純電阻性負(fù)載與非線性負(fù)載

1、現(xiàn)象解釋:可能很多同學(xué)都有這種經(jīng)歷，在寢室里4臺(tái)電腦開(kāi)著，電扇開(kāi)著、日光燈開(kāi)著都可以正常運(yùn)行，沒(méi)有任何問(wèn)題，但是什么電器都不開(kāi)，就插了一個(gè)小小的電熱杯，電表就跳閘了。為什么會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象呢？電腦的電源都是250W300W的，4臺(tái)電腦功率之和絕對(duì)在一個(gè)電熱杯之上，但為什么可以帶4臺(tái)電腦同時(shí)工作但不能接入一個(gè)300W的電熱杯呢？?jī)烧哂惺裁床煌兀肯旅嫖覀兙蛠?lái)研究一下。 我們平時(shí)使用的最多的加熱裝置就是熱得快、電熱杯或者電飯鍋，它們的工作原理就是電流流過(guò)電阻絲，電阻絲發(fā)熱來(lái)燒水。對(duì)于220V電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，這類(lèi)負(fù)載相當(dāng)于一個(gè)純電阻接到電網(wǎng)里，學(xué)過(guò)電路的同學(xué)都知道，交流220V加到電阻上，其兩端的電壓波形和

2、流過(guò)電阻的電流波形是同相的，也就是說(shuō)，兩者相位差是0。這類(lèi)負(fù)載我們稱(chēng)之為純電阻性負(fù)載。 計(jì)算機(jī)相當(dāng)于什么負(fù)載呢？我們知道我們的電腦機(jī)箱的后上方，有一個(gè)方塊狀的鐵盒子，那就是計(jì)算機(jī)的電源。這個(gè)電源對(duì)于電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，就是電網(wǎng)的一個(gè)負(fù)載。計(jì)算機(jī)的電源是開(kāi)關(guān)電源（注意，這可不是有開(kāi)關(guān)的電源哦），屬于非線性負(fù)載（也叫整流性負(fù)載）。開(kāi)關(guān)電源的原理是先把220V50hz交流電整流為高壓直流，再把高壓直流逆變?yōu)楦邏焊哳l交流，再通過(guò)高頻變壓器降為低壓高頻交流，然后再轉(zhuǎn)為低壓直流輸出，這種電源的效率要比傳統(tǒng)穩(wěn)壓器高得多。把計(jì)算機(jī)的開(kāi)關(guān)電源當(dāng)做220V電網(wǎng)的一個(gè)負(fù)載，這種負(fù)載在220V市電輸入端看來(lái)等效于一個(gè)容性負(fù)載，

3、雖然它的電壓波形還是正弦波，但是它的電流波形已經(jīng)畸變了，不再是規(guī)則的正弦波，而是接近脈沖波的波形（其實(shí)這種非線性負(fù)載才是對(duì)電網(wǎng)有危害的惡性負(fù)載，會(huì)給電網(wǎng)帶來(lái)高次諧波）。 那么電表如何識(shí)別這兩種負(fù)載呢？方法有很多種，但都是通過(guò)單片機(jī)+AD轉(zhuǎn)換器，對(duì)220V輸出端的電壓電流的波形實(shí)時(shí)采樣，然后編制相應(yīng)的程序，通過(guò)算法，判斷這兩種負(fù)載的功率各占多大的比例，僅僅限制純電阻性負(fù)載的接入。 “識(shí)別器”限制的不是用電總功率，而是瞬間的階躍功率，如果階躍功率大于事先的設(shè)定，系統(tǒng)將自動(dòng)切斷負(fù)載電路，在間隔一段時(shí)間后，系統(tǒng)自動(dòng)嘗試性恢復(fù)供電，經(jīng)過(guò)識(shí)別判斷沒(méi)有大功率阻性電熱負(fù)載接入電路，從而繼續(xù)正常供電。 給宿舍安

4、裝“智能負(fù)載識(shí)別器”的目的是很明確的，就是為了限制違章電器的使用，消除隱患，保障廣大師生的生命財(cái)產(chǎn)安全。 識(shí)別的原理是：通過(guò)電表測(cè)量出增加那部分負(fù)載的功率和功率因數(shù)，因?yàn)殡姛岜?lèi)的阻性負(fù)載的功率因數(shù)較高，達(dá)到0.99以上，再通過(guò)判斷增加的功率，二者即識(shí)別出惡性負(fù)載實(shí)行斷電控制。目前我所能做到的識(shí)別是：功率因數(shù)大于0.9999998，最小增量負(fù)載大于20W。即可實(shí)現(xiàn)斷電。之后由管理員來(lái)實(shí)現(xiàn)送電。達(dá)到安全用電的目的，以保護(hù)學(xué)生朋友們的人身和財(cái)產(chǎn)安全注：功率因數(shù)：在交流電路中，電壓與電流之間的相位差()的余弦叫做功率因數(shù)，用符號(hào)cos表示，在數(shù)值上，功率因數(shù)是有功功率和視在功率的比值，即cos=P

5、/S.理論解釋:1線性負(fù)載的定義和特征 在我國(guó)UPS的國(guó)標(biāo)GB/T7260-3中對(duì)線性負(fù)載有明確的定義:“ 線性負(fù)載 linear load 當(dāng)施加可變正弦電壓時(shí),其負(fù)載阻抗參數(shù)(Z)恒定為常數(shù)的那種負(fù)載?！?在交流電路中,負(fù)載元件有電阻R、電感L和電容C三種,它們?cè)陔娐分兴斐傻慕Y(jié)果是不相同的。在純電阻電路中,正弦電壓U施加在一個(gè)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。如:電壓u=Umsint,則i=Imsint;電流的有效值I=U/R。電流通過(guò)電阻發(fā)熱,電能轉(zhuǎn)換為熱能,即P=UI=I2R。在純電感電路中,正弦電壓施加在一個(gè)電感線圈L上,因電流是交變的,造成在線圈中產(chǎn)

6、生感應(yīng)電勢(shì),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)。如電壓u=Umsint,則i=Imsin(t-/2)。電流的有效值I=U/(2f L)=U/XL;XL=2f L稱(chēng)之為感抗。電流在電路中流動(dòng),將電源的電能帶到線圈中,轉(zhuǎn)換為磁能,然后又把磁能轉(zhuǎn)換為電能返回電源。所以在電路中沒(méi)有功率消耗,平均功率為零。無(wú)功功率Q=UI=I2XL。在純電容電路中,正弦電壓施加在一個(gè)電容量為C的電容器上,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)。如電壓u=Umsint,則i=Imsin(t+/2)

7、;電流有效值I=2fCU=U/XC;XC=1/(2fC)。稱(chēng)之為容抗。電流在電路中流動(dòng),將電源的電能帶到電容器中,轉(zhuǎn)換為電場(chǎng)能量,然后又把電場(chǎng)能量轉(zhuǎn)換為電能返回電源。所以在電路中沒(méi)有功率消耗,平均功率為零。無(wú)功功率Q=UI=I2XC。一般將感抗和容抗統(tǒng)稱(chēng)為電抗。在一般具有電阻R和電感L、電容C的線性負(fù)載上(RLC線性電路),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(gè)角。 如電壓u=Umsint,則i=Imsin(t±)。電流有效值I=U/Z。Z即為阻抗,它與電阻、電抗的關(guān)系是:Z2=R2+X2。電抗為感抗XL

8、和容抗XC的綜合值。相位差角是由負(fù)載中的R、L、C參數(shù)決定的。在呈現(xiàn)為感性時(shí)為正,容性時(shí)為負(fù)。tg=X/R。阻抗Z、電抗X和電阻R三者構(gòu)成阻抗直角三角形。負(fù)載上的視在功率S=UI,有功功率P=UIcos,無(wú)功功率Q=UIsin,S2=P2+Q2,三者構(gòu)成功率三角形。 在這里要說(shuō)明一點(diǎn),決定負(fù)載特征的不僅是負(fù)載阻抗的大小,還有功率因數(shù)的大小。綜合來(lái)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)。上述這些負(fù)載都屬于線性負(fù)載,不能認(rèn)為只有功率因數(shù)為1的純阻性負(fù)載是線性的,功率因數(shù)不為1的其他負(fù)載就不是線性的。這是本文所

9、要特別強(qiáng)調(diào)的。2 非線性負(fù)載的定義和特征 在我國(guó)UPS的國(guó)標(biāo)GB/T7260-3中對(duì)非線性負(fù)載也有明確的定義:“ 非線性負(fù)載 non-linear load 負(fù)載阻抗參數(shù)(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?！狈蔷€性負(fù)載的種類(lèi)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(gè)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(gè)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(guó)標(biāo)GB/T7260-3中,也在附錄E中給出了這個(gè)基準(zhǔn)非線性負(fù)載電路,如圖1所示。這個(gè)電路之

10、所以是非線性負(fù)載,就是因?yàn)樵谳斎攵耸┘诱译妷簎時(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(gè)負(fù)載對(duì)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(gè)重要特點(diǎn)就是當(dāng)對(duì)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(gè)尖峰形的。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)分析的方法,用等效的正弦量代替非正弦量。在這個(gè)具體電路中:電源

11、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(méi)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、7)。 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(gè)電路中,瞬時(shí)功率值p=ui=u1(i1+i3+i5+i7+i9+i11)。平均功率P=U1I1cos1=UI1cos1,亦稱(chēng)之為有功功率。與線性電路相同,令

12、電路中的視在功率為S,S=UI。同樣無(wú)功功率為Q,三個(gè)功率之間的關(guān)系仍為S2=P2+Q2。有功功率與視在功率的比值為電路中的功率因數(shù) :PF=P/S=UI1cos1/UI=I1cos1/I=cos1。 系數(shù)=I1/I<1。功率因數(shù)PF值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(gè)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(lèi)很多。有尖峰的、有雙峰的等等,僅僅用其電流大小來(lái)說(shuō)明還是不夠的。為了說(shuō)明非線性與線性電流差別的程度,用一個(gè)參數(shù)來(lái)表示,這就是峰值因數(shù)。在GB/T7260-3標(biāo)準(zhǔn)中是這樣說(shuō)的:“ 峰值因數(shù)peak