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柴油发电机线性负载和非线性负载的区别 |
眨眼：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。
一、负载性质区分
根据负载的特性可分为线性负载和非线性负载。
1、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，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
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。比如电容和电感就是非线性负载。
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。
举例说明，如为确保网络数据中心、数据交换中心、金融结算中心、重要系统调度中心等关键部门的设备能得到不间断的电源供电，这些部门通常采用“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。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。
二、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。
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。
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4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2所示。
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图1 柴油发电机线性负载电路模拟图. |
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图2 柴油发电机线性负载电流波形图
三、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1的负载电路交流电流是间断的、尖峰的。而图4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3 柴油发电机线非性负载电路模拟图 |
图4 柴油发电机非线性负载电压电流波形 |
总结：
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，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。
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