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线性负载和非线性负载的区别及其对柴发的影响 |
摘要：线性和非线性负载是常见的两种用电负载类型，并存在着显著差异，除了在于电流与电压的关系不同之外，还对主要体现在柴油发电机的影响上。其核心影响包括电流波形、谐波含量、效率、温升、电压调节难度等方面，同时两者对柴油发电机组容量要求也有很大的区分。设计者应帮助用户根据需求选择合适的负载类型，或者采取额外加装消除影响的抑制措施。
一、负载性质和概念
根据负载的特性可分为线性负载和非线性负载。从线性负载和非线性负载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，康明斯用户在柴油发电机组的日常使用中，往往对负载的特性并不十分了解.。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。本文中就线性与非线性负载的定义，特性及其应用进行了阐述与分析，并澄清一些基本概念。
1、线性负载
线性负载是一种电气特性与电压和电流成正比关系的负载。这种负载的电阻值在整个工作范围内基本保持不变，因此其电压和电流之间的关系可以用一条直线来描述。线性负载对柴油发电机组的影响相对较小，因为它们产生的谐波分量较小。在交流柴油发电机组中，线性负载的电流波形与电压波形基本一致，为正弦波。这意味着线性负载可以有效地利用电能，同时产生的热能损失较小。
简单来说，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，从而导致电压和电流之间是线性关系的负载。常见的线性负载有加热器、白炽照明灯、变压器、直接启动或传统降压启动方式的电动机等。线性负载根据电压和电流的相位关系又可分为电阻性（如电阻、电炉、白炽灯等）、电感性（如感应电动机、变压器等）、电容性（如电容器等）负载。
2、非线性负载
与线性负载不同，非线性负载的电气特性不是简单的线性关系。这些负载在工作时，其电压和电流之间的关系不能简单地用一条直线来描述。非线性负载在运行时会产生大量的谐波分量，这些谐波分量会对柴油发电机组造成严重的影响。谐波不仅会增加柴油发电机组的电能损耗，还可能引起柴油发电机组电压波动、设备过热、降低设备使用寿命等问题。此外，谐波还可能对其他电子设备产生干扰，影响其正常运行。
简单来说，非线性的意思是当电压变大的时候电流不会成比例变大，从而导致电压和电流之间是非线性关系的负载。 在负载投入运行过程中，电压和电流之间的关系式经常变化的，其波形也不是我们常说的正弦交流波，而是含有不光滑的畸变成分。非线性负载的典型代表包括各种电子设备，如计算机、电视、变频器、UPS等。
举例说明：
以某数据中心为例，为了用电设备能得到不间断的电源供电，通常采用“市电供电+柴油发电机组备用+UPS电源”所组成的电源供电系统。本文分别为400V和11KV柴油发电机组建模，如图1所示，最后得出的非线性负载曲线对比，如图2所示。
UPS作为自市电停电到备用发电的中间段的电源设备可以将蓄电池的电能无延时地逆变向重要负载供电，从而保证在柴油发电机组启动供电前负载不断电；而当柴油发电机组投入使用时，UPS就作为发电机组的负载，为电池进行充电整流滤波器件是UPS的主要部件之一，这种非线性负载会向柴油发电机组反射大量的高次谐波，其中以5次和7次谐波危害最严重，尤其是非线性负载较大而发电机组容量又较小时这种危害就更明显。
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图1 非线性负载测试模拟装置
图2 高压和低压非线性负载曲线对比图
二、线性负和非线性负载对柴发影响对比
柴油发电机负载的电压和电流不是线性关系的就是非线性负载，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，经过以下两者对比后，对两种负载的特征和区别应有清晰明确的认识。
1、电流波形与谐波
（1）线性负载：
① 电流波形：电流与电压同频同相，波形为正弦波，无畸变。
② 谐波含量：基本无谐波（THD低），对发电机输出电压影响小。
（2）非线性负载：
① 电流波形：电流波形畸变（如尖峰、平顶波形），与电压波形不同步。
② 谐波含量：产生高次谐波（如3次、5次、7次等），导致总谐波失真（THD）升高，可能引发电压波形畸变，影响其他设备运行。
2、发电机效率与损耗
（1）线性负载：
① 效率：运行效率较高，电流与电压匹配，损耗以基础铜损、铁损为主。
② 温升：发热均匀，散热设计相对简单。
（2）非线性负载：
① 效率：因谐波导致额外涡流损耗、集肤效应和铁芯损耗，效率下降。
② 温升：局部过热风险增加（如转子、定子绕组），可能需降额运行或加强冷却。
3、电压调节与稳定性
（1）线性负载：
① 电压调节：负载变化时，发电机自动电压调节器（AVR）响应稳定，电压波动小。
② 动态响应：对突加/突卸负载的适应能力较强。
（2）非线性负载：
① 电压调节：谐波电流导致电压波形畸变，AVR可能无法完全补偿，电压稳定性下降。
② 动态响应：频繁的谐波扰动可能使调节器过载，甚至触发保护停机。
4、容量设计与降额运行
（1）线性负载：发电机额定容量可直接匹配负载功率（需考虑启动电流）。
（2）非线性负载：需根据谐波含量对发电机进行降额（如降额20%-40%），或选择过载能力更强的机型。可能需加装谐波滤波器或隔离变压器，以降低THD。
5、机械系统影响
（1）线性负载：负载变化平缓，柴油机调速系统压力较小，燃油效率较稳定。
（2）非线性负载：谐波引起的功率波动可能导致转速波动，增加机械磨损，降低燃油效率。
6、长期运行风险
（1）线性负载：对发电机寿命影响较小，维护周期相对固定。
（2）非线性负载：长期谐波污染可能加速绝缘老化，增加故障率（如绕组击穿、轴承电流腐蚀）。
三、负载的定义和特征
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 线性负载是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。
（1）感抗
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/（2πf L）=U/XL；XL=2πf L，称之为感抗。
电流在电路中流动，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，即无功功率Q=UI=I2XL。
（2）容抗
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。
（3）电抗
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。即无功功率Q=UI=I2XC。一般将感抗和容抗统称为电抗。
（4）阻抗
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。
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的，功率因数不为1的其他负载就不是线性的。
柴油发电机线性负载电路模拟如图3所示，L和组成LC振荡电路，R和串联将振荡器产生的正弦信号移相输出。其线性负载电流波形如图4所示。
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图3 柴油发电机线性负载电路模拟图.
图4 柴油发电机线性负载电流波形图
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非线性负载是负载阻抗（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3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，电流并不是正弦形的。图5的负载电路交流电流是间断的、尖峰的。而图6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峰值因数指的是周期量的峰值对方均根值之比。”
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，完全能满足负载的需要。特别是大型UPS的峰值因数为3，就更没有问题。
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图5 柴油发电机线非性负载电路模拟图 |
图6 柴油发电机非线性负载电压电流波形 |
总结：
综上所述，线性负载与非线性负载在电气特性、电流波形以及对柴油发电机组的影响等方面都存在着显著的差异。了解这些差异有助于用户更好地选择和使用电气设备，减少谐波对柴油发电机组的影响，提高电能的利用效率。在实际应用中，非线性负载需特别注意谐波抑制、降额设计及散热优化，必要时可通过配置滤波器或选择“非线性兼容”发电机（如配备增强型AVR和低阻抗绕组）来应对挑战。
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