什么是线性负载和非线性负载

本文格式为Word版，下载可任意编辑什么是线性负载和非线性负载 线性的意思就是 当电压变大的时候 电流也变大，电压除以电流 就是阻值是不变的，常用的电阻就是线性负载；非线性的意思是 当电压变大的时候 电流不会成比例变大，电容和电感是非线性负载。负载的电压和电流不是线性关系的就是非线性负载，感性负载和容性负载都是非线性负载，线性负载就是电阻性负载。感性负载指的是负载整体表现出电感的特性，不是指纯电感，比如电感和电阻串联，它就是感性负载。同样容性负载就是负载整体表现出电容的特性，也不是指纯电容。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,特殊是非线性负载。因此,对这两种负载的特征和区分应有清楚明确的熟悉。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,其负载阻抗参数(Z)恒定为常数的那种负载。” 在沟通电路中,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。 如电压u=Umsint,则i=Imsint;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,使得电流虽然仍旧是正弦的,但相位上却滞后电压90(电角度为/2)。 如电压u=Umsint,则i=Imsin(t-/2)。电流的有效值I=U/(2f L)=U/XL;XL=2f L称之为感抗。电流在电路中流淌,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,使得电流虽然仍旧是正弦的,但相位上却超前电压90(电角度为/2)。 如电压u=Umsint,则i=Imsin(t+/2);电流有效值I=2fCU=U/XC;XC=1/(2fC)。称之为容抗。电流在电路中流淌,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。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,则电流仍旧是正弦性的,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,而是相差一个角。 如电压u=Umsint,则i=Imsin(t)。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。相位差角是由负载中的R、L、C参数打算的。在呈现为感性时为正,容性时为负。tg=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=UIcos,无功功率Q=UIsin,S2=P2+Q2,三者构胜利率三角形。 在这里要说明一点,打算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。这是本文所要特殊强调的。 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-linear load 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(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带非线性负载的力量。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。 这个电路之所以是非线性负载,就是由于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转变的。 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的负载电路沟通电流是间断的、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。在这个详细电路中: 电源输入电压u=u1+u3+u5+u7+,此处u1是基波电压重量,由于沟通输入电源可以认为是正弦形的,所以没有高次谐波重量,则u=u1。此处沟通电流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(I1、I3、I5)以及电流与同频率电压之间的相位差(1、3、5、7)。 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重量有效值的平方和,即:I2=I12+I32+I52+I72+。 在这个电路中,瞬时功率值p=ui=u1(i1+i3+i5+i7+i9+i11)。 平均功率P=U1I1cos1=UI1cos1,亦称之为有功功率。 与线性电路相同,令电路中的视在功率为S,S=UI。 同样无功功率为Q,三个功率之间的关系仍为S2=P2+Q2。 有功功率与视在功率的比值为电路中的功率因数 :PF=P/S=UI1cos1/UI=I1cos1/I=cos1。 系数=I1/I1。 功率因数PF值比基波的相位差的功率因数cos1还要小一些。谐波中高次谐波占的比例越大,则越小,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,非线性负载很简单,电流波形种类许多。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,完全能满意负载的需要。特殊是大型UPS的峰值因数为3,就更没有问题。 第 4 页 共 4 页