在一个机房中,UPS为多种性质的负载供电,这些负载也在不断地更新换代和增容,如果为其供电的UPS不能随着机房负载性质的不同而变化,就会导致故障。为此导致UPS逆变器功率管炸裂者不在少数,为此,若想知道UPS的配置应如何随着机房负载性质的不同而变化,就必须了解其有关知识,否则,机器炸了都不知是怎么一回事。
　　
　　一、对功率因数的误解
　　
　　1.对功率因数概念的误解
　　
　　UPS的一个重要指标就是负载功率因数,它标志着UPS对负载损耗的适应能力,但至今仍有不少用户和厂家将其称为输出功率因数。这不能不说是一种误解,一个负载的电路定了,满负荷工作时的功率因数也就定了,即使不是满负荷工作,功率因数值也相差不多,而且这个功率因数值是从输入端测量到的。UPS也不例外,它是市电电网的负载,它的输入功率因数也随着电路的定型而定了。比如,单相二极管整流(不加PFC)的输入功率因数是0.6～0.7;单相二极管整流加PFC时的输入功率因数是0.95～0.98;三相6脉冲整流输入UPS的输入功率因数是0.8,Delta变换和高频IGBT整流器输入的UPS的输入功率因数是>0.95,等等。以上的值是可测量的,而且是基本恒定不变的。
　　
　　“输出功率因数”名称的谬误之处在于,在UPS的输出端测得的功率因数是一个不定值,即带什么性质的负载就显示什么样负载的功率因数值,要知道在UPS输出端测得的这些值都是负载的输入功率因数值,怎么能说是输出功率因数呢!
　　
　　因此,从上面的讨论可以看出:UPS“输出功率因数”的概念指的是UPS本身具有的,负载功率因数的概念,很明显这个因数是属于负载的。那么在UPS中引入负载功率因数这个概念的作用是什么呢?这和商店里的鞋子一样,如果不分出37码、42码…这些不同大小的样品,如何面对顾客呢?只有将鞋子的尺码和性别分出等级才可以进行交易。UPS也是这样,它不但将输出功率分出等级以适应不同大小的负载,而且还得分出各能带什么性质负载的等级,这就是负载功率因数设计的根据。
　　
　　2.对功率因数含义的误解
　　
　　还有一种误解:认为不论负载是什么性质,在任何时候,负载都能得到按功率因数算得的有功功率。比如功率因数为0.8,功率为10kVA的UPS,不论带的负载是电抗性的还是纯电阻性的,在负载端任何时候都可以得到8kW的有功功率。换言之,在任何情况下UPS都可带8kW的电阻负载。这一糊涂概念给UPS的正常运行带来不少麻烦和灾难!给供需双方造成了不少误会和损失。
　　
　　3.对功率因数数值的误解
　　
　　对功率因数数值的误解是一个普遍现象。比如一台负载功率因数F=0.8,输出视在功率S=10kVA的UPS,可以输出的有功功率P和无功功率Q各是多少呢?有功功率P很明显是8kW,这是由视在功率S和功率因数F相乘而得,对于这一点多数人是明确的。而容易产生误解
　　
　　的是无功功率Q部分,不少人认为Q=S×(1-F)=10kVA×0.2=2kVAr,这就不对了。其错误之处在于把有功功率P和无功功率Q看成了直接相加的关系。而实际上有功功率P和无功功率Q在矢量图上是垂直正交的关系,即相差90°,如图1所示。从图中可以看出,两条互相垂直的直线(P和Q)是不能直接算术相加的,只能是矢量相加,他们的模和视在功率S模之间的关系只能是:
　　
　也许有的提出这样的疑问:为什么P和Q一定是垂直正交的关系(90°),难道就不会是80°、60°、45°,等等?回答是肯定的,P和Q之间就是90°的正交关系,因为这是为了分析和计算得方便,人为地将非线性负载分解成90°正交的两个量。其根据是负载只有三种:电阻性、电容性和电感性,而电阻和纯电感或纯电容上功率矢量相差90°。就这样人为地可以将非电阻性负载分解成纯电阻性和纯电感性或纯电容性之矢量和,所以此二者之间的矢量关系就一定是垂直正交的关系。
　　
　　二、正确理解负载功率因数和负载性质
　　
　　1.正确理解负载功率因数的意义
　　
　　正确理解负载功率因数可以帮助用户正确选择UPS的容量。因为在负载功率因数F≠1的情况下,UPS输出功率中必然含有无功功率成分。由于无功功率是不做功的,这就造成了一种“无功功率没有用”的误解。
　　
　　2.正确理解负载性质的意义
　　
　　正确理解负载性质也可以帮助用户正确选择UPS的容量。有不少用户因选择UPS不当而频繁炸毁逆变器等功率管。事后不是埋怨UPS质量不好就是埋怨机房条件太差。当然,机房条件太差是其中一个因素,但在这些例子中烧毁机器的主要原因还是由于容量选择不当之故。
　　
　　三、一般UPS的输出能量分配原则
　　
　　1.UPS的输出能量分配
　　
　　当前大部分UPS的逆变器功率输出都是按有功功率P设计的,而提供给负载的无功功率Q的环节则是逆变器后面的并联电容器C,如图2所示。两部分的输出功率在负载上合成为视在功率S。
　　
　　2.UPS无功功率的产生
　　
　　无功功率是储存在储能装置中的功率。这就提出另一个问题：既然提供给负载无功功率Q的环节是逆变器后面的并联电容器C，那么作为储能装置的电容器C，它里面的无功功率又是从哪里来的呢?
　　
　　(1)空载时无功功率的产生
　　
　　既然无功功率是储存在储能装置中的功率,UPS只有接入电池时才会有无功功率,那么UPS在无电池时也能带非线性负载,也能提供无功功率,比如有的UPS在无电池时也能起动,起动后也能带非线性负载,实际上,即使没有蓄电池,只要有惯性器件存在就会有无功功率的储存,图3就示出了无功功率的产生过程。现分别来讨论它的产生机制。
　　
　　电容量在一定频率下是有一定阻抗的,比如对于一台负载功率因数F为0.8,功率S为10kVA的单相输出UPS来说,其输出的无功功率Q应该是:
　　　　
　　补偿电容的容量:
　　
　　有功功率
　　
　　负载电阻
　　
　　　如果取滤波电容器的电抗为负载电阻的1/50,逆变器的调制频率f=20kHz,则滤波电容器的容量应为:
　
　　　总电容量
　　
　　取标称值470μF,那么这时在50Hz下的容抗为:
　　
　
　　经过这些计算后就可以讨论无功功率的产生了。不论市电有无,逆变器总是按50Hz的正弦规律逆变输出的,比如输出电压为标准的220V,现对正负半波时分别讨论。
　　
　　空载正半波
　　
　　当正半波电压输出时,在输出端首先遇到的是一个6.8Ω的电抗,为了能建立起交流正弦波有效值220V的稳定输出,必须在这个电抗上建立起这个电压,根据欧姆定律
　　
　　U=IC×XC=220V
　　
　　必须有一个电流通过电容C,或称为给电容充电,其电流的流动路径如图3(a)空载正半波所示。在正半波时,逆变器功率管S1和S4闭合,电流的路径是:
　　
　　直流电源“+”→S1→C+→C-→S4→“-”,此时电容已被充电,电流是从C+流入的;直观地看,可用图3(b)表示。
　　
　　空载负半波
　　
　　当负半周时,如图3(a)空载负半波图所示。控制电路将逆变器功率管S1和S4断开,闭合逆变器功率管S2和S3,电流的路径是:
　　
　　直流电源“+”→S2→C-→C+→S3→“-”,此时电容在放电,电流是从C+流出的;直观地看,可用图3(c)表示。
　　
　　图3(d)给出了空载时正负半波无功功率的流向图。交流电流就是这样周而复始地作用于电容C,可以看出,电流流入电容和从电容内流出,只是好比像一个杯子内注水接着又把水倒出来一样,装进去多少,倒出来还是多少,理想情况下一点也没损失,用在电上就是没有做功,所以没有功率损耗。这个电容上流入又流出的功率就是无功功率,电容上的无功功率就是这样建立起来的。
　　
　　当然这个过程建立无功功率的过程是通过逆变器实现的,逆变器就好像一个电流通道,
　　
　　无功功率的电流在空载时就是利用这个通道和直流电源交换能量的。
　　
　　(2)加载情况下的无功电流流动路线
　　
　　无功功率在电容中形成了,又如何向负载输送呢?从前面的讨论中已知,非线性负载是需要无功功率的。而且一般电子负载是电感性的,所以才有了电源输出阻抗为容的结构。现就以图4(a)为例,来讨论无功功率在电路中的行为。
　　
　　一般的使用规则是,当UPS空载起动后,才闭合负载开关So,从该图中可以看出,当输出电压为正半波时,控制电路使逆变器的功率管S1和S4处于通导状态,从前面的讨论可知,这时输出电容C上的电压也是正的,在开关So闭合瞬间由于负载电压为零,根据水往低处流的道理,不论有功功率还是无功功率都必然流向负载,有功电流流向电阻负载R,无功电流流向负载的电感分量L,如图4(a)的实心箭头(有功电流)和空心箭头(无功电流)所示,他们各成回路。为什么不是一个回路呢?实际上这是为了分析方便而人为地分开的。这个过程是电容电流给电感充电,这时电感上的电势方向和电流一致,是下正上负。根据基尔荷夫回路电压之和为零的第二定律，电感和电容构成的电路就满足了这个条件。
　　
　　当电压正弦波过零且向负半波转换时,根据电感的特性,这时由于电容上的电荷全部交给了电感而使电容两端的电压变为零,这时电感上的反电势极性已变为上正下负,由于电感上的电压比电容电压高,所以电感电流开始流向电容器,如图4(b)的空心箭头所示。但此时逆变器的功率管已变为S2和S3导通,是否电感电流也向逆变器流呢?从该图中可以看出,如果电感电流随着有功电流(实心箭头)一起流过功率管S3,从图中可以看出,该电流只有去的路而无返回的路,即使有也是经过一些电路,沿路电阻增大了,电流是走捷径的,而和电容之间路径最短。
　　
　　负半波过零后,在下一个正半波到来时电感上的反电势极性又变为下正上负,和电容上的电压极性形成了同向串联的结构,重复上述的过程。就这样,无功功率在电容和电感中来回转换,在理想情况下能量是不消耗的,所以不需要专门的电路去产生无功功率,这是逆变器顺便做的事情。
　　
　　为了更容易理解加载情况下的无功功率流动路线,图4(c)所示得方框图就是。在这个图中明显地表示出无功功率在UPS和负载之间的交换情况。
　　
　　四、UPS带不同性质负载时的情况
　　
　　1.电感性负载
　　
　　从前面的分析中可以看出,UPS输出的无功功率是电容性的,换言之,电容器C上的电容性无功功率是为了补偿负载的电感性无功功率而设的。不言而喻,负载是电感性的,就是说一般UPS就是为电感性负载设计的。这就决定了UPS对负载的选择性。为了有一个定性的和定量的概念,借用举例的方法进行说明。
　　
　　例:一台负载功率因数为F=-0.8的S=10kVA UPS,带功率因数为F=-0.8的10kVA负载,这时候UPS的有功功率和无功功率是如何分配的?
　　
　　从前面的讨论中可以知道,目前一般UPS的有功功率和无功功率是由两个支路环节分别提供的。这种情况表示在图5(a)中。图中灰色箭头表示的是有功功率流动的路线,而空心箭头表示的则是无功功率行动的路线。由于UPS逆变器的输出电压是固定的,所以在一定的功率下,逆变器就像自来水管一样可以看成是电流通道,如图5(b)所示的那样,有功电流和无功电流分别从两个管道中流出,汇合后提供给负载。这种汇合不是简单地算术相加,而是一种矢量相加的关系,如图5(c)所示。他们之间的数学关系如式(9)所示。
　　
　　以上介绍的是一种完全匹配的理想情况。在这种情况下,UPS可以提供出全部的有用能量。
　　
　　但如果UPS所带的负载并不是完全匹配,比如用一台负载功率因数为F=-0.8的S=10kVAUPS,带功率因数为F=-0.7的10kVA负载时,这时候UPS的有功功率和无功功率是如何分配的?有的厂家一再强调说这时的UPS可以提供比负载功率因数为F=-0.7的UPS多10%的有功功率,由此得出的结论是:负载功率因数为F=-0.8的UPS比负载功率因数为F=-0.7的UPS强。是不是这样呢?还是让数据来说话。
　　
　　对于功率因数为F=-0.7的10kVA负载而言,已知所需有功功率为P=7kW,而所需的无功功率是:
　  　　
　　从前面的讨论可知,此时UPS提供的无功功率只有6kVAr。也即尚缺1.14kVAr的无功功率,为了能量守恒,不足的这一部分无功功率只能由逆变器提供,所以这时需逆变器提供的视在功率SL1:
　　
　　这个计算说明负载功率因数为F=-0.8,S=10kVA的UPS,带功率因数为F=-0.7的10kVA负载时没有问题。是不是可以多带10%的这样负载呢?先来计算一下,如果此时提供P=8kW,按照功率因数为F=-0.7负载的有功功率和无功功率比例基本为1∶1来算,此时UPS也应提供8kVAr的无功功率,此时就需要该UPS提供的视在功率图5UPS带感性负载时的能量关系SL2:
　　　　
　　这个计算说明,如果多带10%负载,UPS就过载了。所以那种可多带10%有功负载的说法是没有根据的,至于多带多少?可以通过计算确定。显然F=-0.8比F=-0.7UPS多10%有功功率的说法是值得商榷的,因为它误把功率因数看成了百分数。
　　
　　2.电阻性负载
　　
　　线性负载不一定只限于电阻负载,比如电容器就是线性负载,是功率因数不为1的线性负载;只有功率因数为1的线性负载才是电阻负载。但在这里有一个误区,有的认为UPS在带纯电阻负载时,只要用UPS的视在功率乘上功率因数,带载能力就没问题了。但往往这样做了以后,得到的结果是过载。什么原因呢?这可以用图6进行说明。
　　

例:总功率为10kVA的计算机机房,若选用负载功率因数为-0.8的10kVA UPS,在用电设备是功率因数为1的电阻负载时,UPS可否仍能给出8kW的功率?
　　
　　当负载功率因数为1即为电阻负载时,负载端再也不需要无功功率的补偿,但逆变器后面的补偿电容器C依然存在,从上面的式(8)可知,这时电容器的容抗XC=6.8Ω,所以为了在输出端建立起220V的电压,必须给电容器提供的电流IC为:
　　　　
　　这时逆变器提供的电流不但给电阻负载,还得流过电容器以建立220V,所以此时的电流是视在值IS,为:
　　　　
　　原来应当流入负载的36.4A的电流IR就只有:
　　　　
　　所以在此情况下,UPS向负载提供的有功功率p=17.35A×220V=3.82kW。图6(a)示出了两种功率的流经途径。从图中可以看出,电容器上的交流电流是通过逆变器提供的。从物理概念上说,电容器上的交流电流占用了一部分原来有功电流的通道,如图6(b)所示。这样一来,原来有功电流的通道由于被占用了一部分,它不得不以减少送往负载的流量来满足整个电路的要求。当然这种有功电流和无功电流的相减也不是像算术的加减法那样直接,而仍然以矢量和的方式按勾股弦定理计算。这三个量的矢量关系如图6(c)所示。
　　
　　实际上在这种情况下,电容器C变成了逆变器的负载,通过逆变器提供的交流功率由后面的电阻和电容进行分配。由于电容分去一部分功率,剩下来的有功功率当然比逆变器原来送给的功率要小得多。
　　
　　3.电容性负载
　　
　　有不少人所以将整流滤波电路看成是电容性负载,就是因为整流电路中有电容滤波器。当然,其图6UPS电阻性负载时的能量关系实它不是电容性的而是电感性的负载。那么真正的电容性负载会对UPS造成什么影响呢?为了容易讨论起见,仍然以实际例子说明。
　　
　　例:若选用负载功率因数F=-0.8,功率S=10kVA的UPS,所带用电设备是功率因数为+0.8的容性负载,由于负载是电容性的,而UPS的负载功率因数是负值,即输出端也是电容性的。为了分析的方便,就可以将电容性负载人为地分解成两部分:纯电容部分和电阻部分,如图7(a)所示。这样一来就可清楚地看出,UPS逆变器后面的并联电容器和负载的电容器容量可以直接算术相加。从前面的计算可知,UPS输出可提供的容性无功功率Q=6kVAr,负载满负荷时应被平衡的容性无功功率也是Q=6kVAr,那么如果带满负荷,此时逆变器必须提供的功率为:
　　
　　这样一来,造成的结果就是逆变器过载。此时逆变器过载量为:
　  　　
　　为什么会这样呢?这从物理概念上如何解释呢?这可用图7(b)来说明,当负载为电感性且匹配时,逆变器给出全功率P,因为UPS就是按感性负载设计的,所以逆变器后面的电容器就和匹配负载中的电感分量形成了完全互补的关系,自成回路,和作为电流通道的逆变器不发生关系。但带了功率因数绝对值相同的容性负载后,使逆变器后面的电容器容量成倍增加,这就导致了无功电流也成倍增加。可想而知,两倍的无功电流涌向逆变器,这就要求逆变器必须给出比原来视在功率还要大得多的功率。从图7(c)的向量图可以看出,负载功率因数为-0.8,功率为10kVA的UPS逆变器在带同值容性负载时所提供的电流必须由原来的有功分量36.4A增加到当前的视在值ISO时:
　　　　
　　电流通道在电路定型后已无力变得多么庞大!这就严重地过载了!
　　
　　所以,按照当前一般UPS的设计,只要带容性负载,不论带大还是带小,都要过载。
　　
　　五、实例分析:UPS逆变器和主回路的功率管为什么屡屡炸裂
　　
　　有了上面的知识就可以来分析下面例子的故障原因了。这样的事例很多,有数据中心机房的也有生产线上的,不论是哪里的,所带负载性质是一样的,所以导致的故障现象也非常相似。比如整流器、升压器(Boost)和逆变器等环节的功率管屡屡被烧毁。
　　
　　1.故障现象和负载容量
　　
　　某地加工厂购买负载功率因数F=0.8的80kVAUPS两台,用图7UPS带容性负载时的能量关系以为两台相同的切割机供电，但自从UPS安装供电后，其逆变器功率管屡屡炸毁，给生产造成了很大损失。每台切割机负载由输入功率因数大于0.98的多台进口变频器构成，变频器可以看成是线性负载，其后面带的是容量不同的伺服电机，各电机的功率为:
　　
　　主电机45kW×1台
　　
　　3kW×2台
　　
　　1.5kW×2台
　　
　　绕线电机8kW×1台
　　
　　进线电机8kW×1台
　　
　　张紧电机1kW×1台
　　
　　进给电机3kW×1台
　　
　　0.3kW×1台
　　
　　总功率为:74.3kW
　　
　　即,变频器的负载功率为74.3kW。若取变频器的效率为95%,这时变频器应向UPS索取的功率是:
　　
　　P=74.3kW/0.95≈78kW
　　
　　约为80kW,为了方便计算和容易理解,这里就以80kW为例,进行分析。图8给出了这种系统连接的原理方框图。
　　
　　2.故障分析
　　
　　（1）关于负载问题
　　
　　首先可以看出,实际负载的标称值已到80kW,而UPS的最大有功功率输出能力仅为64kW,从直观上看已过载80kW-64kW=16kW;然而事情并不如此简单,从前面的分析可知,一般UPS逆变器是按额定输出有功功率设计的,也就是说S=80kVA输出的UPS逆变器是按P=64kW设计的,而负载的无功功率Q=48kVAr则由逆变器输出端的并联电容器提供。这样输送到负载端的额定视在功率S就是此二者的矢量和,即
　　
　　以上说的是负载也是功率因数F=0.8的80kVA情况。从前面可知S、P、Q三个功率之间的关系是一个直角三角形购股弦的关系,如图9所示。

但当负载不再是非线性时,比如这里的变频器输入功率因数已被补偿到近于1(0.98),就是说80kVA的视在功率中有功功率占80kVA×0.98=78.4kW,无功功率所占份额甚小。即:
　　
　　所以可忽略不计,这样变频器几乎是线性负载了。为了分析和理解的方便,就假设变频器这种负载的功率因数F=1,意思就是说变频器不需要无功功率了。但从图10中可以看出,由于逆变器后面的电容器仍然存在,而且它必须向逆变器索取无功功率,原来逆变器向负载提供全部有功功率,而现在还要分一部分向电容器提供无功功率,换言之,现在的64kW已变成了64kVA,此时负载得到的功率如式(20)所示。
　 　　
　　由此式可以看出,此时80kVA的UPS只能向负载提供42kW的有功功率,42kW在UPS输出端显示的负载量应是80/42=0.525=52.5%,换言之,尽管在UPS面板上显示的负载量才52.5%,但此时逆变器已经是100%的满负荷了。但变频器最大需要80kW,这就造成了逆变器严重过载。过载多少呢?因负载尚缺80kW-48kW=32kW,如果将其补足,逆变器(UPS)的功率应是:
　　
　　这就过载:
　　　　
　　为什么UPS不过载保护呢，原因是UPS的测量电路一般都接在输出端，如图10(a)所示，对内耗部分测不出来，所以也就无法控制逆变器的工作，就使得逆变器虽然在拼命地过载，但由于无法得到控制环节的保护，只好一直等到把功率管烧毁为止。
　　
　　所以负载功率因数FL=0.8的80kVA UPS在带线性负载时,负载只能得到大约一半的(42kW)额定有功功率。如果此时仍按64kW选取UPS,那就有危险了。再说,实际负载也已大于逆变器的供出能力。
　　
　　六、建议对策
　　
　　根据以上分析,再鉴于UPS的大部分时间不是满载工作，所以其容量可以加倍,即需两台80kVAUPS并联，当然满负荷工作期间就没有太多的余量了。不过这样一来仍存在一个隐患，即万一在一台UPS出现故障而且又正巧工作在满载，另一台仍有烧毁的可能。因此，为了供电的可靠性，建议采用如图11的冗余措施。
　　
　　如图11所示,采用三台80kVAUPS冗余并联为一台切割机供电的方案,其中两台80kVAUPS是真正负载(变频器)所需的容量,另外一台80kVAUPS就是备用的容量。正常时,三台UPS均分负载工作,一旦其中一台故障,比如是UPS2故障,那么这台故障UPS就会自动退出,把自己1/3的负载容量自动转给其它两台,即使系统正巧工作在满载,也不会有影响,待故障UPS修复和重新投入运行后,系统又恢复到2+1冗余供电状态,这就达到了不间断供电的目的。尤其在该系统中,变频器大部分时间工作在小于100%(80kW)的容量,这就使得供电系统的冗余度提高,有可能从2+1提高到1+2,换言之,此时可允许两台UPS同时出故障而负载还照常运行,可靠性大为提高。
　　
　　权宜方案:这一种方案是4+1方式,如图12所示。该方案可以节省一台80kVA UPS,同样可起到冗余供电的目的。缺点是独立性差了些,但可用性仍然很高。
　　
　　最佳方案:在上述例子中的最佳供电方案莫过于采用模块化结构UPS。比如有一种单个模块功率为35kVA、负载功率因数为0.8的N+X结构UPS,每个“柜子”的功率可做到225kVA,而且“柜子”和“柜子”又可以并联。比如在此例中,实际满负载功率约80kW,用5个35kVA模块即175kVA的UPS功率就可满足,此时可提供给负载有功功率:
　　　　
　　它不但满足了要求,而且还有了余量。如果此时再增加一个模块,构成一个210kVA的5+1冗余系统,这一个柜子就具有了上述3个柜子的功能。如果再把这两个210kVA的5+1冗余系统进行并联后为两台切割机供电,其可靠性和可用性就达到了非常高的程度,如图13所示。在该图(b)中只将两个5+1冗余UPS单机单负载系统并联在一起,其可靠性大有提高,经计算其可靠性比当系统时提高了两个数量级;过载能力比单系统时提高了一倍。
　　
　　目前的服务器、计算机、交换机、路由器、传真机、打印机、甚至还有大屏幕和投影仪等等和其他一些电子设备的输入功率因数和变频器一样,都在朝着线性化发展,将来数据中心碰到的这类问题会很多,尤其是在更新和增添设备时。所以作为设计人员或用户自己或方案提供者必须清醒地考虑到这一点。
　　
　　编辑：Harris