线性负载和非线性负载

线性负载和非线性负载是电路中的两种基本负载，是UPS设备和电路中常见的负载，尤其是非线性负载。 因此，必须明确认识这两种负荷的特点和差异。本文分别对线性负载和非线性负载进行了说明，两者的表现差异是“双方都施加正弦波电压时，线性负载的电流为正弦波，非线性负载的电流不是正弦波”。 但现实中，常常混淆电工的基本概念。 主要混合了功率因数的概念，认为只有纯电阻负载是线性负载，非纯电阻负载都是非线性的。1 .线性负荷的定义和特征我国UPS国标GB/T7260-3中对线性负载有明确定义的“3.2.6施加线性负载线性负载可变正弦电压时，其负载阻抗(z )恒定的负载”交流电路中，负载元件有电阻r、电感器l、电容器c 3种，电路结果不同。在纯粹电阻电路中，当对一个电阻r施加正弦波电压u时，产生电流I也是正弦波，电流I和电压u的相位相同如果电压U=Umaxsint，则I=Imaxsint，电流有效值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=I2ZR=I2R，Q=0。在纯粹电感电路中，正弦波电压被施加到一个电感线圈，电流交变，在线圈中产生感应电位，因此电流保持正弦波不变，但电压90 (电角/2)延迟到相位如果电压U=Umaxsint，则I=Imaxsin(t-/2)，电流有效值I=U/ZL(ZL=XL=L=2fL，电感，l是线圈的自感)。 电流流过电路，通过线圈将电源的电能转换为磁能，将磁能转换为电能返回电源。 也就是说，P=0，Q=UI=I2XL。在纯电容电路中，正弦波电压施加于电容器，电流带电电荷蓄积于电容器的极板而产生电容电压，因此电流为正弦波，但相位上超前电压90 (电角/2) .如果电压U=Umaxsint，则I=Imaxsin(t /2)，电流有效值I=U/ZC(ZC=XC=-1/C=-1/2fC，电容阻抗，c是电容器电容值)。 电流流过电路，把电源的电能带到电容器，转换成电场能，然后把电场能转换成电能返回电源。 也就是说，P=0，Q=UI=I2XC。当向RLC线性负载电路施加正弦波的电压时，电流保持正弦波，但是电流和电压之间的相位关系不同，既不是同相也不是相位，仅相差角如果电压U=Umaxsint，则为I=Imaxsin(t)、电流有效值I=u/z (称为z2=r2x 2、阻抗，称为X=XL XC、电抗，阻抗、电抗、电阻构成阻抗三角形)。 相位差的角由负载中的r、l、c参数决定，电感性时为正，电容性时为负，电阻性时为零，tan=X/R。在RLC线性负载电路中，S=UI、P=UIcos、Q=UIsin、S2=P2 Q2这3个构成功率三角形。总之，线性负载有纯电阻性(功率因数为1 )和感性(功率因数小于1 )、电容性(功率因数小于1 )、纯电容性和纯电容性(功率因数均为0 )。2 .非线性负荷的定义和特点我国UPS国标GB/T7260-3对非线性负荷也有明确定义。 “3.2.7非线性负载非线性负载负载阻抗(z )并非始终恒定，而是根据电压和时间等其他参数而变化的负载”非线性负载的种类很多，UPS供给的负载多为整流滤波器型，UPS的输入也多为整流滤波器型。 为此，在IEC标准中制定了基准非线性负荷(Reference non-linear load )，作为标准的附录被包含在标准中。 用这个基准非线性负荷验证UPS拥有非线性负荷的能力。 UPS国标GB/T7260-3中，该基准非线性负载电路也如附录e所示图1该电路为非线性负载的原因是，当在输入端施加正弦波电压u时，如果电压瞬时值大于电容器的直流电压，则将电源供给至负载R1，并对电容器进行充电。 电压瞬时值小于电容器的直流电压时，由于二极管的切断作用，电源不能供给，电容器放电时负载保持电流的连续性。 因此，该负载相对于电源的阻抗根据电压瞬时值的大小而变化。非线性负载的一个重要特征是当正弦电压被施加到负载时，电流不是正弦波。 图1的负载电路的交流电流是间断的和尖峰的。 图2是这种非线性负载的电压和电流的波形图，可知电流为尖峰状。图2分析计算非线性电路的电流和功率的方法是用傅立叶函数分析的方法，将非正弦量置换为等效正弦量。 在该具体电路中电源输入电压U=U1 U3 U5 U7 这里，U1是基波电压成分，交流输入电源被认为是正弦波形，所以如果没有高次谐波成分，则U=U1。 其中交流电流i=I3i5i7i9I1、高次谐波电流为正弦形，各自的振幅、有效值(i1、i3、I5)和与电流相同频率电压的相位差(1、3、5)。将非正弦波电流替换为等效的正弦波电流，其有效值的平方是各谐波分量的有效值的平方和，即I2=I12 I32 I52 I72 。在该电路中，瞬时功率值p=ui=u1(i3i5i7i9i1)、P=U1I1cos1=UI1cos1、S=UI、p、q、s这3个功率关系保持S2=P2 Q2不变。功率因数： pf=p/s=ui1cos1/ui=i1cos1/I=cos1。 系数=I1/I1。功率因数略小于基波相位差的功率因数cos1。 高次谐波在高次谐波中所占的比例越大越小，功率因数也越小。 由此，可以将非线性负荷作为线性负荷进行计算和分析。在许多负载中，非线性负载复杂，电流波形种类繁多。 有尖峰，有双峰等等，仅凭电流的大小无法说明。 为了说明非线性和线性电流的不同程度，用一个参数表示，这就是峰值系数。 GB/T7260-3标准中称为“3.3.29峰值因子peak factor周期量的峰值对方平均根值之比”。注：“尖峰因子”(crest factor )一词同义。其中，方均根值是普遍说的有效值。一般来说，最大峰