机房供电选型中 一个不可忽视的UPS指标

——王其英

    在UPS中有一个称为“负载功率因数”的指标，这个指标是指明这台机器向负载提供有功功率和无功功率的能力。由于有的将这个指标误解成是UPS的“输出功率因数”，这就出现了很大的误差：就是这个功率因数的属性问题。负载功率因数是指在UPS带负载时在UPS输出端测出的实际功率因数，如果这个功率因数和负载的输入功率因数相等，该负载就可以得到UPS全部的的额定标称功率，称为完全匹配。否则该UPS就必须降额使用。这里的最大不同就是UPS带不同负载时，测出的功率因数也就不同，为什么？因为测出的这个功率因数是负载的而不是其它。如果把它看成是UPS输出端的，即属于UPS的，那么不论带什么负载，功率因数值应该是不变的，然而实际中并不是这样。这就导致了一个误区，并且在实际中产生了不良影响。

    一、电源的功率因数概念

    在电子领域的负载有三个基本品种：电阻、电容和电感。电阻是消耗功率的器件，电容和电感是储存功率的器件。日常所用的交流电在纯电阻负载上的电压和电流是同频率同相位的，即相位差q= 0°，

    功率因数的定义是：

    在电阻负载上的有功功率就是视在功率，即二者相等，所以功率因数F=1。而在纯电容和纯电感负载上的电流和电压相位差90°，所以功率因数F=cosq = cos90°=0，即在纯电容和纯电感负载上的有功功率为零,全部是无功功率。

    从这里可以看出一个问题，同样是一个电源，对于不同性质的负载，其输出功率的大小和性质也不同，因此可以说负载的性质决定着电源的输出。换言之，电源的输出不取决于电源的本身，而是由负载的需要决定。就像一座水塔的供水水流取决于水龙头的开启程度一样。

    从上面的讨论可以看出，功率因数是表征负载性质和大小的一个参数。而且一般说一个负载只有一种性质，就像一个人只有一个身份证号码一样。这种性质的确定是从负载的输入端看进去，称为负载的输入功率因数。一个负载电路设计完成了，它的输入功率因数也就定了。比如UPS作为前面市电或发电机的负载而言，六脉冲整流输入的UPS，其输入功率因数就是0.8左右，不论前面是市电电网还是发电机，假如该UPS要求输入100kVA的视在功率，就需要向前面的电源索取80kW的有功功率和60kvar的无功功率。

    二、UPS负载功率因数的含义

    现代UPS总不能一对一地制造，要事先根据当前用电器的形式和规模预先制造出一批或几批不同功率因数和功率规格的机器，以备市场现货销售。预先制造出一批或几批UPS的根据就是负载功率因数的大小和容量规格。当UPS的负载功率因数与负载的输入功率因数相等时，就称为完全匹配，UPS就可向负载输出全部功率。即37码的鞋穿在37码的脚上就正合适，否则就感到不舒服，那么这双鞋的舒适度就打了折扣。UPS也是这样，遇到不匹配负载时，就必须降额使用。

    三、对负载功率因数的误解

    有的就误把UPS的负载功率因数误解为UPS的输出功率因数。这种误解的来源大概认为UPS既然有输入功率因数就一定有输出功率因数，这样一来UPS的性质就有两种，从输入看进去是一种性质，从输出看进去又是另一种性质，误解了电路性质的唯一性。既然是UPS的输出功率因数，如前所述，如果UPS有输出100kVA的能力，那么应当在任何负载性质的条件下都可给出功率因数所指出的有功功率和无功功率。比如被称为输出功率因数的数值为0.8时，在任何负载性质的条件下都可给出80kW的有功功率和60kvar的无功功率。但实际上不是这样。比如往往出现这种情况，当负载功率因数为0.8的100kVA UPS在带线性负载时，就会因过载而转旁路，这是其一；其二，当用功率因数表测量UPS输出端时发现，在带线性负载时其功率因数值为1，当带二极管整流滤波输入的IT负载时其功率因数值又是0.7，怎么也出不来0.8！实际上这两种情况测得的都是负载的功率因数，所谓输出功率因数0.8根本就不会出现，除非带输入功率因数为0.8的负载时，但那时测得的也仍然是负载的功率因数。即只要带负载测量，测得的就是负载的功率因数。这样一来，只有不带负载时才可测得UPS的“输出功率因数”，这时有功功率P的输出电流IP=0，视在功率S的输出电流IS=0，尽管二者的电压UP和US不为零，但根据式（1）

    这个结果就是一个无理数。用功率因数表测试根本就测不出任何值。也就是说所谓的“输出功率因数”没有任何操作性。没有任何操作性的指标是没任何意义的，是荒唐的指标。

    所以在全匹配的条件下，负载功率因数为0.8的100kVA UPS能将80kW的有功功率和60kvar的无功功率全部输送给负载。即在UPS的负载功率因数与负载的输入功率因数完全匹配时，负载上得到的功率就是：

    如果负载的输入功率因数与UPS的负载功率因数不相等，情形又会怎样呢？比如后面的负载是线性负载，即负载的输入功率因数=1，这种情况经常出现在UPS带假负载考机情况，如图4所示。在这里有一个很大的区别，负载中的电感部分没有了。这就造成了逆变器后面电容器C的无功功率再也不能向负载端提供的局面。由于60kvar的容抗XC是：

    从上式可以看出，逆变器输出首先并联了一个小于1W的电抗，如果让逆变器输出端建立起220V的电压，首先要向电容C提供一个电流IC，其值的大小为：

    而原来逆变器可以提供的电流IINV为：

    很显然，必须从逆变器输出电流中减去上述的容性电流，余下的才是负载应得的电流Ir，即：

    那么此时负载上能够得到的功率Pr就只有：

    Pr =241A´220V»53kW （8）

    或者用功率计算式得出同样的结果：

    因此负载功率因数为0.8的100kVA UPS在带线性负载时，只能给出53kW的功率，其它功率都内耗了。原因是以往的工频机型UPS逆变器大都是按功率因数选择功率管的，例外者不多。所以在以往的机器中不止一次地证明了这个结论。也就是说当负载的输入功率因数不等于UPS的负载功率因数时，UPS就必须降额使用。这是一般规律，当然对不同负载功率因数的UPS有着不同的降额值。

    3. 对UPS功率因数的误解危害

    正是由于有的用户将负载功率因数误认为是UPS的“输出功率因数”，不但将归属关系搞错了，而且还引出了一个根本不存在的概念。既然是“UPS的输出功率因数”，那么UPS的输出功率就必须服从这个功率因数值，也就是说“功率因数为0.8的100kVA UPS在带线性负载时也应给出80kW的输出功率”。如果这种误解仅仅是个别用户，最多导致用户和供应商方面的矛盾。但如果是制定标准者陷入这个误区，危害就是全国的UPS制造商。

    和负载功率因数并列的一个量就是UPS输出电压的谐波失真度，有的将二者混为一谈，认为只要输出电压的谐波失真度达到要求，那么负载功率因数也就知道了，所以可以不要。实际上在产品设计中负载功率因数和谐波失真虽然有些联系，但不是一码事，各自的考虑不同。谐波失真度就好比是衡量这件衣服做得活计好不好，针脚密不密，样式好不好。而功率因数表示的则是男服装还是女服装，是什么款式和多大号的衣服，等等。

    更令人费解的是有些读者至今仍认为功率因数是百分数，常听到有人问：你的UPS输入功率因数是百分之多少？这从上面的计算就可清楚地看到，有功功率和无功功率是正交关系。所以有功功率和无功功率是不能直接加减的。比如上面的例子，如果将80kW看做80%，那么60kvar就是60%，这样一来有功功率和无功功率加在一起就是140%，显然是不对的。这个最基本的基本概念如果搞不清楚，其他概念就很难去理解了！

    当前的IT负载都把输入功率因数补偿到了0.95以上，有的甚至补过了头，略显容性。所以当今UPS的负载功率因数也与时俱进地做到了0.9，实际上目前绝大多数高频机UPS都做到了这个指标，但也并不意味着带线性负载时100kVA可以给出90kW。

    四、对其它的误解

    当今UPS的发展方向是高频机型UPS，这是相对于传统的工频机型UPS而言。所谓工频机型UPS，现在的说法就是UPS的主电路（整流器和逆变器）只要不是都工作在数倍50Hz以上频率就是工频机型UPS。比如传统UPS的输入整流器还是采用半控器件可控硅，仍工作在50Hz的电网工业频率，而高频机型UPS的主电路（整流器和逆变器）都采用了全控器件IGBT，都工作在数千赫兹，是50Hz的几十到几百倍。正是由于频率的区别才有了工频机型UPS和高频机型UPS之说。有的误解成工频机型UPS和高频机型UPS的区别是有无输出变压器（这里指的是电磁式的变压器）。实际上有无变压器根本不是二者区别的关键，因为有无输出变压器和逆变器的电路结构有关：如果前面的整流器仍然是工作在50Hz的可控硅，而逆变器采用采用了半桥解构，照样可以省去变压器，难道就变成高频机UPS了！而高频机UPS的逆变器如果采用了全桥结构，就必须加变压器，难道就变成工频机UPS了！要知道电路仍然工作在数千赫兹啊，是50Hz的几十到几百倍啊！<