新聞主題	柴油發(fā)電機(jī)線性負(fù)載和非線性負(fù)載的區(qū)別

 

眨眼：從線性負(fù)載和非線性負(fù)載二者表現(xiàn)出來(lái)的區(qū)別就是：“二者都施加正弦電壓時(shí)，線性負(fù)載的電流是正弦的，非線性負(fù)載的電流是非正弦的。”但是在現(xiàn)實(shí)中，康明斯用戶在柴油發(fā)電機(jī)組的日常使用中，往往對(duì)負(fù)載的特性并不十分了解.。主要是把功率因數(shù)的概念混在里面，認(rèn)為只有純電阻負(fù)載是線性負(fù)載，而非純阻性負(fù)載則統(tǒng)統(tǒng)是非線性。本文中就線性與非線性負(fù)載的定義，特性及其應(yīng)用進(jìn)行了闡述與分析，并澄清一些基本概念。

 

一、負(fù)載性質(zhì)區(qū)分

 

      根據(jù)負(fù)載的特性可分為線性負(fù)載和非線性負(fù)載。

1、線性負(fù)載

     線性的意思就是當(dāng)電壓變大的時(shí)候電流也變大，電壓除以電流就是阻值是不變的，從而導(dǎo)致電壓和電流之間是線性關(guān)系的負(fù)載。常見(jiàn)的線性負(fù)載有加熱器、白熾照明燈、變壓器、直接啟動(dòng)或傳統(tǒng)降壓?jiǎn)?dòng)方式的電動(dòng)機(jī)等。線性負(fù)載根據(jù)電壓和電流的相位關(guān)系又可分為電阻性（如電阻、電爐、白熾燈等）、電感性（如感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、變壓器等）、電容性（如電容器等）負(fù)載。

2、非線性負(fù)載

      非線性的意思是當(dāng)電壓變大的時(shí)候電流不會(huì)成比例變大，從而導(dǎo)致電壓和電流之間是非線性關(guān)系的負(fù)載。比如電容和電感就是非線性負(fù)載。

     在負(fù)載投入運(yùn)行過(guò)程中，電壓和電流之間的關(guān)系式經(jīng)常變化的，其波形也不是我們常說(shuō)的正弦交流波，而是含有不光滑的畸變成分。

      舉例說(shuō)明，如為確保網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心、數(shù)據(jù)交換中心、金融結(jié)算中心、重要系統(tǒng)調(diào)度中心等關(guān)鍵部門的設(shè)備能得到不間斷的電源供電，這些部門通常采用“市電供電+柴油發(fā)電機(jī)組備用+UPS電源”所組成的電源供電系統(tǒng)。UPS作為自市電停電到備用發(fā)電的中間段的電源設(shè)備可以將蓄電池的電能無(wú)延時(shí)地逆變向重要負(fù)載供電，從而保證在柴油發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)供電前負(fù)載不斷電；而當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)組投入使用時(shí)，UPS就作為機(jī)組的負(fù)載，為電池進(jìn)行充電整流濾波器件是UPS的主要部件之一，這種非線性負(fù)載會(huì)向柴油發(fā)電機(jī)組反射大量的高次諧波，其中以5次和7次諧波危害最嚴(yán)重，尤其是非線性負(fù)載較大而發(fā)電機(jī)組容量又較小時(shí)這種危害就更明顯。

 

二、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：“3.2.6 線性負(fù)載是當(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=Umsinωt，則i=Imsinωt；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

1、感抗

      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)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π/2）。

如電壓u=Umsinωt，則i=Imsin（ωt-π/2）

      電流的有效值I=U/（2πf L）=U/X_L；XL=2πf L，稱之為感抗。

      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=I2X_L

2、容抗

      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π/2）。

如電壓u=Umsinωt，則i=Imsin（ωt+π/2）；

      電流有效值I=2πfCU=U/X_C；X_C=1/（2πfC），稱之為容抗。

3、電抗

      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=I2X_C

      一般將感抗和容抗統(tǒng)稱為電抗。

4、阻抗

      在一般具有電阻R和電感L、電容C的線性負(fù)載上，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)φ角。

      如電壓u=Umsinωt，則i=Imsin（ωt±φ）。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和容抗XC的綜合值。相位差φ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)φ為正，容性時(shí)φ為負(fù)。tgφ=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=UIcosφ，無(wú)功功率Q=UIsinφ，S2=P2+Q2，三者構(gòu)成功率三角形。

      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)菪裕üβ室驍?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。

      柴油發(fā)電機(jī)線性負(fù)載電路模擬如圖4所示，L和組成LC振蕩電路，R和串聯(lián)將振蕩器產(chǎn)生的正弦信號(hào)移相輸出。其線性負(fù)載電流波形如圖2所示。

圖1  柴油發(fā)電機(jī)線性負(fù)載電路模擬圖.

圖2  柴油發(fā)電機(jī)線性負(fù)載電流波形圖

 

 

三、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：“3.2.7非線性負(fù)載是負(fù)載阻抗（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。”

      非線性負(fù)載的種類繁多，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3所示。

      這個(gè)電路之所以是非線性負(fù)載，就是因?yàn)樵谳斎攵耸┘诱译妷篣時(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4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。

      在諸多負(fù)載中，非線性負(fù)載很復(fù)雜，電流波形種類很多。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：“3.3.29峰值因數(shù)指的是周期量的峰值對(duì)方均根值之比。”

      其中方均根值就是平常所說(shuō)的有效值。一般最大峰值因數(shù)的負(fù)載是個(gè)人計(jì)算機(jī)，峰值因數(shù)約為2.7。一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的電流峰值因數(shù)約為2.3左右。正弦電流的峰值因數(shù)則是1.4。所以一般UPS都把能帶非線性負(fù)載的峰值因數(shù)定為3，完全能滿足負(fù)載的需要。特別是大型UPS的峰值因數(shù)為3，就更沒(méi)有問(wèn)題。

 

圖3  柴油發(fā)電機(jī)線非性負(fù)載電路模擬圖

圖4  柴油發(fā)電機(jī)非線性負(fù)載電壓電流波形

 

 

總結(jié)：

      柴油發(fā)電機(jī)負(fù)載的電壓和電流不是線性關(guān)系的就是非線性負(fù)載，感性負(fù)載和容性負(fù)載都是非線性負(fù)載，線性負(fù)載就是電阻性負(fù)載。感性負(fù)載指的是負(fù)載整體表現(xiàn)出電感的特性，不是指純電感，比如電感和電阻串聯(lián)，它就是感性負(fù)載。同樣容性負(fù)載就是負(fù)載整體表現(xiàn)出電容的特性，也不是指純電容。線性負(fù)載和非線性負(fù)載是電路中兩種基本負(fù)載，在UPS設(shè)備和電路中常遇到這兩種負(fù)載，特別是非線性負(fù)載。因此，對(duì)這兩種負(fù)載的特征和區(qū)別應(yīng)有清晰明確的認(rèn)識(shí)。

 

 

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