)整,就像衣服一樣是反映這件衣服的活路是否細(xì)膩,看起來是否漂亮。至于是男服裝還是女服裝必須由功率因數(shù)定性。所以諧波失真不能代表負(fù)載功率因數(shù)。從另一方面說,負(fù)載功率因數(shù)只是間接反映UPS的帶載能力,而諧波失真是直接反映UPS輸出電壓波形質(zhì)量的一個指標(biāo),二者的隸屬關(guān)系不同。

近年來，隨著IT產(chǎn)業(yè)的復(fù)興、通訊產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展，以及各行各業(yè)對于大容量數(shù)據(jù)機(jī)房的巨大需求,中大功率UPS的使用量越來越大，對于UPS的技術(shù)要求也越來越高。同時,配套產(chǎn)業(yè)以及器件的發(fā)展給中大功率UPS的技術(shù)發(fā)展帶來了機(jī)遇。新型磁性元器件、新型半導(dǎo)體功率器件、新一代數(shù)字信號處理器等層出不窮，這些都讓中大功率UPS的技術(shù)水平達(dá)到了高度。

    1   新器件的應(yīng)用

    近年來隨著鐵磁技術(shù)的飛速發(fā)展，工程師在設(shè)計優(yōu)化時的材料可選擇性大大提高。在開關(guān)電源、電感、扼流圈以及濾波器的設(shè)計方面，最常用的材料包括MPP(鉬坡莫合金)、High Flux(高磁通磁芯)、Sendust(鐵硅鋁)以及鐵粉芯磁芯(見圖1、圖2)。針對不同的應(yīng)用場合,每種材料都有各自的特點。

圖1 非晶超微晶磁芯

  圖2  金屬粉芯磁芯

    粉芯材料磁芯是由高磁導(dǎo)率材料經(jīng)過研磨或者噴霧造粒形成粉末，磁芯的磁導(dǎo)率取決于高磁導(dǎo)率材料微粒的尺寸和密度大小，調(diào)整微粒的尺寸和密度可以得到不同磁導(dǎo)率的磁芯。微粒尺寸越小，直流偏置特性越好，但是成本越高。粉末微粒之間彼此絕緣，因此磁芯固有的分布?xì)庀毒哂懈玫膬δ苣芰�，特別適合在儲能電感中應(yīng)用。 
    粉芯的分布式氣隙特性確保能量儲存在整個磁芯體中，這就使得磁芯的溫度穩(wěn)定性較高。而傳統(tǒng)開氣隙的鐵氧體磁芯由于能量儲存在氣隙附近,漏感較大，使得氣隙損耗和電磁干擾都明顯增加，有時局部氣隙損耗甚至比磁芯本身的損耗還大，因此磁芯的溫度穩(wěn)定性不太穩(wěn)定。優(yōu)化磁芯的原則是選擇能夠滿足所有的設(shè)計目標(biāo)需求的同時，具有最小折衷的材料。如果成本是首要考慮因素，鐵粉芯是選擇。如果溫度穩(wěn)定性是優(yōu)先考慮因素，那么應(yīng)首選MPP磁芯。 
    伴隨著上述新材料的應(yīng)用，中大功率UPS中以往廣泛使用的硅鋼類電感、變壓器將有機(jī)會得到替換。從而可以大大提高磁性元器件的功率密度以及性能水平，UPS系統(tǒng)的功率密度以及性能也將由此而得到提高。 
    作為中大功率UPS中的重要功率器件，IGBT以及SCR器件近年來也得到了大的發(fā)展，各大廠商針對UPS的發(fā)展需要提出了大量的解決方案。 
    三電平IGBT模塊給UPS的高頻整流器、逆變器帶來了的機(jī)遇，從而為三電平技術(shù)的推廣應(yīng)用打下了堅實的基礎(chǔ)，如圖3所示。以往構(gòu)建三電平系統(tǒng)，設(shè)計者需要使用分立的器件來搭建，性價比和系統(tǒng)穩(wěn)定性都得不到保障，因此三電平技術(shù)一直未得到大規(guī)模的應(yīng)用。這種IGBT模塊將所有的器件集成在一起，簡化了系統(tǒng)設(shè)計，提高了可靠性，給這種技術(shù)在UPS中的應(yīng)用帶來了機(jī)會。三電平技術(shù)的應(yīng)用可以大大降低磁性元器件的使用量，提高系統(tǒng)的靜態(tài)與動態(tài)性能指標(biāo)，提高系統(tǒng)的功率密度，降低成本。

圖3  三電平IGBT模塊

    一些器件廠家針對電力電子系統(tǒng)的散熱需求，給出了一些很好的解決方案。 
    圖4為新一代的大功率水冷IGBT模塊，可以看出其散熱器的用量明顯降低。并且,通過水冷技術(shù)的使用，系統(tǒng)的功率密度明顯提高，噪聲大大降低，熱性能得到提高，可靠性較以往的風(fēng)冷技術(shù)也得到了較大的提升。

圖4  大功率水冷IGBT模塊

    另外，一些半導(dǎo)體工業(yè)的最新器件，例如SiC、ESBT、JFET等，也將逐漸地在UPS產(chǎn)品中得到應(yīng)用，在提升各個子系統(tǒng)性能的同時，提升UPS系統(tǒng)的各項指標(biāo)。 
    在UPS控制部分，隨著DSP、FPGA等數(shù)字化芯片的推廣應(yīng)用，以往大量使用的分立元器件將大大減少，從而簡化了電路板,提高了可靠性、可生產(chǎn)性、可維護(hù)性,并且降低系統(tǒng)成本，提高系統(tǒng)的性能。 
    2 新電路拓?fù)涞膽?yīng)用 
    近年來，世界各國電力電子機(jī)構(gòu)都不斷地推出新的中大功率UPS拓?fù)浼夹g(shù)。很多拓?fù)浼夹g(shù)都得到了應(yīng)用，從根本上給UPS系統(tǒng)的設(shè)計帶來了革命。上述的三電平結(jié)構(gòu)就是其中之一。 
    圖5的Z-Source變換器為近年來的研究成果之一。利用Z型無源網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)電源和負(fù)載的耦合，可靈活地獲得升/降直流電壓。與傳統(tǒng)的實現(xiàn)降壓級聯(lián)電路相比較，阻抗源整流器不需在上下橋臂的驅(qū)動脈沖中加死區(qū)，減少了輸入電流波形的畸變，而且具有效率高、電路體積小等優(yōu)點。其靈活的升降壓特點，為燃料電池等新能源在UPS中的應(yīng)用提供了契機(jī)。

圖5 Z-Source變換器

    九開關(guān)變換器較以往的三相四線PFC整流器和三相四線逆變器相比，使用的開關(guān)管數(shù)量減小了，從而降低了系統(tǒng)的造價，如圖6所示。另外，通過現(xiàn)代控制技術(shù)的應(yīng)用，其性能有望能達(dá)到現(xiàn)有PFC整流器和逆變器的水平。                       

圖6  九開關(guān)變換器

    新型開關(guān)單元變換器具有提高輸入輸出等效開關(guān)頻率，降低電感量需求，提高并聯(lián)均流效果等優(yōu)勢，也將給UPS的整流器和逆變器拓?fù)鋷頇C(jī)會，如圖7所示。

圖7 新型開關(guān)單元變換器

    在通訊電源、DC/DC變換器等領(lǐng)域，軟開關(guān)技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。在中大功率UPS上這一技術(shù)的應(yīng)用可以降低功率器件的損耗，提高可靠性，提高系統(tǒng)效率，提高EMC/EMI性能。 
圖8給出了一種可以應(yīng)用在中大功率UPS中的軟開關(guān)拓?fù)�，ARCP(Auxiliary Resonant Commutated Pole)結(jié)構(gòu)。

圖8 ARCP軟開關(guān)變換器

    3 新系統(tǒng)解決方案的應(yīng)用 
    隨著水冷、液冷等技術(shù)在其他電力電子產(chǎn)品中的應(yīng)用普及，中大功率UPS也即將進(jìn)入此項技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。 
    從圖9可以看出，左側(cè)的傳統(tǒng)風(fēng)冷功率模塊占地面積大、體積大、金屬用量多、功率密度低，而右側(cè)的液冷模塊就可以解決上述這些缺點。在當(dāng)今的高端機(jī)房中，功率密度的要求已經(jīng)越來越高，對于單機(jī)的容量需求越來越大，給UPS提供的安裝空間卻越來越小。因此，研制出體積小、單機(jī)容量大的產(chǎn)品勢在必行。

圖9 新型液冷功率模塊  

    PFC整流器技術(shù)在中大功率UPS中也得到了廣泛的應(yīng)用，200kVA以下的UPS很多廠商都已經(jīng)推出了PFC整流的產(chǎn)品。相對應(yīng)于傳統(tǒng)的6脈沖或者12脈沖整流器，PFC整流帶來的技術(shù)優(yōu)勢是顯而易見的，提高了輸入功率因數(shù)，降低了UPS輸入側(cè)的電流諧波，使UPS實現(xiàn)了綠色化的理念。在不久的將來，PFC整流將有機(jī)會往更大功率等級上發(fā)展。 
    大功率PFC整流器結(jié)構(gòu)，如圖10所示，一些國外廠家已經(jīng)開始嘗試將其功率做到600kVA以上。大功率PFC整流對于提高大型UPS系統(tǒng)性能、降低造價、提高可靠性等方面都具有非常大的積極意義。 

 
圖10 大功率PFC整流器結(jié)構(gòu)

    4 其他行業(yè)技術(shù)的嵌入應(yīng)用 
    現(xiàn)代的中大型UPS供電系統(tǒng)已經(jīng)融合應(yīng)用了其他行業(yè)的大量技術(shù)。移動通信以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的嵌入式應(yīng)用，使得用戶可以實時地對分布于全球的UPS系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。先進(jìn)的電池檢測技術(shù)可以檢測到每塊電池的健康狀況并給出預(yù)測報。先進(jìn)的故障檢測與預(yù)系統(tǒng)可以預(yù)測出UPS中各子系統(tǒng)的運行狀況，給出分析報告,防患于未然，提高系統(tǒng)可靠性和可用性。 
    5 結(jié)束語 

    作為信息設(shè)備的守護(hù)神，UPS系統(tǒng)承載著巨大的責(zé)任。大量的應(yīng)用需求驅(qū)動著其技術(shù)不斷革新?lián)Q代�？梢灶A(yù)見,隨著金融、通訊、IT等高端市場需求的不斷增長，更多、更廣泛的新技術(shù)將應(yīng)用到中大功率UPS系統(tǒng)中去，UPS系統(tǒng)將朝著智能化、大型化、綠色化、節(jié)能化等方向不斷發(fā)展。

UPS不間斷電源蓄電池常識解答

為什么高型電池采用臥放，低型電池采用豎放？

答：高型電池豎放易導(dǎo)致電池內(nèi)部電解液分層，放置時間久后，上層的 酸密度變稀，下層 酸密度變濃，從而形成濃差微電池，長期如此導(dǎo)致電池自放電嚴(yán)重，縮短電池使用壽命。

低型電池電解液分層的可能性小得多，而采用豎放將有效地減少電池漏液的可能，因此矮型電池宜選擇堅立放置。

怎樣確定電池的安裝方式？

答：對于采用 AGM 技術(shù)的閥控電池，高型設(shè)計的電池在安裝時應(yīng)選擇水平臥放，以免在使用過程中產(chǎn)生電解液分層。安裝時，主要考慮安裝面積和地面承重，用戶可根據(jù)電池安放區(qū)情況選擇二層、四層和八層的安裝方式，在地面承重允許的情況下，選擇四層或八層方式安裝可節(jié)省占地面積，這種方式較適合于電池放在一樓或地下室，對于有足夠的面積而地面承重能力差的情況，宜采用二層方式安裝。具體安裝方式參照“電池安裝手冊”。超出“安裝手冊”以外的，由公司技術(shù)人員為客戶進(jìn)行專項設(shè)計，也稱之特殊設(shè)計。

為什么新舊電池、不同類型電池， 不要混合使用？

答：由于新舊電池、不同類型電池的電池內(nèi)阻大小不一，電池在充放電時差異明顯，如串聯(lián)使用會造成單只過充或欠充；如果并聯(lián)使用，則會造成充放電偏流，各組電池的電流不一致。

電池在運行維護(hù)過程中，需經(jīng)常檢查哪些項目？

答：（ 1 ）電池的總電壓、充電電流及各電池的浮充電壓；

     （ 2 ） 電池連接條有無松動、腐蝕現(xiàn)象；

     （ 3 ）電池殼體有無滲漏和變形；

     （ 4 ）電池的電池柱、安全閥周圍是否有酸霧溢出。

什么叫浮充電壓？怎樣確定電池的浮充電壓？

答：浮充使用時蓄電池的充電電壓必須保持一恒定值，在該電壓下，充放電量應(yīng)足以補償蓄電池由于自放電而損失的電量以及氧循環(huán)的需要，保證在相對較短的時間內(nèi)使放過電的電池充足電，這樣就可以使蓄電池長期處于充足電狀態(tài)，同時，該電壓的選擇應(yīng)使蓄電池因過充電而造成損壞達(dá)到程度，此電壓稱之為浮充電壓。

新安裝的電池，有些壓差較大，會影響使用嗎？

答：新安裝的電池，經(jīng)過一定時間浮充運行后，浮充電壓將趨于均勻，因為剛使用硫酸飽和度較高，氣體復(fù)合效率差，運行后飽和度略微會下降，電池浮充電壓也會均勻。下面為有關(guān)資料顯示電池浮充運行情況：

電池在長期浮充運行中，電池電壓不均有哪些原因？

答：目前 VRLA 電池存在著浮充電壓不均勻的現(xiàn)象，這是由生產(chǎn)電池的各個環(huán)節(jié)中所用配件和材料的質(zhì)量、數(shù)量以及含量的誤差累積所致，特別是 VRLA 電池采用了貧液式設(shè)計，誤差將影響到電池內(nèi)部的酸飽和度，這直接影響電池浮充時氧氣的再化合，從而使浮充時電池的過電位不同，電池的浮充電壓也就不一樣。但 VRLA 電池經(jīng)過一定時間的浮充運行后，浮充電壓將趨于均勻。因為酸飽和度高的電池氧氣復(fù)合效率差，使飽和度略微下降，電池的浮電壓也就趨于均勻。

另電池串聯(lián)的連接條壓降大；電池柱與連接條接觸不良；新電池在運行三 ~ 六個月內(nèi)均有可能存在不均勻現(xiàn)象。

電池浮充運行時，落后電池如何判斷？

答：落后電池在放電時端電壓低，因此落后電池應(yīng)在放電狀態(tài)下測量，如果端電壓在連續(xù)三次放電循環(huán)中測量均是低的，就可判為該組中的落后電池，有落后電池就應(yīng)對電池組均衡充電。

例如，對于在浮充狀態(tài)的電池，如果浮充電壓低于 2.16V應(yīng)予以引起重視.

電池有時有略微鼓脹，會影響電池使用嗎？

答：由于電池內(nèi)存在著內(nèi)壓，電池殼體出現(xiàn)微小殼體的鼓脹程度，一方面廠家要注意安全閥的開閥壓，使電池內(nèi)壓不致太大，以及選擇合適的殼體材料，殼體厚度；另一方面用戶要對電池進(jìn)行正常的維護(hù)保養(yǎng) , 以免過充和熱失控。

電池放電后，一般要多少時間才能充足電？

答：放電后的蓄電池充足電時間所需時間，隨放出容量及初始充電電流不同而變化。如電池經(jīng) 10h 率放電，放電深度 100% 的蓄電池，蓄電池通過“恒壓限流”和“恒流限壓”充電 24 小時后，充入電量可達(dá) 100% 以上。