非线性负载（即感性负载）的定义和特征

    在我国UPS的国标GB/T7260-3中对非线性负载也有明确的定义:“3.2.7 非线性负载 non-linear load 负载阻抗参数(Z)不总为恒定常数,随诸如电压或时间等其它参数而变化的那种负载。”

    非线性负载的种类繁多,在UPS供电的负载中多是整流滤波型,UPS的输入也是整流滤波型。因此,IEC标准中便制定了一个基准非线性负载(Reference non-linear load),做为标准的附录列入标准中。用这个基准非线性负载检验UPS带非线性负载的能力。在UPS国标GB/T7260-3中,也在附录E中给出了这个基准非线性负载电路。

    这个电路之所以是非线性负载,就是因为在输入端施加正弦电压u时,当电压瞬时值大于电容上的直流电压,则电源给负载R1供电,并向电容充电。当电压瞬时值小于电容上直流电压时,因二极管的阻断作用,电源不再供电,而由电容放电使负载保持电流的连续性。所以这个负载对于电源呈现的阻抗是随电压瞬时值的大小而改变的。

    非线性负载的一个重要特点就是当对负载施加正弦形电压时,电流并不是正弦形的。图1的负载电路交流电流是间断的、尖峰的。而图2是这种非线性负载的电压和电流的波形图,由此可以看出,电流是一个尖峰形的。

    分析和计算非线性电路中的电流和功率,使用的方法是用傅立叶函数分析的方法,用等效的正弦量代替非正弦量。在这个具体电路中:
电源输入电压u=u1+u3+u5+u7+…,此处u1是基波电压分量,因为交流输入电源可以认为是正弦形的,所以没有高次谐波分量,则u=u1。
此处交流电流i=i1+i3+i5+i7+i9+i11……。

    每一次谐波电流都是正弦形的,它们都有自己的幅值、有效值(I1、I3、I5……)以及电流与同频率电压之间的相位差(φ1、φ3、φ5、φ7……)。

    以等效的正弦形电流替代非正弦电流,其有效值的平方等于各谐波分量有效值的平方和,即:I2=I12+I32+I52+I72+……。

    在这个电路中,瞬时功率值p=ui=u1(i1+i3+i5+i7+i9+i11…)。

    平均功率P=U1I1cosφ1=UI1cosφ1,亦称之为有功功率。

    与线性电路相同,令电路中的视在功率为S,S=UI。

    同样无功功率为Q,三个功率之间的关系仍为S2=P2+Q2。

    有功功率与视在功率的比值为电路中的功率因数 :PF=P/S=UI1cosφ1/UI=I1cosφ1/I=λcosφ1。         系数λ=I1/I<1。

    功率因数PF值比基波的相位差的功率因数cosφ1还要小一些。谐波中高次谐波占的比例越大,则λ越小,功率因数也就越小。这样就可以把一个非线性的负载化为线性负载进行计算和分析。

    在诸多负载中,非线性负载很复杂,电流波形种类很多。有尖峰的、有双峰的等等,仅仅用其电流大小来说明还是不够的。为了说明非线性与线性电流差别的程度,用一个参数来表示,这就是峰值因数。在GB/T7260-3标准中是这样说的:“3.3.29 峰值因数peak factor周期量的峰值对方均根值之比。”

    其中方均根值就是平常所说的有效值。

    一般最大峰值因数的负载是个人计算机,峰值因数约为2.7。一个计算机系统的电流峰值因数约为2.3左右。正弦电流的峰值因数则是1.4。所以一般UPS都把能带非线性负载的峰值因数定为3,完全能满足负载的需要。特别是大型UPS的峰值因数为3,就更没有问题。