供配電系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施，它直接為IT設(shè)備供電。但往往會出現(xiàn)供電容量入不敷出的現(xiàn)象，究其原因還是基本概念不清。這種概念的誤區(qū)來源于兩個方面：一個是從已有的文章論述或某個書本上獲得，一個是功率因數(shù)表的測量結(jié)果。于是就認(rèn)為從實(shí)驗(yàn)結(jié)果印證了IT設(shè)備的電容性理論。是的，在很多情況下，功率因數(shù)表的測量結(jié)果顯示電容性，測量結(jié)果是對的，關(guān)鍵是理解是錯誤的。

1 從幾種基本元器件的特性談起

在構(gòu)成電路的電子器件中，除有源器件外便是電阻R、電容C和電感L，如圖1所示。眾所周知，只有電阻是消耗功率的，而電容和電感都是儲存功率的，電容以電場的形式儲存，而電感則以磁場的形式儲存。

懂電路的人都知道電容和電感有互補(bǔ)的關(guān)系，它們都是慣性器件。電容上的電壓不能突變，在交流電中，電容中的電流超前電壓90°，電感中的電流滯后電壓90°，二者的阻抗可以直接相減。它們的阻抗表達(dá)式為

容抗（1）

感抗（2）

式中：π=3.1416；

f—工作頻率，單位Hz；

C—電容量，單位是F，這是一個不變的值（不包括器件衰減特性）；

L—電感量，單位是H，但此值在磁飽和的情況下，根據(jù)飽和程度而變；

XC和XL—分別為容抗和感抗，單位是Ω。

從兩個電抗表達(dá)式中可以看出，容抗XC值的大小和工作頻率成反比，即頻率越高，電抗值越低；感抗XL值的大小和工作頻率成正比，即頻率越高，電抗值越高。

二者全補(bǔ)償?shù)臈l件是：XC-XL=0

電壓源（包括發(fā)電機(jī)）就是根據(jù)這個原理設(shè)計的。一般情況下，帶負(fù)載的電子電路，除特殊用途的射極跟隨器外，要求輸出阻抗越小越好，而輸入阻抗越高越好。

2 電壓源的特點(diǎn)

電源分電壓源和電流源，也稱作穩(wěn)壓源和穩(wěn)流源，由于數(shù)據(jù)中心所用的電源大都屬于穩(wěn)壓源范疇，故在這里只討論穩(wěn)壓源。圖2為穩(wěn)壓源原理方框圖。其中E是電源的電動勢，r是電源的內(nèi)阻，R是負(fù)載電阻（或阻抗），U1為負(fù)載兩端的電壓，I是回路電流。

從圖中可以看出，負(fù)載兩端的電壓為（3）

從圖2中也可以看出，若負(fù)載R是一個變量，就會導(dǎo)致電流I的變化，從而導(dǎo)致電壓U1的變化，這樣就不穩(wěn)壓了。但如果式（3）中

（4）

即r（Zu）→0（5）

就是說如果電源的內(nèi)阻等于零，就會使負(fù)載端的電壓永遠(yuǎn)是

U1=E（6）

這就達(dá)到了輸出端穩(wěn)壓的目的。

什么器件放在輸出端能實(shí)現(xiàn)在負(fù)載變化時（這里指的是快速變化），內(nèi)阻呈零效果而電壓不變呢？那只有電容器，因?yàn)殡娙萆系碾妷翰荒芡蛔?，這是它的特性。所以電源的輸出阻抗都呈容性。

那么后面的負(fù)載是什么性質(zhì)呢？如果不是專門制造，后面的負(fù)載都是感性的。一個實(shí)際的例子：

在一些用電大戶可以看到，市電進(jìn)入后首先碰到的是一個電容補(bǔ)償柜，有誰見過電感補(bǔ)償柜？這不是說明用電容補(bǔ)償柜的容抗去補(bǔ)償負(fù)載端的感抗嗎。

3 IT設(shè)備的輸入特性

任何設(shè)備的性質(zhì)是由輸入功率因數(shù)決定的，而輸入功率因數(shù)的符號又是由輸入阻抗決定的。由于機(jī)房中大部分用電設(shè)備都是220Vac輸入，現(xiàn)就以輸入電壓為220Vac的電子設(shè)備為例來討論輸入正弦波失真原理。討論這個問題的目的在于鑒別用電設(shè)備的負(fù)載特性。因?yàn)殡娮韬碗娙荻际蔷€性負(fù)載，不會產(chǎn)生波形失真。如圖3所示。

圖3（a）表示的是線性負(fù)載的特性，從這里可以看出，它的阻抗是一條直線，電壓和電流的比值是一個定值，即

（7）

同樣，電容的電抗也是一個不變的值，當(dāng)然不排除它是慣性器件，并且由于它的慣性特點(diǎn)會產(chǎn)生電壓電流相移，導(dǎo)致產(chǎn)生無功功率，但這不會影響它的線性特點(diǎn)。

看來只有非線性負(fù)載才會使波形失真，如圖3（d）所示。但如果工作在線性區(qū)如圖3（c）所示的ΔU1以下區(qū)域就不會導(dǎo)致波形失真。那么輸入電壓為220Vac（380Vac也同理）的電子設(shè)備為什么具有非線性特性呢？從圖3（d）可以看出，電感性負(fù)載工作在非線性區(qū)域時，不但有電壓電流相移產(chǎn)生的無功功率，還會有非線性區(qū)域?qū)е碌臒o功功率。總之，導(dǎo)致波形失真的只有感性負(fù)載才具備這樣的條件。

現(xiàn)在來看一下如圖4所示的輸入電壓為220Vac的電子設(shè)備，目前這樣的設(shè)備都有本身的供電電源。如圖4（a）所示。從圖中可以看出，220Vac輸入后，就有整流器整流成脈動電壓波形，為了得到平穩(wěn)的直流電壓就必須用電容器C濾波，一般濾波電壓為300V.這樣一來，就出現(xiàn)了一種現(xiàn)象，即在沒有電容器C時，通過整流器的電流是正弦半波，但有了電容器C后，通過整流器的電流則是幅度很高的脈沖波。眾所周知，這是因?yàn)檎麟妷罕仨毟哂陔娙萆想妷篣CD，整流二極管才允許電流通過，可見這個通導(dǎo)區(qū)域很窄，一般不超過30°。由于脈沖電流的面積必須等于其相應(yīng)的正弦半波面積才能滿足負(fù)載的要求，所以需要非常高的脈沖幅度，如圖4（b）中黑色脈沖所示，一般是平均電流AB幅度的5倍左右，這樣一來就會在輸入電源內(nèi)阻和線路上造成很大的壓降，由于它正好對應(yīng)正弦波的峰值，所以就造成了輸入電壓峰頂?shù)陌枷?，這就是失真，如圖4（b）最上面的波形所示，這就導(dǎo)致了輸入220Vac用電設(shè)備的輸入功因數(shù)只有0.6～0.7，是典型的電感性負(fù)載。

4 為什么UPS帶的IT設(shè)備時呈電容性呢？

這正是造成人們誤解的關(guān)鍵。不僅要問：既然UPS與IT設(shè)備連接都是如圖5所示，那么為什么UPS帶IT設(shè)備時，UPS輸出端（也是IT設(shè)備輸入端）呈電容性呢？UPS后面的負(fù)載就是IT設(shè)備，當(dāng)然IT負(fù)載是容性的。這就是誤解的來源，尤其是具有測量手段的測量者就更會是深信不疑了。真相到底是什么樣的，這又作何解釋呢？真相就在圖6中。圖6表示的是UPS與IT設(shè)備的匹配原理方框圖，虛線圈內(nèi)XC表示UPS的輸出容性阻抗，而圈內(nèi)XL表示的是IT設(shè)備的輸入感性阻抗，如果XC=XL，就表示二達(dá)到了完全匹配，此時用功率因數(shù)表測得的結(jié)果就是線性1。

但實(shí)際應(yīng)用中，又有幾個能夠?qū)崿F(xiàn)這樣的最優(yōu)組合呢！幾乎沒有。比如一臺負(fù)載功率因數(shù)為-0.8、容量為100kVA的UPS，其輸出能力是有功功率80kW，無功功率60kvar，如果IT負(fù)載的輸入功率因數(shù)也是-0.8，而且也要求滿負(fù)荷，即要求輸入有功功率80kW和無功功率60kvar.這是一種理想情況！即使IT負(fù)載的輸入功率因數(shù)也是-0.8，一般最多也就是80%的負(fù)載量，即要求輸入有功功率64kW和無功功率48kvar.那么就有

XC-XL=60kvar-48kvar=12kvar （8）

如果此時用功率因數(shù)表去測量UPS的輸出端，表上顯示的是容性還是感性？顯然是顯示容性。

當(dāng)今高頻機(jī)UPS的負(fù)載功率因數(shù)都在0.9以上，假如為0.9，也就是說100kVA的UPS輸出能力

為有功功率PUPS=100kVA×0.9=90kW（9）

無功功率（10）

而現(xiàn)在的IT設(shè)備的輸入功率因數(shù)都在0.95以上，暫且認(rèn)為是0.95，那么100kVA的IT負(fù)載所需有功功率（11）

無功功率（12）

可以看出，即使將負(fù)載的無功功率全部補(bǔ)償，即（13）

這37.6kvar難道不是容性的嗎！這就是為什么功率因數(shù)表上顯示UPS負(fù)載端是容性的原因。

5 結(jié)束語

綜上所述，可以得出如下結(jié)論：

①UPS輸出阻抗是容性的，IT負(fù)載輸入阻抗是感性的。

②UPS的容性輸出阻抗是為了匹配IT負(fù)載的感性輸入阻抗。

③UPS輸出端所以顯示容性，是因?yàn)閁PS容性輸出阻抗大于被補(bǔ)償?shù)腎T負(fù)載的感性輸入阻抗。不能達(dá)到完全補(bǔ)償時，剩余的容性部分使得測量儀表顯示電容性。