线性负载和非线性负载

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1、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。　　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linearload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。”　　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

2、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/(2πfL)=U/XL;XL=2πfL称之为感抗。电流在电路中流动

3、,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

4、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

5、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

6、的,功率因数不为1的其他负载就不是线性的。这是本文所要特别强调的。　　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负载阻抗参数(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(Referencenon-linearload),做为标准的附录列入标准中

7、。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

8、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……。