线性负载和非线性负载

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。本文对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。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“326线性负载linearload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=Umaxsinwt，则I=Imaxsinwt，电流的有效值I=U/ZR（Zr=R，称为电阻）电流通过电阻发热，电能转换为热能，即P=UI=l2ZR=l2R,Q=0。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n/2）:电压U=Umaxsinwt，则l=lmaxsin（wt-n/2），电流的有效值l=U/ZL（ZL=XL=wL=2nfL,称max max LLL为感抗，L为线圈的自感系数）。电流在电路中流动，在线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=l2XL。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=Usinwt，贝I」l=lsin（wt+n/2），电流有效值l=U/Z（ =X「=-1/wC=-1/2nfC,max max CCC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=Ul=l2XCo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°，而是相差一个少角：电压U=Umaxsinwt，则l=lmaxsin（皿±少），电流有效值l=U/Z（Z2=R2+X2，称为阻抗，其max max中X=XL+XC,称为电抗，阻抗、电抗和电阻构成阻抗三角形）相位差少角是由负载中的R、L、C参数决定的，感性时少为正，容性时少为负，阻性时少为零,tane=X/R。在RLC线性负载电路中，S=UI,P=Ulcos「Q=UIsin「S2=P2+Q2，三者构成功率三角形。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）。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-linearload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(Refereneenon-linearload)，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，则电源给负载只〔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=U1。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（|「|3、|5…）以及电流与同频率电压之间的相位差（%、少3、少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=I[2+I32+I52+I72+ 。在这个电路中瞬时功率值p=UI=u（I1+I3+I5+I7+I9+I11^）,P=U1I1cos^1=UI1cos^1S=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=Ubcosp/Ulpcos%/匸入cos%。系数入=1/1<1。功率因数比基波的相位差的功率因数COS%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peakfactor周期量的峰值对方均根值之比。”注：术语"尖峰因数（Crestfactor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