功率因数

　　功率因数，是用来衡量用电设备（包括：广义的用电设备，如：电网的变压器、传输线路，等等）的用电效率的数据。

　　功率因数的定义公式：功率因数＝有功功率/视在功率。

　　有功功率，是设备消耗了的，转换为其他能量的功率。

　　无功功率，是维持设备运转，但是并不消耗的能量。他存在于电网与设备之间，是电网和设备不可缺少的能量部分。但是无功功率如果被设备占用过多，就造成电网效率低下，同时，大量无功功率在电网中来回传送，使得线损高企浪费严重。

　　为了减少电网的无功传送，就要求用户在用电端，给设备提供无功功率，这种提供无功功率的行为，就是无功补偿。提供无功功率的补偿设备，称之为：无功补偿装置。比如深圳奥特电器公司的ATBX就地补偿箱，就是非常有效的就地补偿装置。

　　其他：必须了解的：

　　视在功率，就使我们常说的功率容量。计算：视在功率的平方＝有功功率的平方+无功功率的平方。

　　视在功率、有功功率、无功功率三者呈直角三角形关系。

　　注意：在没有谐波的情况下，可以推导出：功率因数＝COSa （电压电流角差的余弦）。但是有谐波的时候，上述表达式式不成立。这时很多人，包括很多专家都没有意识到的一个情况。

　　实际案例

　　电子系统的功率因数

　　在电子系统里有很多电子器件，而几乎所有有源电子器件都是要求直流供电的，而在一般的市区或工厂都是采用交流电作为电源。所以几乎所有的电子系统里都需要有一个整流器来把交流整成直流，通常在后面还要加一个电解电容来滤波（图2.）。

　　

　　图2. 整流器和电解电容

　　这种电路因为包含有整流二极管，所以实际上是一种非线性电路，这可以从它的电源和电流的波形看出，这时候的电压和电流波形如图3所示。

　　

　　图3. 整流器的电压和电流的波形

　　显然，尽管电压还是正弦波，但是电流却变成了脉冲波。 对于这种非线性系统，本来就很难来定义它的功率因数，因为功率因数本来是从线性系统里得来的。还好大多数电子系统都是家用小型电器，它对于大的电力系统影响不大。所以当时国家规定75瓦以下的电子系统不要求功率因数。这也是很合理的。甚至于到现在为止，美国的能源之星对于一般的照明系统还规定了100W以下不要求功率因数。

　　在荧光灯出现的时候，从来没有提出过什么功率因数的要求，所以采用电感镇流的普通日光灯的功率因数在0.5左右，过去也没有任何规定来限制。

　　然而到了节能灯国家就规定了15W以下不要求功率因数，但是因为大多数节能灯都是在15W以下，所以这个规定对于节能灯的大规模推广没有什么影响。到了LED却规定了5W以下才不要求功率因数。似乎对于节能效果越好的灯具，对PF的要求就越苛刻！这实在是很难理解的！

　　因为现在对小功率的LED的功率因数有规定了，那么对这种非线性系统的功率因数总应该有个定义。要不然怎么来测试？然而，要对非线性系统的功率因数做个定义实在是太难了。为此，很多人提出了各种建议：

　　1. 利用电流的基波和电压之间的相位差的余弦作为功率因数。可是因为电流的基波是从傅氏变换得来的，傅氏变换只能等到它的幅度，而不能得到它的相位，相位是相对的，必须有一个对照才能够得到相位。而在做傅氏变换时并没有把电压的相位作为基准，所以得到的结果也没有相位。所以这种建议是无法实现的。

　　2. 把电流的过零点作为电流的起始相位，把这个相位和电压的相位差的余弦作为功率因数。但是因为电流的波形并不是正弦波，而是脉冲波。所以把一个脉冲波的过零点作为其起始相位也是没有道理的。

　　3. 最后终于有人想出一个很勉强的定义，就是把功率因数定义为有功功率和无功功率之比。

　　PF = 有功功率/无功功率

　　虽然在正弦波的线性系统里，如果用这个定义，至少在绝对值上是和Cosφ的绝对值是一样的。有功功率就是把电流投影到电压轴上再乘以电压值。而无功功率就是直接把电流矢量和电压矢量相乘而不考虑其相位差。显然，在线性系统里其绝对值是和Cosφ的绝对值是一致的，但是这种比值却是没有正负号的。

　　而且，如何在一个非线性系统里定义有功功率和无功功率也是一个很大的问题。

　　现在大多数是采用如下的公式：

　　

　　称为相位因素

　　至于什么是相位因素就无人回答了。因为这个相位是无法得出的。

　　而且如果在非线性系统里用这个定义也就丢掉了功率因数Cosφ的正负号，因为功率是没有负功率的。由于所有的数字式功率因数计都采用了这个定义，结果也就丢掉了正负号。没有正负号的功率因数也失去了制定功率因素的根本意义！

　　实测的功率因数

　　我们现在就来看一下真实世界里的功率因数情况。正因为其中的视在功率是很难定义的，也是很难测定的，所以就出现了采用不同的仪器测出的结果不一样。举例来说，有一个11瓦的球泡灯，其中采用了桥式整流器加上10uF电解电容，采用三种仪器测量，测出的结果如下：

　　

　　三种仪器测试误差高达8%以上，完全不像测电压测电流测功率那么精准！

　　这么大的误差，假如要求PF一定要大于0.5，那么只要采用同惠的功率因数计，但是假如检测方一定要坚持采用远方的测试数据那就不合格了。这样的结果简直是使人们无所适从

　　想来想去应该采用电工系统里经官方认证的最经典的Cosφ计来测，其结果才最具有权威性。而且Cosφ测试仪不像数字测试仪，还能够得出正负号的。

　　指针式功率因数计

　　仔细搜索一下可以发现正式电力系统采用的功率因数计大多数是指针式的，这种功率因数计也称为Cosφ计。有单相的，也有三相的。这种电动式的动圈式功率因数表的转动线圈改为二个垂直的动圈。电表的磁场由负载电路中的电流产生。垂直的动圈分别为A和B，A线圈串接电阻后与负载线路并联，B线圈串接电感后与负载线路并联，因此B线圈的电流会较A线圈落后。在功率因数为1时，A线圈的电流会和负载电流同相，因此A线圈会产生最大的力矩，使功率因数表的指针指向1.0的刻度。若功率因数为0时，B线圈的电流会和负载电流同相，因此B线圈会产生力矩，使功率因数表的指针指向0的位置。若功率因数界于0和1之间，会依二个线圈产生力矩的大小决定最后指针的位置。其外形如下。

　　

　　指针式功率因数计 测试时的连接图

　　我们对一个102W的LED光引擎采用了数字式和指针式两种功率因数计，其测试结果如下：

　　

　　光引擎的整流器（采用124uF电解电容） 带恒流源的102W光引擎

　　采用数字式功率和功率因数计所得结果和采用指针式功率因数计测得结果完全不同。

　　

　　

　　数字式测得PF = 0.6590 指针式测得PF = +0.9

　　这个结果是非常令人惊喜的，因为不需要加任何功率因数补偿就可以得到+0.9 的功率因数！而且这是最权威的结果，也是应该得到官方的承认的。

　　功率因数的重要性和提高功率因数的方法

　　功率因数是衡量企业供电系统电能利用程度及电气设备使用状况的一个具有代表性的重要指标之一，通常使用cosφ表示，我们可以用以下几项来介绍功率因数的重要性，及提高功率因数的方法。

　　1 有功功率和无功功率

　　企业的用电设备大部分都用电磁感应原理来工作的，比如：变压器、电焊机、电磁感应式电动机等等，它们都是靠电能转化成电磁能再转化为电能或机械能来实现的能量转换，这样，用电设备就必须从电网上吸收两种能量，一部分能量用于做功，即前边提到得机械能或热能，这部分能量大部分是为了满足生产和生活的需要，称为有功功率。另一部分能量用来产生交变磁场，它是变压器、电焊机或电感线圈形成能量转换和传输的介质，没有了磁场，就没有了传输能量的介质，从而使能量只能在电源或用电设备内部消耗，而不能对外传输，不能对外做功，这部分功率叫做无功功率。无功，顾名思义就是无用功，其实它并不是没有用，没有它，任何能量都只能自己消耗，不能传输，然而它确实在能量转换的过程中没有转换成其它能量，所以叫作无功功率。有功功率和无功功率都是电能运用所必须的，若有功功率不足，就不能满足用电负荷的需要，会将电网电压拉低，系统发电机的转速变慢，发电频率降低，影响用电质量，威胁发电厂和各用电设备的安全。若无功功率不足，系统电压也会降低，电流将会升高，电机过流过热，会导致用电设备绝缘破坏，甚至烧毁。

　　2 功率因数

　　功率因数是衡量企业供电系统电能利用程度及电气设备使用状况的一个具有代表性的重要指标之一，通常使用cosφ表示。一个供电设备的供电容量通常是用视在功率表示，字面意思就是我们所能看到的功率，即表见功率，但不是真实功率，它的真实功率是由视在功率和功率因数的乘积决定的。所以说功率因数是一个非常重要的供电指标，而视在功率是由有功功率的平方与无功功率的平方和，开跟号得到的。视在功率确定后，有功功率分量高就称为功率因数高，有功功率分量低就称为功率因数低，有功功率和无功功率都是靠发电机发出的，然而用电设备所需要的功率会因设备的感性和容性不同而不同，当用电设备是感性时，用电设备的电压会超前电流90°;当用电设备是容性时，电流超前电压90°，两个分量将在一条直线上，但方向相反，用电设备中感性的居多，所以这就需要一个容性的负荷进行无功补偿了。

　　3 有功功率和无功功率的三角关系

　　上述讲的有功功率和无功功率可以用直角三角形的关系来描述：三角形的两条直角边，一个表示有功功率，一个表示无功功率，它们的斜边就是视在功率，有功功率和视在功率之间的夹角就是功率因数角，功率因数角的余弦值就是功率因数。无功功率越少，功率因数角就越小，它的余弦值就越大，有功功率和视在功率就越接近，也就是说，能量的转换效率也就越高。这就提出了一个问题，怎样减少发电机的无功输出？或者说怎样减少感性负何的无功吸收？

　　4 提高功率因数的意义

　　由上述3可以看出，要使发电厂和供电所更有效利用资源进行电能的转换和传输，就必须合理的进行有功功率和无功功率的分配，在无功功率配置合理的情况下，尽量的多发有功，减少无功功率的输出。那就要提高用电设备的功率因数。当供电系统中输送的有功功率维持恒定的情况下，无功功率增大即功率因数的降低，就会引起：

　　①系统中输送的总电流增大，使电气元件，如变压器、电抗器、导线等容量增大，从而扩大了企业投资;

　　②由于无功功率增大，造成输电电流增大，从而也会增大供电设备的有功损耗;

　　③因为系统中的总电流增大，所以电压损失增大，造成调压困难;

　　④对发电机来说，转子温度升高，发电机达不到预期出力;

　　⑤由于系统电流增大，系统电压降低，会造成其他设备不能正常出力。所以，我们必须提高供电系统的功率因数。

　　5 提高功率因数和无功补偿

　　企业的感性负荷大部分是异步电动机，运行时要消耗一定的无功功率，使得电动机和输电线路的电流增大，如果给电动机增加就地补偿电容，不但可以使线路及配电装置的输送电流减小，而且还可以减少有功损耗，减少初期的投资容量。下面给出异步电动机的无功补偿计算公式，以供大家参考：

　　设补偿前电动机的无功功率为Q1，补偿电容器后的无功功率为Q2，则补偿电容器的无功功率为：

　　Qc=Q1-Q2=P1（tanφ1-tanφ2）=

　　式中：P1、P2为电动机运行时输入/输出的有功功率，η为电动机运行时的效率，φ1、φ2为电容器补偿前后的功率因数角。

　　补偿前的功率因数：cosφ1=（cosφe）1/k，式中：cosφe为电动机额定负载时的功率因数，可从产品目录中查得，k为电机定子电流负载率，k=I1/Ie，其中I1为电机运行时的实测定子电流（A），Ie为电机的额定电流（A）。

　　补偿后的功率因数一般是0.95左右，如果再高，投入的成本太大，不经济，确定了所需补偿的无功功率Qc之后，那么补偿电容量C=式中：f为电源频率（Hz），Ue为电机额定电压（V），Qc为电容补偿的无功功率（Var）。

　　注意：个别补偿的电容容量应根据电动机的功率、负载率及电网情况适当考虑，避免过补偿或欠补偿状态的出现。

　　6 补偿方式

　　工业企业中常用的电容器补偿方式大概有三种：集中补偿、分组补偿和单个补偿。企业电力系统的补偿方式的选择，要视企业的具体情况而定。比如：从无功就地平衡来说，单个补偿的效果最好（单个补偿应用于大容量、长期运行、无功功率需要较大的设备，或者输电线路较长的设备，不便于实现分组补偿的场合，这种方式可以减少配线电流，导线截面，配电设备的容量），不论采取什么样的补偿方式，补偿电容必须选择适当，而这一切都是为了提高电力系统的功率因数。

　　7结束语

　　根据功率因数进行的无功补偿可以有效的提高设备的利用效率，减小了企业的初期投资，对企业供用电的稳定性有着深远的意义。