北京邮电大学     黄济青
　　
　　摘要主观意识、愿望和客观机理、效果要尽量协调,加强“剖析”可改善这种协调。不能停留在UPS的结构、电路方案的共性上,应逐步深入理解到与设计、应用相关的“个性”问题,如:标准中所指的“非线性负载”与“感性负载”的区别、参数的“优化”和“协调”、通信用UPS对“输出有功功率”的明确规定和检测等。

4 矢量图分析􀉺条件􀉺概念及结论的灵活应用
　　
　　矢量图分析的适用范围,分析问题时,需要相应的负载性质,选择参数,是否对某参数进行优化、优化的优缺点等,这些都是条件。明确条件,有助于了解分析方法、概念、结论等各自的适用范围、启发性和参考价值,以供灵活应用。
　　
　　4.1矢量图适用范围
　　
　　(1)矢量图能分析正弦波的线性电路
　　
　　矢量图是表达电压、电流有效值和相位的图形,实际隐含着三个条件:
　　
　　①交流、正弦波
　　
　　矢量的定义是“旋转矢量”,矢量旋转时在纵轴(Y轴)上投影的长度随时间变化的波形为正弦波。
　　
　　②线性电路
　　
　　电压是正弦波时,只有线性电路,才能使电流为正弦波。
　　
　　③相同频率
　　
　　同一张图上的所有矢量都必须是以相同角速度旋转的矢量,即相同频率。不能分析非线性电路的谐波。
　　
　　(2)非线性电路的“基波”可用矢量图分析非线性电流时,可分解成基波和谐波。
　　
　　①基波电流成分
　　
　　基波电流成分是从非正弦波电流中分解出来的与电源频率相同的正弦波电流成分,基波的等效电路是线性电路,符合上述三个条件,故可以用矢量图分析。但规范性的非线性负载的基波电流是阻性负载,不是感性或容性负载。
　　
　　②谐波电流成分
　　
　　由于频率不同于基波频率,不能用矢量图分析。对于谐波电流总有效值对功率管电路总有效值的影响的计算方法,但谐波电流相对较大时,对功率管电路电流总有效值的影响不能忽略。
　　
　　4.2矢量图分析举例
　　
　　以UPS应用期刊中见到的、影响很广的UPS矢量图为例,分析简介,分析条件,灵活应用。
　　
　　(1)“矢量图分析”举例的物理过程矢量图分析了两种负载状态:
　　
　　①功率因数为0.8的感性负载状态
　　
　　负载为电感和电阻的并联,电感电流(有效值)为总负载电流的60%,为将设计开关管电路的电流减到最小,选择电容器容量很大,使导前于电压的电容电流也是总负载电流的60%,可完全抵消电感电流,使逆变器功率管电路的负载功率因数为1,使功率管电路的电流减小到仅为UPS输出额定电流的80%,显示出了优点。从学术观点上看可称之为单因素的“优化”。
　　
　　②功率因数为1的阻性负载状态
　　
　　阻性负载中没有电感电流,上述起好作用的电容电流,现在起不到抵消电感电流的好作用了,反而很大程度上占用了逆变器功率管电路的电流容量,使输出有功功率的能力减小到额定容量的53%;显示出了明显的缺点。
　　
　　(2)单一状态优化的优缺点
　　
　　①两种状态的对比
　　
　　上述①状态下,功率管电流有效值减小了20%。上述②状态下,要输出同样大小的有功功率(即80%视在功率大小的有功功率),需要增大UPS的容量(相应增大功率管的电流容量)到80%/53%=1.5倍,即要增大50%,要比前述减小的20%,多增大了30%;投入的成本更高。
　　
　　②单一状态的“优化”
　　
　　专题的设计、分析,都有其“特定条件”的,应特别注意上述UPS的一个“特殊条件”,就是只对感性负载上述①状态进行“优化”;即“电容电流完全抵消电感电流”;使功率管电路的电流容量为最小;它造成了电路在该状态下的优点;同时又造成了另一状态的缺点。
　　
　　这种设计,对于只工作在专门是一种有利的工作状态(即0.8功率因数的感性负载)的UPS来说,是可取的。
　　
　　(3)两种状态优化参数的协调
　　
　　从以上分析可以得到启发,如果将另一状态也进行优化,并将两状态的参数进行协调,可改善UPS适应负载性质的范围。
　　
　　①阻性负载状态的“优化”
　　
　　若考虑阻性负载,即②状态的改善;阻性负载(没有电感电流)不需要(只有“感性负载”才需要的)大容量的电容器作相位补偿,取消此大容量的电容器(即留下小容量的滤波电容部分)就是最佳的选择;即②状态的“优化”。
　　
　　②两状态的协调(折衷)
　　
　　如果此UPS要顾及上述两种负载性质,参数应在两个相应数据之间选择,即电容器的容量应比感性负载最佳所需之值要小得多,也要比阻性负载最佳所取之值大得多,称之为协调(或折衷)。
　　
　　4)更宽的负载范围的考虑
　　
　　如果要考虑容性、阻性和感性更宽的负载性质范围,这个电容器还可取小,如:只考虑滤波,不考虑相位补偿,这时逆变器功率管的电流容量还需增大。
　　
　　5 非线性负载􀁺的UPS特点
　　
　　5.1两种典型负载的矢量图一致
　　
　　(1)“非线性负载”的基波电流与电压同相位
　　
　　对于由规范性的“非线性负载”来确定UPS输出容量的UPS来说,是(上述)“非线性阻性负载”。无感性电流(或近于无),基波电流与电压同相位;故不需要大的电容电流来补偿;电容的基波电流只能消耗功率管的电流容量。故电容电流过大是一种需要警惕的现象。
　　
　　(2)规范性的“非线性负载”的基波电流与规范性的“线性负载”的电流一致
　　
　　“非线性负载”的UPS的两种负载是“非线性阻性负载”和“线性的阻性负载”,两种都属广义的“阻性”负载。基波电流相位没有变化;所以两种状态的基波矢量图是相同的,在只能分析基波的矢量图上,得到的结论是负载功率因数改变了,但容许输出功率是不变的;这就是“通信用UPS标准”对“额定功率”作“不变”的明确规定的依据,
　　
　　5.2低次谐波和滤波电容的影响
　　
　　(1)低次谐波不易滤除
　　
　　当非线性负载的非线性电流相对很大时,功率管电路输出端要选择适当容量的滤波电容,用来分流掉部分谐波电流,由于频率较低的谐波电流(3次、5次、7次……)不易滤除;有多大的谐波总电流有效值要流经功率管电路,会使功率管电路的总电流有效值增大多少,还是要关心的问题。
　　
　　虽然在正常的情况下,增大的相对值一般不很大,但只能由生产厂商掌握;适当增大功率管的电流容量或改善散热条件。
　　
　　当UPS设计的输出有功功率能达到等于额定容量,即功率因数达到1时,此项理论误差就消除了。
　　
　　(2)滤波电容也消耗功率管电路的电流容量
　　
　　前已述及,阻性负载(或基波是阻性负载时),电路中没有电感电流可与电容(的基波)电流相抵消,滤波电容中的基波电流也消耗功率管电路的电流容量。
　　
　　因此功率管电路的电流容量要相应增大。
　　
　　5.3通信用UPS标准直接用􀁬输出有功功率􀁺作技术指标
　　
　　(1)“输出有功功率”是明确要求
　　
　　在通信用UPS的范围内,在规定的两种负载性质下,在“输出有功功率”不受负载功率因数影响的原则下,确定成为明确的技术指标。
　　
　　(2)经高温工作试验
　　
　　在额定阻性负载下,输出规定的有功功率,连续试验两小时,正常工作。说明UPS功率管的温度在正常范围内。
　　
　　6 其他因素
　　
　　6.1功率管芯片上结温的不均匀性和瞬变
　　
　　功率管在“开通”过程和“关断”过程中,芯片上功率损耗的分布是不均匀的,所以结温的分布也是不均匀的;结温最高的点位,往往最易击穿、烧毁。
　　
　　当电流为脉冲电流或大小波动时,功率管芯片的结温很快变化,但热量传导到功率管的管壳上,使壳温渐升,但较慢:管壳的热量传导给散热器,使散热器温度渐升,则更慢。
　　
　　在设备运行中,无法测量功率管的结温,只能测量功率管壳温或散热器温度。所以测量的实际效果误差很大。
　　
　　为使功率管工作在安全状态,通常要增大功率管的电流容量一倍左右;功率管壳温和散热器温度也要相应低些。
　　
　　功率管电路的取样电流,作为过流保护的取样信号之一,能较快速地反应功率管电路功率损耗的变化,从而及时防止功率管过热损坏。
　　
　　6.2运行中的不稳定因素
　　
　　如:并联运行时均流不佳,锁相的精度不高(甚至失步),负载的冲击电流过大或冲击电流的延时过长,操作过程是否引起损坏等。
　　
　　对事故要调查,对损坏的UPS型号,要具体分析。
　　
　　作者简介
　　
　　黄济青(1934-),男。北京邮电大学教授。1955年毕业于上海交通大学电机系,在北京邮电大学任教,历任通信电力教研室主任及硕士研究生导师。发表论文30余篇,著有《通信电源》教科书等三部。

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