线性负载和非线性负载

1、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“3.2.6线性负载linear load 当施加可变正弦电压时，其负载阻抗

2、（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=I2Zr=I2R，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 I=Ima

3、xsin（3t-n/2），电流的有效值 I=U/ZL （ ZL=XL=wL=2nfL ,称 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=I2XL。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=Umaxsinwt，则 I=Imaxsin（3t+n/2），电流有效值 I=U/ZC（ ZC =XC=-1/wC=-1/2nfC， 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

4、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=UI=I2Xc。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e角：电压 U=Umaxsinwt，则 I=Imaxsin（3te），电流有效值 I=U/Z （ Z2=R2+X2，称为阻抗，其 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e角是由负载中的 R、L、C参数决定的，感性时e为正，容性时e为负，阻性时e为零，tane=X/R。在RLC线性负载电路中，S=UI，P=UIcose，Q=UIsine，S

5、2=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-linear load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(Reference non-linear load)，做 为标

6、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，则电源给负载日1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

7、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。图2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=U。此处交流电流I=Ii+Ia+I5+I7+Iq+I”，11357911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（|、I。、“）以及电流与同 TOC o 1-5 h z 135频率电压之间的相位差（、必、）。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

8、效值的平方和，即：12=112+132+152+172+。在这个电路中，瞬时功率值 p =UI= U（ L+L+L+L+L+L.）,P= ULcos=ULcos，S=UI， 113579111 1111P、Q、S三个功率之间的关系仍为S2=P2+Q2。Ih玄 BF1 漏 PP-p/Q- I II rnecn /I ll-l cccrn /l-Arnecn 玄漏入一 I /Iv1 功i因数：pfp/s ui 1 cosw/Ui i 1 cosw/i 八cosw。系数八i/ii。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