[科普中国]-线性负载

在我国UPS的国标GB/T7260-3中对线性负载有明确的定义:“3.2.6 线性负载 linear load 当施加可变正弦电压时,其负载阻抗参数(Z)恒定为常数的那种负载。”1

线性负载的特征在交流电路中,负载元件有电阻R、电感L和电容C三种,它们在电路中所造成的结果是不相同的。1

在纯电阻电路中,正弦电压U施加在一个电阻R上,则产生电流I也是正弦性的,电流I与电压U相位是相同的。

如电压u=Umsinωt,则i=Imsinωt;电流的有效值I=U/R。电流通过电阻发热,电能转换为热能,即P=UI=I2R。

在纯电感电路中,正弦电压施加在一个电感线圈L上,因电流是交变的,造成在线圈中产生感应电势,使得电流虽然仍然是正弦的,但相位上却滞后电压90°(电角度为π/2)。

如电压u=Umsinωt,则i=Imsin(ωt-π/2)。电流的有效值I=U/(2πf L)=U/XL;XL=2πf L称之为感抗。电流在电路中流动,将电源的电能带到线圈中,转换为磁能,然后又把磁能转换为电能返回电源。所以在电路中没有功率消耗,平均功率为零。无功功率Q=UI=I2XL。

在纯电容电路中,正弦电压施加在一个电容量为C的电容器上,因电流携带电荷积累在电容的极板上产生电容电压,使得电流虽然仍然是正弦的,但相位上却超前电压90°(电角度为π/2)。

如电压u=Umsinωt,则i=Imsin(ωt+π/2);电流有效值I=2πfCU=U/XC;XC=1/(2πfC)。称之为容抗。电流在电路中流动,将电源的电能带到电容器中,转换为电场能量,然后又把电场能量转换为电能返回电源。所以在电路中没有功率消耗,平均功率为零。无功功率Q=UI=I2XC。一般将感抗和容抗统称为电抗。

在一般具有电阻R和电感L、电容C的线性负载上,施加正弦性电压,则电流仍然是正弦性的,但是电流与电压之间的相位关系,既不是同相也不是相差90°,而是相差一个φ角。

如电压u=Umsinωt,则i=Imsin(ωt±φ)。电流有效值I=U/Z。Z即为阻抗,它与电阻、电抗的关系是:Z2=R2+X2。电抗为感抗XL和容抗XC的综合值。相位差φ角是由负载中的R、L、C参数决定的。在呈现为感性时φ为正,容性时φ为负。tgφ=X/R。阻抗Z、电抗X和电阻R三者构成阻抗直角三角形。负载上的视在功率S=UI,有功功率P=UIcosφ,无功功率Q=UIsinφ,S2=P2+Q2,三者构成功率三角形。

在这里要说明一点,决定负载特征的不仅是负载阻抗的大小,还有功率因数的大小。综合来讲,在线性负载中,有纯阻性(功率因数为1)和感性(功率因数小于1)、容性(功率因数小于1),以及纯感性和纯容性(功率因数均为0)。上述这些负载都属于线性负载,不能认为只有功率因数为1的纯阻性负载是线性的,功率因数不为1的其他负载就不是线性的2。

线性负载和非线性负载区分线性负载和非线性负载是电路中两种基本负载，在UPS设备和电路中常遇到这两种负载，特别是非线性负载。因此，对这两种负载的特征和区别应有清晰明确的认识。

二者表现出来的区别就是：“二者都施加正弦电压时，线性负载的电流是正弦的，非线性负载的电流是非正弦的。”但是在现实中，常常可以看到混淆电工基本概念的地方。主要是把功率因数的概念混在里面，认为只有纯电阻负载是线性负载，而非纯阻性负载则统统是非线性。3

线性负载和非线性负载的特征和差异线性负载和非线性负载是电路中两种根柢负载,在UPS设备和电路中常遇到这两种负载,分外对错线性负载。因而,对这两种负载的特征和差异应有了解了解的知道。

1 线性负载的界说和特征

在中国UPS的国标GB/T7260-3中对线性负载有了解的界说:“3.2.6 线性负载 linear load 当施加可变正弦电压时,其负载阻抗参数(Z)安稳为常数的那种负载。”

在沟通电路中,负载元件有电阻R、电感L和电容C三种,它们在电路中所构成的效果是纷歧样的。

在纯电阻电路中,正弦电压U施加在一个电阻R上,则发作电流I也是正弦性的,电流I与电压U相位是一样的。

如电压u=Umsinωt,则i=Imsinωt;电流的有用值I=U/R。电流经过电阻发热,电能改换为热能,即P=UI=I2R。

在纯电感电路中,正弦电压施加在一个电感线圈L上,因电流是交变的,构成在线圈中发作感应电势,使得电流尽管仍然是正弦的,但相位上却滞后电压90°(电视点为π/2)。

如电压u=Umsinωt,则i=Imsin(ωt-π/2)。电流的有用值I=U/(2πf L)=U/XL;XL=2πf L称之为感抗。电流在电路中活动,将电源的电能带到线圈中,改换为磁能,然后又把磁能改换为电能回来电源。所以在电路中没有功率耗费,均匀功率为零。无功功率Q=UI=I2XL。

在纯电容电路中,正弦电压施加在一个电容量为C的电容器上,因电流带着电荷堆集在电容的极板上发作电容电压,使得电流尽管仍然是正弦的,但相位上却超前电压90°(电视点为π/2)。

如电压u=Umsinωt,则i=Imsin(ωt+π/2);电流有用值I=2πfCU=U/XC;XC=1/(2πfC)。称之为容抗。电流在电路中活动,将电源的电能带到电容器中,改换为电场能量,然后又把电场能量改换为电能回来电源。所以在电路中没有功率耗费,均匀功率为零。无功功率Q=UI=I2XC。通常将感抗和容抗总称为电抗。

在通常具有电阻R和电感L、电容C的线性负载上,施加正弦性电压,则电流仍然是正弦性的,可是电流与电压之间的相位联络,既不是同相也不是相差90°,而是相差一个φ角。

如电压u=Umsinωt,则i=Imsin(ωt±φ)。电流有用值I=U/Z。Z即为阻抗,它与电阻、电抗的联络是:Z2=R2+X2。电抗为感抗XL和容抗XC的归纳值。相位差φ角是由负载中的R、L、C参数抉择的。在呈现为理性时φ为正,容性时φ为负。tgφ=X/R。阻抗Z、电抗X和电阻R三者构成阻抗直角三角形。负载上的视在功率S=UI,有功功率P=UIcosφ,无功功率Q=UIsinφ,S2=P2+Q2,三者构成功率三角形。

在这儿要阐明一点,抉择负载特征的不只仅负载阻抗的巨细,还有功率因数的巨细。归纳来讲,在线性负载中,有纯阻性(功率因数为1)和理性(功率因数小于1)、容性(功率因数小于1),以及纯理性和纯容性(功率因数均为0)。上述这些负载都归于线性负载,不能以为只需功率因数为1的纯阻性负载是线性的,功率因数不为1的别的负载就不是线性的。这是这篇文章所要分外偏重的。

2 非线性负载的界说和特征

在中国UPS的国标GB/T7260-3中对非线性负载也有了解的界说:“3.2.7 非线性负载 non-linear load 负载阻抗参数(Z)不总为安稳常数,随比方电压或时刻等其它参数而改动的那种负载。”

非线性负载的品种繁复,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。因而,IEC规范中便拟定了一个基准非线性负载(Reference non-linear load),做为规范的附录列入规范中。用这个基准非线性负载查验UPS带非线性负载的才华。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。

这个电路之所所以非线性负载,便是由于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,因二极管的阻断效果,电源不再供电,而由电容放电使负载坚持电流的接连性。所以这个负载关于电源呈现的阻抗是随电压瞬时值的巨细而改动的。

非线性负载的一个首要特征便是当对负载施加正弦形电压时,电流并不是正弦形的。图1的负载电路沟通电流是接连的、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。

剖析和核算非线性电路中的电流和功率,运用的办法是用傅立叶函数剖析的办法,用等效的正弦量代替非正弦量。在这个详细电路中:

电源输入电压u=u1+u3+u5+u7+…,此处u1是基波电压重量,由于沟通输入电源可以以为是正弦形的,所以没有高次谐波重量,则u=u1。

此处沟通电流i=i1+i3+i5+i7+i9+i11……。

每一次谐波电流都是正弦形的,它们都有自个的幅值、有用值(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代替非正弦电流,其有用值的平方等于各谐波重量有用值的平方和,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…)。

均匀功率P=U1I1cosφ1=UI1cosφ1,亦称之为有功功率。

与线性电路一样,令电路中的视在功率为S,S=UI。

一样无功功率为Q,三个功率之间的联络仍为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