详解线性和非线性负载及UPS选型.docx

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1、 线性负载的定义和特征在我国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（Z）恒定为常数的那种负载在交流电路中，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：电压U=U sinw t,则I=I sinw t,电流的有效值I=U/ZR（Zr=R，称为电阻）电流通max max R R过电阻发热，电能转换为热能，即P=UI=I2Zr=I2R, Q=0R在纯电感电路中，正弦电压施加在一个电感线圈上，因电流是交变的，造成圈中产 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n /2）：电压 U=U sinw t,则 I=I sin（3 t-n /2），电流的有效值 I=U/Z （Z =X =w L=2n fL，max max L L L称为感抗， L 为线圈的自感系数）。

电流在电路中流动，圈中将电源的电能转换为磁能 然后又把磁能转换为电能返回电源，即P=0，Q=UI=I2Xl在纯电容电路中，正弦电压施加在一个电容器上，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n /2）：电压 U=U sinw t,则 I=I sin（w t+n /2），电流有效值 I=U/Z （Z =X =-1/w C=-1/2nmax max C C CfC,称为容抗，C为电容器的电容值）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即P=0, Q=UI=I2XC在 RLC 线性负载电路上，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Q角：电压 U=U sinw t,则 I=I sin（W t±Q ），电流有效值 I=U/Z（Z2=R2+X2，称为阻抗，max max其中X= XL + XC,称为电抗，阻抗、电抗和电阻构成阻抗三角形）相位差Q角是由负载中 的R、L、C参数决定的，感性时Q为正，容性时Q为负，阻性时Q为零，tan© =X/R。

在RLC线性负载电路中，S=UI, P=UIcos© , Q=UIsin© , S2=P2+Q2，三者构成功率三 角形综合来讲，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）2、 非线性负载的定义和特征在我国 UPS 的国标 GB/T7260-3 中对非线性负载也有明确的定义： “3.2.7 非线性负载 non-linear load负载阻抗（Z）不总为恒定常数，随诸如电压或时间等其它参数而变化的那 种负载非线性负载的种类繁多，在UPS供电的负载中多是整流滤波型，UPS的输入也是整流 滤波型因此，IEC标准中便制定了一个基准非线性负载(Reference non-linear load)，做为 标准的附录列入标准中用这个基准非线性负载检验UPS带非线性负载的能力在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，如图1所示：这个电路之所以是非线性负载，就是因为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，因二极管的阻断作用，电源不再供电，而由电容放电使负载保持电流的连续性。

所以这个负载对于电源呈现的阻抗是随电压瞬时值的大小而改变的非线性负载的一个重要特点就是当对负载施加正弦形电压时，电流并不是正弦形的图1 的负载电路交流电流是间断的、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分析和计算非线性电路中的电流和功率，使用的方法是用傅立叶函数分析的方法，用等 效的正弦量代替非正弦量在这个具体电路中：电源输入电压u=u1+u3+u5+u7+„，此处U1是基波电压分量，因为交流输入电源可以 认为是正弦形的，所以没有高次谐波分量，则u=U]此处交流电流i=i1+i3+i5+i7+i9+i11„， 每一次谐波电流都是正弦形的，它们都有自己的幅值、有效值«、I3、I5…)以及电流与同 频率电压之间的相位差(Q ]、0 3、0 5…)以等效的正弦形电流替代非正弦电流，其有效值的平方等于各谐波分量有效值的平方 和，即：I2=I12+I32+I52+I72+ 在这个电路中，瞬时功率值 p =UI= U(I1+I3+I5+I7+I9+I11„)，P= U]I]COS0 ]=UI]COS0 1，S=UI， P、Q、S三个功率之间的关系仍为S2=P2+Q2。

功率因数：PF=P/S= UI1cos0 1/UI=I1cos0 1/I=A cos0 ]系数入=I/I<1功率因数比基波的相位差的功率因数 CoS0 1 还要小一些谐波中高次谐波占的比例越大， 则入越小，功率因数也就越小这样就可以把一个非线性的负载化为线性负载进行计算和分析在诸多负载中，非线性负载很复杂，电流波形种类很多有尖峰的、有双峰的等等，仅 仅用其电流大小来说明还是不够的为了说明非线性与线性电流差别的程度，用一个参数来 表示，这就是峰值因数在GB/T7260-3标准中是这样说的：“3.3.29峰值因数peak factor周 期量的峰值对方均根值之比注：术语“尖峰因数” crest factor）与此同义其中方均根值就是平常所说的有效值一般最大峰值因数的负载是个人计算机，峰值因数约为2.7一个计算机系统的电流峰值因 数约为2.3左右正弦电流的峰值因数则是1.4所以一般UPS都把能带非线性负载的峰值 因数定为3,完全能满足负载的需要特别是大型UPS的峰值因数为3,就更没有问题结束语将以上所述，线性负载和非线性负载分别做了说明，从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。