新聞主題	柴油發電機線性負載和非線性負載的區別

 

眨眼：從線性負載和非線性負載二者表現出來的區別就是：“二者都施加正弦電壓時，線性負載的電流是正弦的，非線性負載的電流是非正弦的。”但是在現實中，康明斯用戶在柴油發電機組的日常使用中，往往對負載的特性并不十分了解.。主要是把功率因數的概念混在里面，認為只有純電阻負載是線性負載，而非純阻性負載則統統是非線性。本文中就線性與非線性負載的定義，特性及其應用進行了闡述與分析，并澄清一些基本概念。

 

一、負載性質區分

 

      根據負載的特性可分為線性負載和非線性負載。

1、線性負載

     線性的意思就是當電壓變大的時候電流也變大，電壓除以電流就是阻值是不變的，從而導致電壓和電流之間是線性關系的負載。常見的線性負載有加熱器、白熾照明燈、變壓器、直接啟動或傳統降壓啟動方式的電動機等。線性負載根據電壓和電流的相位關系又可分為電阻性（如電阻、電爐、白熾燈等）、電感性（如感應電動機、變壓器等）、電容性（如電容器等）負載。

2、非線性負載

      非線性的意思是當電壓變大的時候電流不會成比例變大，從而導致電壓和電流之間是非線性關系的負載。比如電容和電感就是非線性負載。

     在負載投入運行過程中，電壓和電流之間的關系式經常變化的，其波形也不是我們常說的正弦交流波，而是含有不光滑的畸變成分。

      舉例說明，如為確保網絡數據中心、數據交換中心、金融結算中心、重要系統調度中心等關鍵部門的設備能得到不間斷的電源供電，這些部門通常采用“市電供電+柴油發電機組備用+UPS電源”所組成的電源供電系統。UPS作為自市電停電到備用發電的中間段的電源設備可以將蓄電池的電能無延時地逆變向重要負載供電，從而保證在柴油發電機組啟動供電前負載不斷電；而當柴油發電機組投入使用時，UPS就作為機組的負載，為電池進行充電整流濾波器件是UPS的主要部件之一，這種非線性負載會向柴油發電機組反射大量的高次諧波，其中以5次和7次諧波危害最嚴重，尤其是非線性負載較大而發電機組容量又較小時這種危害就更明顯。

 

二、線性負載的定義和特征

 

      在我國UPS的國標GB/T7260-3中對線性負載有明確的定義：“3.2.6 線性負載是當施加可變正弦電壓時，其負載阻抗參數（Z）恒定為常數的那種負載。”

      在交流電路中，負載元件有電阻R、電感L和電容C三種，它們在電路中所造成的結果是不相同的。

      在純電阻電路中，正弦電壓U施加在一個電阻R上，則產生電流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

電流通過電阻發熱，電能轉換為熱能，即P=UI=I2R

1、感抗

      在純電感電路中，正弦電壓施加在一個電感線圈L上，因電流是交變的，造成在線圈中產生感應電勢，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，將電源的電能帶到線圈中，轉換為磁能，然后又把磁能轉換為電能返回電源。所以在電路中沒有功率消耗，平均功率為零。

無功功率Q=UI=I2X_L

2、容抗

      在純電容電路中，正弦電壓施加在一個電容量為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，將電源的電能帶到電容器中，轉換為電場能量，然后又把電場能量轉換為電能返回電源。所以在電路中沒有功率消耗，平均功率為零。

無功功率Q=UI=I2X_C

      一般將感抗和容抗統稱為電抗。

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系，既不是同相也不是相差90°，而是相差一個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角是由負載中的R、L、C參數決定的。在呈現為感性時φ為正，容性時φ為負。tgφ=X/R。阻抗Z、電抗X和電阻R三者構成阻抗直角三角形。負載上的視在功率S=UI，有功功率P=UIcosφ，無功功率Q=UIsinφ，S2=P2+Q2，三者構成功率三角形。

      決定負載特征的不僅是負載阻抗的大小，還有功率因數的大小。綜合來講，在線性負載中，有純阻性（功率因數為1）和感性（功率因數小于1）、容性（功率因數小于1），以及純感性和純容性（功率因數均為0）。上述這些負載都屬于線性負載，不能認為只有功率因數為1的純阻性負載是線性的，功率因數不為1的其他負載就不是線性的。

      柴油發電機線性負載電路模擬如圖4所示，L和組成LC振蕩電路，R和串聯將振蕩器產生的正弦信號移相輸出。其線性負載電流波形如圖2所示。

圖1  柴油發電機線性負載電路模擬圖.

圖2  柴油發電機線性負載電流波形圖

 

 

三、非線性負載的定義和特征

 

      在我國UPS的國標GB/T7260-3中對非線性負載也有明確的定義：“3.2.7非線性負載是負載阻抗（Z）不總為恒定常數，隨諸如電壓或時間等其它參數而變化的那種負載。”

      非線性負載的種類繁多，在UPS供電的負載中多是整流濾波型，UPS的輸入也是整流濾波型。因此，IEC標準中便制定了一個基準非線性負載（Reference non-linear load），做為標準的附錄列入標準中。用這個基準非線性負載檢驗UPS帶非線性負載的能力。在UPS國標GB/T7260-3中，也在附錄E中給出了這個基準非線性負載電路，如圖3所示。

      這個電路之所以是非線性負載，就是因為在輸入端施加正弦電壓U時，當電壓瞬時值大于電容上的直流電壓，則電源給負載R1供電，并向電容充電。當電壓瞬時值小于電容上直流電壓時，因二極管的阻斷作用，電源不再供電，而由電容放電使負載保持電流的連續性。所以這個負載對于電源呈現的阻抗是隨電壓瞬時值的大小而改變的。

      非線性負載的一個重要特點就是當對負載施加正弦形電壓時，電流并不是正弦形的。圖1的負載電路交流電流是間斷的、尖峰的。而圖4是這種非線性負載的電壓和電流的波形圖，由此可以看出，電流是一個尖峰形的。

      分析和計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分析的方法，用等效的正弦量代替非正弦量。

      在諸多負載中，非線性負載很復雜，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，用一個參數來表示，這就是峰值因數。在GB/T7260-3標準中是這樣說的：“3.3.29峰值因數指的是周期量的峰值對方均根值之比。”

      其中方均根值就是平常所說的有效值。一般最大峰值因數的負載是個人計算機，峰值因數約為2.7。一個計算機系統的電流峰值因數約為2.3左右。正弦電流的峰值因數則是1.4。所以一般UPS都把能帶非線性負載的峰值因數定為3，完全能滿足負載的需要。特別是大型UPS的峰值因數為3，就更沒有問題。

 

圖3  柴油發電機線非性負載電路模擬圖

圖4  柴油發電機非線性負載電壓電流波形

 

 

總結：

      柴油發電機負載的電壓和電流不是線性關系的就是非線性負載，感性負載和容性負載都是非線性負載，線性負載就是電阻性負載。感性負載指的是負載整體表現出電感的特性，不是指純電感，比如電感和電阻串聯，它就是感性負載。同樣容性負載就是負載整體表現出電容的特性，也不是指純電容。線性負載和非線性負載是電路中兩種基本負載，在UPS設備和電路中常遇到這兩種負載，特別是非線性負載。因此，對這兩種負載的特征和區別應有清晰明確的認識。

 

 

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