1.功率因數的由來

??自從伏特發明伏打電池以后,直流供電的負載性質是的,即都是電阻性的。原因是負載上的電流電壓是同相的,所以負載上的功率都是有功功率。正弦波交流電的出現在使用非純電阻負載時就發現電流和電壓正弦波不同相了,出現了相位差θ,如圖1所示。而且還發現在這種負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。這很像力學中的垂直移動做功而水平移動不做功一樣。并研究發現這種實際功耗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的關系也正是直角三角形勾股弦的關系,即

為了區別這種負載與電阻性負載,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載上這種相位差達到了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。而且還發現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)。為了兩種功率因數有所區別,一般作了這樣的規定,在電流超前的功率因數(容性)前面冠以“+”號,電流滯后的功率因數(感性)前面冠以“-”號。在早期的進口UPS中的負載功率因數前面都有一個“-”號。

既然負載功率因數與UPS無關,要它何用?它和其它產品一樣,負載功率因數是當代規模化生產和市場經濟的產物。比如衣服,以前是個人經濟,各家各戶自己做衣服穿�，F代人們可以到市場上現買現穿,那么如果市場上沒有廠家預先做成的產品擺放在那里,我們就沒有這個方便。那么廠家根據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,也要預先作出一批供用戶選擇,負載功率因數就是根據當前普遍負載的性質而定的,在早期一般負載的功率因數為0.8,因此那時的UPS負載功率因數幾乎100%都按這個值設計和生產的。現在負載設備的輸入功率因數普遍提高了,很多廠家就推出了0.9功率因數的產品。
就是說設計規定按這個功率因數值出廠的UPS在與負載輸入功率因數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,如果負載的輸入功率因數和UPS的設計不相符,就不能輸出全部的功率,根據實際情況要降額使用。所以負載功率因數是衡量UPS產品帶載能力的一個重要指標。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整,就像衣服一樣是反映這件衣服的活路是否細膩,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定性。所以諧波失真不能代表負載功率因數。從另一方面說,負載功率因數只是間接反映UPS的帶載能力,而諧波失真是直接反映UPS輸出電壓波形質量的一個指標,二者的隸屬關系不同。

近年來，隨著IT產業的復興、通訊產業的持續發展，以及各行各業對于大容量數據機房的巨大需求,中大功率UPS的使用量越來越大，對于UPS的技術要求也越來越高。同時,配套產業以及器件的發展給中大功率UPS的技術發展帶來了機遇。新型磁性元器件、新型半導體功率器件、新一代數字信號處理器等層出不窮，這些都讓中大功率UPS的技術水平達到了高度。

??? 1?? 新器件的應用

??? 近年來隨著鐵磁技術的飛速發展，工程師在設計優化時的材料可選擇性大大提高。在開關電源、電感、扼流圈以及濾波器的設計方面，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率材料經過研磨或者噴霧造粒形成粉末，磁芯的磁導率取決于高磁導率材料微粒的尺寸和密度大小，調整微粒的尺寸和密度可以得到不同磁導率的磁芯。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氣隙具有更好的儲能能力，特別適合在儲能電感中應用。?
??? 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定性較高。而傳統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，因此磁芯的溫度穩定性不太穩定。優化磁芯的原則是選擇能夠滿足所有的設計目標需求的同時，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。如果溫度穩定性是優先考慮因素，那么應首選MPP磁芯。?
??? 伴隨著上述新材料的應用，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展，各大廠商針對UPS的發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、逆變器帶來了的機遇，從而為三電平技術的推廣應用打下了堅實的基礎，如圖3所示。以往構建三電平系統，設計者需要使用分立的器件來搭建，性價比和系統穩定性都得不到保障，因此三電平技術一直未得到大規模的應用。這種IGBT模塊將所有的器件集成在一起，簡化了系統設計，提高了可靠性，給這種技術在UPS中的應用帶來了機會。三電平技術的應用可以大大降低磁性元器件的使用量，提高系統的靜態與動態性能指標，提高系統的功率密度，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,通過水冷技術的使用，系統的功率密度明顯提高，噪聲大大降低，熱性能得到提高，可靠性較以往的風冷技術也得到了較大的提升。

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圖4? 大功率水冷IGBT模塊

??? 另外，一些半導體工業的最新器件，例如SiC、ESBT、JFET等，也將逐漸地在UPS產品中得到應用，在提升各個子系統性能的同時，提升UPS系統的各項指標。?
??? 在UPS控制部分，隨著DSP、FPGA等數字化芯片的推廣應用，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、可生產性、可維護性,并且降低系統成本，提高系統的性能。?
??? 2 新電路拓撲的應用?
??? 近年來，世界各國電力電子機構都不斷地推出新的中大功率UPS拓撲技術。很多拓撲技術都得到了應用，從根本上給UPS系統的設計帶來了革命。上述的三電平結構就是其中之一。?
??? 圖5的Z-Source變換器為近年來的研究成果之一。利用Z型無源網絡實現電源和負載的耦合，可靈活地獲得升/降直流電壓。與傳統的實現降壓級聯電路相比較，阻抗源整流器不需在上下橋臂的驅動脈沖中加死區，減少了輸入電流波形的畸變，而且具有效率高、電路體積小等優點。其靈活的升降壓特點，為燃料電池等新能源在UPS中的應用提供了契機。

圖5 Z-Source變換器

??? 九開關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，使用的開關管數量減小了，從而降低了系統的造價，如圖6所示。另外，通過現代控制技術的應用，其性能有望能達到現有PFC整流器和逆變器的水平。???????????????????????

圖6? 九開關變換器

??? 新型開關單元變換器具有提高輸入輸出等效開關頻率，降低電感量需求，提高并聯均流效果等優勢，也將給UPS的整流器和逆變器拓撲帶來機會，如圖7所示。

圖7 新型開關單元變換器

??? 在通訊電源、DC/DC變換器等領域，軟開關技術已經得到了廣泛的應用。在中大功率UPS上這一技術的應用可以降低功率器件的損耗，提高可靠性，提高系統效率，提高EMC/EMI性能。?
圖8給出了一種可以應用在中大功率UPS中的軟開關拓撲，ARCP(Auxiliary Resonant Commutated Pole)結構。

圖8 ARCP軟開關變換器

????3 新系統解決方案的應用?
??? 隨著水冷、液冷等技術在其他電力電子產品中的應用普及，中大功率UPS也即將進入此項技術的應用領域。?
??? 從圖9可以看出，左側的傳統風冷功率模塊占地面積大、體積大、金屬用量多、功率密度低，而右側的液冷模塊就可以解決上述這些缺點。在當今的高端機房中，功率密度的要求已經越來越高，對于單機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、單機容量大的產品勢在必行。

圖9 新型液冷功率模塊??

??? PFC整流器技術在中大功率UPS中也得到了廣泛的應用，200kVA以下的UPS很多廠商都已經推出了PFC整流的產品。相對應于傳統的6脈沖或者12脈沖整流器，PFC整流帶來的技術優勢是顯而易見的，提高了輸入功率因數，降低了UPS輸入側的電流諧波，使UPS實現了綠色化的理念。在不久的將來，PFC整流將有機會往更大功率等級上發展。?
??? 大功率PFC整流器結構，如圖10所示，一些國外廠家已經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。?

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圖10 大功率PFC整流器結構

??? 4 其他行業技術的嵌入應用?
??? 現代的中大型UPS供電系統已經融合應用了其他行業的大量技術。移動通信以及互聯網技術的嵌入式應用，使得用戶可以實時地對分布于全球的UPS系統進行監控。先進的電池檢測技術可以檢測到每塊電池的健康狀況并給出預測報。先進的故障檢測與預系統可以預測出UPS中各子系統的運行狀況，給出分析報告,防患于未然，提高系統可靠性和可用性。?
????5 結束語?

??? 作為信息設備的守護神，UPS系統承載著巨大的責任。大量的應用需求驅動著其技術不斷革新換代。可以預見,隨著金融、通訊、IT等高端市場需求的不斷增長，更多、更廣泛的新技術將應用到中大功率UPS系統中去，UPS系統將朝著智能化、大型化、綠色化、節能化等方向不斷發展。

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：高型電池豎放易導致電池內部電解液分層，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，長期如此導致電池自放電嚴重，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 技術的閥控電池，高型設計的電池在安裝時應選擇水平臥放，以免在使用過程中產生電解液分層。安裝時，主要考慮安裝面積和地面承重，用戶可根據電池安放區情況選擇二層、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，由公司技術人員為客戶進行專項設計，也稱之特殊設計。

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阻大小不一，電池在充放電時差異明顯，如串聯使用會造成單只過充或欠充；如果并聯使用，則會造成充放電偏流，各組電池的電流不一致。

電池在運行維護過程中，需經常檢查哪些項目？

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，充放電量應足以補償蓄電池由于自放電而損失的電量以及氧循環的需要，保證在相對較短的時間內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，同時，該電壓的選擇應使蓄電池因過充電而造成損壞達到程度，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象，這是由生產電池的各個環節中所用配件和材料的質量、數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計，誤差將影響到電池內部的酸飽和度，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 ~ 六個月內均有可能存在不均勻現象。

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，因此落后電池應在放電狀態下測量，如果端電壓在連續三次放電循環中測量均是低的，就可判為該組中的落后電池，有落后電池就應對電池組均衡充電。

例如，對于在浮充狀態的電池，如果浮充電壓低于 2.16V應予以引起重視.

電池有時有略微鼓脹，會影響電池使用嗎？

答：由于電池內存在著內壓，電池殼體出現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行正常的維護保養 , 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 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 100% 以上。