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，常用的電阻就是線性負(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，電容和電感是非線性負(fù)載。
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)。
1 線性負(fù)載的定義和特征
在我國ups的國標(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 linear load 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?！?br> 在交流電路中,負(fù)載元件有電阻r、電感l(wèi)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。電流通過電阻發(fā)熱,電能轉(zhuǎn)換為熱能,即p=ui=i2r。
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/xl;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。所以在電路中沒有功率消耗,平均功率為零。無功功率q=ui=i2xl。
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/xc;xc=1/(2πfc)。稱之為容抗。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。所以在電路中沒有功率消耗,平均功率為零。無功功率q=ui=i2xc。一般將感抗和容抗統(tǒng)稱為電抗。
在一般具有電阻r和電感l(wèi)、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,無功功率q=uisinφ,s2=p2+q2,三者構(gòu)成功率三角形。
在這里要說明一點(diǎn),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?功率因數(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。這是本文所要特別強(qiáng)調(diào)的。
2 非線性負(fù)載的定義和特征
在我國ups的國標(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 non-linear load 負(fù)載阻抗參數(shù)(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。
這個(gè)電路之所以是非線性負(fù)載,就是因?yàn)樵谳斎攵耸┘诱译妷簎時(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2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。在這個(gè)具體電路中:
電源輸入電壓u=u1+u3+u5+u7+…,此處u1是基波電壓分量,因?yàn)榻涣鬏斎腚娫纯梢哉J(rèn)為是正弦形的,所以沒有高次諧波分量,則u=u1。
此處交流電流i=i1+i3+i5+i7+i9+i11……。
每一次諧波電流都是正弦形的,它們都有自己的幅值、有效值(i1、i3、i5……)以及電流與同頻率電壓之間的相位差(φ1、φ3、φ5、φ7……)。
以等效的正弦形電流替代非正弦電流,其有效值的平方等于各諧波分量有效值的平方和,即:i2=i12+i32+i52+i72+……。
在這個(gè)電路中,瞬時(shí)功率值p=ui=u1(i1+i3+i5+i7+i9+i11…)。
平均功率p=u1i1cosφ1=ui1cosφ1,亦稱之為有功功率。
與線性電路相同,令電路中的視在功率為s,s=ui。
同樣無功功率為q,三個(gè)功率之間的關(guān)系仍為s2=p2+q2。
有功功率與視在功率的比值為電路中的功率因數(shù) :pf=p/s=ui1cosφ1/ui=i1cosφ1/i=λcosφ1。 系數(shù)λ=i1/i<1。
功率因數(shù)pf值比基波的相位差的功率因數(shù)cosφ1還要小一些。諧波中高次諧波占的比例越大,則λ越小,功率因數(shù)也就越小。這樣就可以把一個(gè)非線性的負(fù)載化為線性負(fù)載進(jìn)行計(jì)算和分析。
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說明還是不夠的。為了說明非線性與線性電流差別的程度,用一個(gè)參數(shù)來表示,這就是峰值因數(shù)。在gb/t7260-3標(biāo)準(zhǔn)中是這樣說的:“3.3.29 峰值因數(shù)peak factor周期量的峰值對(duì)方均根值之比?！?br>注:術(shù)語“尖峰因數(shù)”(crest factor)與此同義。
其中方均根值就是平常所說的有效值。
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,就更沒有問題。