線性負(fù)載和非線性負(fù)載.doc

1、線性負(fù)載和非線性負(fù)載是電路中兩種基本負(fù)載，在UPS設(shè)備和電路中常遇到這兩種負(fù)載，特別是非線性負(fù)載。因此，對這兩種負(fù)載的特征和區(qū)別應(yīng)有清晰明確的認(rèn)識。本文對線性負(fù)載和非線性負(fù)載分別做了說明，從二者表現(xiàn)出來的區(qū)別就是：“二者都施加正弦電壓時(shí)，線性負(fù)載的電流是正弦的，非線性負(fù)載的電流是非正弦的?！钡窃诂F(xiàn)實(shí)中，常?？梢钥吹交煜姽せ靖拍畹牡胤?。主要是把功率因數(shù)的概念混在里面，認(rèn)為只有純電阻負(fù)載是線性負(fù)載，而非純阻性負(fù)載則統(tǒng)統(tǒng)是非線性。1、線性負(fù)載的定義和特征在我國UPS的國標(biāo)GB/T7260-3中對線性負(fù)載有明確的定義“3.2.6線性負(fù)載linear load當(dāng)施加可變正弦電壓時(shí)，其負(fù)載阻抗（Z）

2、恒定為常數(shù)的那種負(fù)載?！痹诮涣麟娐分校?fù)載元件有電阻R、電感L和電容C三種，它們在電路中所造成的結(jié)果是不相同的。在純電阻電路中，正弦電壓U施加在一個電阻R上，則產(chǎn)生電流I也是正弦性的，電流I與電壓U相位是相同的：電壓U=Umaxsint，則I=Imaxsint，電流的有效值I=U/ZR（ZR=R，稱為電阻）。電流通過電阻發(fā)熱，電能轉(zhuǎn)換為熱能，即P=UI=I2ZR=I2R，Q=0。在純電感電路中，正弦電壓施加在一個電感線圈上，因電流是交變的，造成在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，使得電流雖然仍然是正弦的，但相位上卻滯后電壓90(電角度為/2)：電壓U=Umaxsint，則I=Imaxsin(t-/2)，電流

3、的有效值I=U/ZL（ZL=XL=L=2fL，稱為感抗，L為線圈的自感系數(shù)）。電流在電路中流動，在線圈中將電源的電能轉(zhuǎn)換為磁能，然后又把磁能轉(zhuǎn)換為電能返回電源，即P=0，Q=UI=I2XL。在純電容電路中，正弦電壓施加在一個電容器上，因電流攜帶電荷積累在電容的極板上產(chǎn)生電容電壓，使得電流雖然仍然是正弦的，但相位上卻超前電壓90(電角度為/2)：電壓U=Umaxsint，則I=Imaxsin(t+/2)，電流有效值I=U/ZC（ZC =XC=-1/C=-1/2fC，稱為容抗，C為電容器的電容值）。電流在電路中流動，將電源的電能帶到電容器中，轉(zhuǎn)換為電場能量，然后又把電場能量轉(zhuǎn)換為電能返回電源。即P

4、=0，Q=UI=I2XC。在RLC線性負(fù)載電路上，施加正弦性電壓，則電流仍然是正弦性的，但是電流與電壓之間的相位關(guān)系，既不是同相也不是相差90，而是相差一個角：電壓U=Umaxsint，則I=Imaxsin(t)，電流有效值I=U/Z（Z2=R2+X2，稱為阻抗，其中X= XL + XC，稱為電抗，阻抗、電抗和電阻構(gòu)成阻抗三角形）。相位差角是由負(fù)載中的R、L、C參數(shù)決定的，感性時(shí)為正，容性時(shí)為負(fù)，阻性時(shí)為零，tan=X/R。在RLC線性負(fù)載電路中，S=UI，P=UIcos，Q=UIsin，S2=P2+Q2，三者構(gòu)成功率三角形。綜合來講，在線性負(fù)載中，有純阻性(功率因數(shù)為1)和感性(功率因數(shù)小于

5、1)、容性(功率因數(shù)小于1)，以及純感性和純?nèi)菪?功率因數(shù)均為0)。2、非線性負(fù)載的定義和特征在我國UPS的國標(biāo)GB/T7260-3中對非線性負(fù)載也有明確的定義：“3.2.7非線性負(fù)載non-linear load 負(fù)載阻抗（Z）不總為恒定常數(shù)，隨諸如電壓或時(shí)間等其它參數(shù)而變化的那種負(fù)載。”非線性負(fù)載的種類繁多，在UPS供電的負(fù)載中多是整流濾波型，UPS的輸入也是整流濾波型。因此，IEC標(biāo)準(zhǔn)中便制定了一個基準(zhǔn)非線性負(fù)載（Reference non-linear load），做為標(biāo)準(zhǔn)的附錄列入標(biāo)準(zhǔn)中。用這個基準(zhǔn)非線性負(fù)載檢驗(yàn)UPS帶非線性負(fù)載的能力。在UPS國標(biāo)GB/T7260-3中，也在附錄E

6、中給出了這個基準(zhǔn)非線性負(fù)載電路，如圖1所示：圖1這個電路之所以是非線性負(fù)載，就是因?yàn)樵谳斎攵耸┘诱译妷篣時(shí)，當(dāng)電壓瞬時(shí)值大于電容上的直流電壓，則電源給負(fù)載R1供電，并向電容充電。當(dāng)電壓瞬時(shí)值小于電容上直流電壓時(shí)，因二極管的阻斷作用，電源不再供電，而由電容放電使負(fù)載保持電流的連續(xù)性。所以這個負(fù)載對于電源呈現(xiàn)的阻抗是隨電壓瞬時(shí)值的大小而改變的。非線性負(fù)載的一個重要特點(diǎn)就是當(dāng)對負(fù)載施加正弦形電壓時(shí)，電流并不是正弦形的。圖1的負(fù)載電路交流電流是間斷的、尖峰的。而圖2是這種非線性負(fù)載的電壓和電流的波形圖，由此可以看出，電流是一個尖峰形的。圖2分析和計(jì)算非線性電路中的電流和功率，使用的方法是用傅立葉函數(shù)

7、分析的方法，用等效的正弦量代替非正弦量。在這個具體電路中：電源輸入電壓U=U1+U3+U5+U7+，此處U1是基波電壓分量，因?yàn)榻涣鬏斎腚娫纯梢哉J(rèn)為是正弦形的，所以沒有高次諧波分量，則U=U1。此處交流電流I=I1+I3+I5+I7+I9+I11，每一次諧波電流都是正弦形的，它們都有自己的幅值、有效值（I1、I3、I5）以及電流與同頻率電壓之間的相位差（1、3、5）。以等效的正弦形電流替代非正弦電流，其有效值的平方等于各諧波分量有效值的平方和，即：I2=I12+I32+I52+I72+。在這個電路中，瞬時(shí)功率值p =UI= U1（I1+I3+I5+I7+I9+I11），P= U1I1cos1=

8、UI1cos1，S=UI，P、Q、S三個功率之間的關(guān)系仍為S2=P2+Q2。功率因數(shù)：PF=P/S= UI1cos1/UI=I1cos1/I=cos1。系數(shù)= I1/I1。功率因數(shù)比基波的相位差的功率因數(shù)cos1還要小一些。諧波中高次諧波占的比例越大，則越小，功率因數(shù)也就越小。這樣就可以把一個非線性的負(fù)載化為線性負(fù)載進(jìn)行計(jì)算和分析。在諸多負(fù)載中，非線性負(fù)載很復(fù)雜，電流波形種類很多。有尖峰的、有雙峰的等等，僅僅用其電流大小來說明還是不夠的。為了說明非線性與線性電流差別的程度，用一個參數(shù)來表示，這就是峰值因數(shù)。在GB/T7260-3標(biāo)準(zhǔn)中是這樣說的：“3.3.29峰值因數(shù)peak factor周期量的峰值對方均根值之比?！弊ⅲ盒g(shù)語“尖峰因數(shù)”(crest factor)與此同義。其中方均根值就是平常所說