功率因數(shù)是什么意思

功率因數(shù)是衡量電氣設(shè)備效率的一個系數(shù)。它的大小與電路的負(fù)載特性有關(guān)。比如白熾燈、電阻爐等電阻負(fù)載的功率因數(shù)為1，有感性負(fù)載的電路的功率因數(shù)一般小于1。功率因數(shù)低意味著無功功率高，降低了設(shè)備利用率，增加了線路供電損耗。

網(wǎng)上有很多關(guān)于功率因數(shù)討論的文章，但是很多人還是對一些概念有誤解，會給系統(tǒng)的設(shè)計帶來很多危害，這里有必要澄清一下。

一、功率因數(shù)的由來和含義

電場中有三種基本類型的負(fù)載：電阻、電容和電感。電阻是消耗功率的器件，電容和電感是儲存功率的器件。純電阻負(fù)載上日常用交流電的電壓和電流同相，即相位差q=0，如圖1(a)；純?nèi)菪载?fù)載上交流電的電壓和電流的關(guān)系是電流電壓90 (q=90)，如圖1(b)所示。純感性負(fù)載上交流電壓和電流的關(guān)系是電流滯后電壓90(q=-90)，如圖1(c)所示。

圖1不同性質(zhì)負(fù)載的電流-電壓關(guān)系

功率因數(shù)定義為：

(1)

阻性負(fù)載上的有功功率就是視在功率，也就是兩者相等，所以功率因數(shù)f=1。但是，純?nèi)菪院透行载?fù)載上的電流和電壓相差90，因此功率因數(shù)f=cosq=cos90=0，即純?nèi)菪院透行载?fù)載上的有功功率為零。

由此可以看出一個問題，也是電源問題。對于不同的負(fù)載，輸出功率的大小和性質(zhì)是不同的，所以可以說負(fù)載的性質(zhì)決定了電源的輸出。換句話說，電源的輸出并不取決于電源本身，就像水塔的供水流量取決于水龍頭的開度一樣。

從上面的討論可以看出，功率因數(shù)是表征負(fù)載的性質(zhì)和大小的參數(shù)。而且一般來說，一個負(fù)載只有一個性質(zhì)，就像一個人只有一個身份證號一樣。該屬性由負(fù)載的輸入端決定，稱為負(fù)載的輸入功率因數(shù)。當(dāng)負(fù)載電路完成時，其輸入功率因數(shù)是固定的。

例如作為前端市電或發(fā)電機的負(fù)載，如六脈沖整流器輸入的ups，其輸入功率因數(shù)為0.8。無論是要求前置市電還是發(fā)電機輸入100kva的視在功率，都需要要求前置電源提供80kw的有功功率和60kvar的無功功率。如果ups的輸入功率因數(shù)為0.6，則需要向前置電源要求60kw有功功率和80kvar無功功率。對于這樣的輸出分配，前端電源是“未經(jīng)授*”的。

二、表征ups輸出能力的參數(shù)——負(fù)載功率因數(shù)

1.負(fù)載功率因數(shù)被錯誤地稱為“輸出功率因數(shù)”

不間斷電源不能一對一制造，應(yīng)根據(jù)市場上現(xiàn)貨銷售的現(xiàn)有電器的形式和規(guī)模，提前制造一批或多批不同功率因數(shù)和功率規(guī)格的機器。提前制造一個或幾個批次的ups的依據(jù)是負(fù)載功率因數(shù)。當(dāng)ups的負(fù)載功率因數(shù)等于負(fù)載的輸入功率因數(shù)時，稱為完全匹配，ups可以輸出所有功率。當(dāng)遇到不匹配的負(fù)載時，必須降額。圖2顯示了不間斷電源負(fù)載功率因數(shù)和負(fù)載輸入功率因數(shù)之間的關(guān)系。

圖2不間斷電源負(fù)載功率因數(shù)與負(fù)載輸入功率因數(shù)的關(guān)系

有人誤把ups的負(fù)載功率因數(shù)稱為ups的輸出功率因數(shù)。這個誤解的來源大概是認(rèn)為，既然ups有輸入功率因數(shù)，那么它就一定有輸出功率因數(shù)。由此，ups有兩個屬性，一個來自輸入，一個來自輸出，誤解了電路屬性的唯*性。既然是ups的輸出功率因數(shù)，那么如上所述，如果ups具有輸出100kva的能力，那么功率因數(shù)所指示的有功功率和無功功率在負(fù)載情況下都應(yīng)該給出。例如，當(dāng)稱為輸出功率因數(shù)的值為0.8時，在負(fù)載條件下都可以給出80kw的有功功率和60kvar的無功功率。但事實并非如此。比如這種情況經(jīng)常發(fā)生。負(fù)載功率因數(shù)為0.8的100kva ups負(fù)載線性負(fù)載時，會因過載而轉(zhuǎn)向旁路。這是其中之一；其次，用功率因數(shù)儀測量ups的輸出端時，發(fā)現(xiàn)線性負(fù)載時功率因數(shù)值為1，二極管整流器和濾波器輸入it負(fù)載時功率因數(shù)值為0.7，所以得不到0.8！其實這兩種情況都是測負(fù)載的功率因數(shù)，所謂的輸出功率因數(shù)0.8根本不會出現(xiàn)，除非有輸入功率因數(shù)為0.8的負(fù)載，但當(dāng)時還是測負(fù)載的功率因數(shù)。也就是說，只要測量負(fù)載，就測量負(fù)載的功率因數(shù)。這樣，不間斷電源的“輸出功率因數(shù)”只有在沒有負(fù)載時才能測量。此時有功功率p的輸出電流ip為0，視在功率s的輸出電流is為0。雖然兩者的電壓up和us都不為零，但是根據(jù)公式(1)，

(2)

結(jié)果是無理數(shù)。功率因數(shù)儀測試根本測不出數(shù)值。也就是說，所謂的“輸出功率因數(shù)”沒有可操作性。

2.負(fù)載功率因數(shù)的決定因素

為什么負(fù)載功率因數(shù)為0.8的100kva ups在有線性負(fù)載的情況下不能給出80kw？一般這種情況下，工頻機的ups設(shè)計是根據(jù)額定有功功率選擇逆變器，而無功功率部分由逆變器后面的電容c承擔(dān)，如圖3所示。圖中逆變器功率選擇是根據(jù)負(fù)載功率因數(shù)設(shè)置的。這里以負(fù)載功率因數(shù)為0.8的100kva ups數(shù)量為例。逆變器是按80kw選的功率管，電容c的容量是按60kvar的輸出無功功率來選的(當(dāng)然還要加上濾波所需的容量)。因為當(dāng)負(fù)載完全匹配時，電容c的輸出無功功率qc和容性無功功率負(fù)載的感性無功功率ql值相等但符號相反，完全互補(直接相減)，即qc-ql=0

而且c和l形成的回路電流不流經(jīng)逆變器，即無功電流不流經(jīng)逆變器，ups就是在這種設(shè)定條件下制造的。

圖3帶負(fù)載匹配的通用工頻機ups主電路結(jié)構(gòu)

因此，在完全匹配的情況下，負(fù)載功率因數(shù)為0.8的100千伏安不間斷電源可以向負(fù)載輸送80千瓦的有功功率和60千伏安的無功功率。即當(dāng)ups的負(fù)載功率因數(shù)與負(fù)載的輸入功率因數(shù)完全匹配時，在負(fù)載上獲得的功率為：

(3)

如果負(fù)載的輸入功率因數(shù)不等于ups的負(fù)載功率因數(shù)會怎樣？比如背負(fù)載是線性負(fù)載，即負(fù)載的輸入功率因數(shù)等于1，這種情況經(jīng)常出現(xiàn)在帶虛擬負(fù)載的ups測試中，如圖4所示。這里差別很大，負(fù)載中的電感沒了。這導(dǎo)致逆變器后面的電容器c的無功功率不能再提供給負(fù)載端子。由于60kvar的容抗xc為：

(4)

從上面的公式可以看出，逆變器的輸出比較初是并聯(lián)一個小于1w的電抗。如果逆變器的輸出建立一個220伏的電壓，首先要給電容c提供一個電流ic，其值為：

(5)

(5)

原逆變器能提供的電流iinv為：

(6)

顯然，必須從逆變器輸出電流中減去上述電容電流，其余為負(fù)載產(chǎn)生的電流ir，即：

(7)

(7)

那么此時負(fù)載上可用的功率pr僅為：

pr=241a 220v 53kw (8)

圖4一般工頻機ups在線性負(fù)載不匹配情況下的主電路結(jié)構(gòu)

或者用功率計算公式得到同樣的結(jié)果：

(9)

所以一個負(fù)載功率因數(shù)為0.8的100kva ups，在線性負(fù)載的情況下只能給出53kw的功率，這一點在以前的機器中已經(jīng)不止一次證明過了。也就是說，當(dāng)負(fù)載的輸入功率因數(shù)不等于ups的負(fù)載功率因數(shù)時，必須給ups降額。這是一般規(guī)則

當(dāng)然，對于不同負(fù)載功率因數(shù)的不間斷電源，降額值是不同的。

3.對不間斷電源功率因數(shù)的誤解

正是因為有些用戶把負(fù)載功率因數(shù)誤認(rèn)為ups的“輸出功率因數(shù)”，不僅誤導(dǎo)了歸因關(guān)系，還導(dǎo)致了一個根本不存在的概念。既然是“ups的輸出功率因數(shù)”，那么ups的輸出功率就必須服從這個功率因數(shù)值，也就是說“功率因數(shù)為0.8的100kva ups，在帶線性負(fù)載的情況下，也應(yīng)該給出80kw的輸出功率”。如果這種誤解只針對個別用戶，比較多會導(dǎo)致用戶和供應(yīng)商之間的沖突。但如果標(biāo)準(zhǔn)制定者陷入這種誤區(qū)，危害的將是全國各地的ups廠商。

比如原進(jìn)口大功率ups，發(fā)現(xiàn)功率因數(shù)為0.8的100kva ups在加載線性實驗時無法給出80kw，所以認(rèn)為廠家產(chǎn)品不合格，廠家說不清楚原因，只好加大逆變器的功率，也就是說60kvar的無功功率也必須包含在逆變器中，即：

(10)

無形中，逆變器的成本增加了20%，但逆變器的驅(qū)動電路需要相應(yīng)升級，超過20%。全國所有廠商都必須這么做，影響會很大！這樣就給出了80kw的輸出功率，但是很遺憾，負(fù)載功率因數(shù)f不是0.8，因為陷入誤區(qū)的廠家不會對原來的60kvar的無功功率做改動，也就是仍然保留60kvar的電容，所以按照原來負(fù)載功率因數(shù)f的設(shè)計，就變成：

(11)

當(dāng)然，只要輸出功率夠80kw，這個時候功率因數(shù)值就沒人管了。如果真的有人看到這個，是不是覺得這個100kva的ups只要給68.4kw就能達(dá)標(biāo)？

顯然，這種改變是不應(yīng)該做的。一方面損害了廠商的利益；另一方面，這不符合科學(xué)的理由。就是因為誤會才人為的做的。甚至有人說，大多數(shù)人同意這樣做是對的。我們應(yīng)該知道，科學(xué)問題不是舉手表決就能解決的。自由落體的蘋果會掉到地上，無論多少人舉手，都不會飛到天上去。

不間斷電源輸出電壓的諧波失真是與負(fù)載功率因數(shù)并列的量之一。有的把兩者混為一談，認(rèn)為只要輸出電壓的諧波畸變滿足要求，負(fù)載功率因數(shù)就已知。事實上，雖然產(chǎn)品設(shè)計中負(fù)載功率因數(shù)和諧波失真之間有一些聯(lián)系，但它們不是一回事，各自的考慮也不同。諧波失真就像衡量衣服做的好不好，針腳緊不緊，款式好不好。而功率因數(shù)則表示是男裝還是女裝，是什么尺寸的衣服，等等。因此，這兩個指標(biāo)不應(yīng)該相互偏向，甚至應(yīng)該舍棄其中一個。

更讓人放心的是，還有讀者認(rèn)為功率因數(shù)是一個百分比，經(jīng)常有人問：你的ups輸入功率因數(shù)是多少？從以上計算可以清楚地看出，有功功率和無功功率是正交的。從等式(11)可以看出，視在功率、有功功率和無功功率之間的關(guān)系是直角三角形勾股關(guān)系。因此有功功率和無功功率不能直接相加或相減。比如上例，如果把80kw看成80%，那么60kvar就是60%，那么總有功功率和無功功率就是140%，這顯然是錯誤的。如果這個基本概念不清楚，其他概念就很難理解了！