功率因數(shù)( Power Factor )是衡量電氣設(shè)備效率高低的一個(gè)系數(shù)。它的大小與電路的負(fù)荷性質(zhì)有關(guān)，如白熾燈泡、電阻爐等電阻負(fù)荷的功率因數(shù)為1, 一般具有電感性負(fù)載的電路功率因數(shù)都小于1。

功率因數(shù)低,說明無功功率大,從而降低了設(shè)備的利用率,增加了線路供電損失。

關(guān)于功率因數(shù)的討論,網(wǎng)上有不少文章,但很多人仍然對(duì)一些概念存有誤解,這將為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來諸多危害,有必要在此再加以澄清。

一、功率因數(shù)的由來和含義

在電氣領(lǐng)域的負(fù)載有三個(gè)基本品種:電阻、電容和電感。

電阻是消耗功率的器件,電容和電感是儲(chǔ)存功率的器件。日常所用的交流電在純電阻負(fù)載上的電壓和電流是同相位的,即相位差q = 0°,如圖1(a)所示;

圖1不同性質(zhì)負(fù)載上的電流電壓關(guān)系

交流電在純電容負(fù)載上的電壓和電流關(guān)系是電流超前電壓90°(q =90°) ,如圖1(b)所示;交流電在純電感負(fù)載上的電壓和電流關(guān)系是電流滯后電壓90°(q = -90) ,如圖1(c)所示。

功率因數(shù)的定義是:

在電阻負(fù)載上的有功功率就是視在功率,即二者相等,所以功率因數(shù)F=1。而在純電容和純電感負(fù)載上的電流和電壓相位差90° ,所以功率因數(shù)F=cosq = cos90°=0 ,即在純電容和純電感負(fù)載上的有功功率為零。

從這里可以看出一個(gè)問題,同樣是一個(gè)電源 ,對(duì)于不同性質(zhì)的負(fù)載,其輸出的功率的大小和性質(zhì)也不同,因此可以說負(fù)載的性質(zhì)決定著電源的輸出。換言之,電源的輸出不取決于電源的本身,就像一座水塔的供水水流取決于水龍頭的開啟程度。

從上面的討論可以看出,功率因數(shù)是表征負(fù)載性質(zhì)和大小的一個(gè)參數(shù)。而且一般說一個(gè)負(fù)載只有一種性質(zhì),就像一個(gè)人只有一個(gè)身份證號(hào)碼一樣。 這種性質(zhì)的確定是從負(fù)載的輸入端看進(jìn)去,稱為負(fù)載的輸入功率因數(shù)。一個(gè)負(fù)載電路完成了,它的輸入功率因數(shù)也就定了。

比如UPS作為前面市電或發(fā)電機(jī)的負(fù)載而言,比如六脈沖整流輸入的UPS ,其輸入功率因數(shù)就是0.8 ,不論前面是市電電網(wǎng)還是發(fā)電機(jī)，比如要求輸入100kVA的視在功率,都需要向前面的電源索取80kW的有功功率和60kvar的無功功率。如果UPS的輸入功率因數(shù)是0.6 ,就需要向前面的電源索取60kW的有功功率和80kvar的無功功率。像這樣的輸出分配,前面電源是“無權(quán)”決定的。

二、表征UPS輸出能力的參數(shù)一負(fù)載功率因數(shù)

1.負(fù)載功率因數(shù)被誤稱為"輸出功率因數(shù)”

UPS不能一對(duì)一地制造,也要事先根據(jù)當(dāng)前用電器的形式和規(guī)模預(yù)先制造出一批或幾批不同功率因數(shù)和功率規(guī)格的機(jī)器,以備市場(chǎng)現(xiàn)貨銷售。預(yù)先制造出一批或幾批UPS的根據(jù)就是負(fù)載功率因數(shù)。當(dāng)UPS的負(fù)載功率因數(shù)與負(fù)載的輸入功率因數(shù)相等時(shí)，就稱為完全匹配, UPS就可輸出全部功率。遇到不匹配負(fù)載時(shí),就必須降額使用。圖2示出了UPS負(fù)載功率因數(shù)與負(fù)載輸入功率因數(shù)的關(guān)系。

圖2 UPS負(fù)載功率因數(shù)與負(fù)載輸入功率因數(shù)的關(guān)系

有的就誤把UPS的負(fù)載功率因數(shù)稱為UPS的輸出功率因數(shù)。這種誤解的來源大概認(rèn)為UPS既然有輸入功率因數(shù)就-定有輸出功率因數(shù),這樣-來UPS的性質(zhì)就有兩種 ,從輸入看進(jìn)去是一種性質(zhì) ,從輸出看進(jìn)去又是另一-種性質(zhì),誤解了電路性質(zhì)的唯一性。

既然是UPS的輸出功率因數(shù),如前所述,如果UPS有輸出100kVA的能力,那么應(yīng)當(dāng)在任何負(fù)載性質(zhì)的條件下都可給出功率因數(shù)所指出的有功功率和無功功率。

比如被稱為輸出功率因數(shù)的數(shù)值為0.8時(shí),在任何負(fù)載性質(zhì)的條件下都可給出80kW的有功功率和60kvar的無功功率。但實(shí)際上不是這樣。比如往往出現(xiàn)這種情況,當(dāng)負(fù)載功率因數(shù)為0.8的100kVA UPS在帶線性負(fù)載時(shí),就會(huì)因過載而轉(zhuǎn)旁路,這是其一;

其二,當(dāng)用功率因數(shù)表測(cè)量UPS輸出端時(shí)發(fā)現(xiàn),在帶線性負(fù)載時(shí)其功率因數(shù)值為1 ,當(dāng)帶二極管整流濾波輸入的IT負(fù)載時(shí)其功率因數(shù)值又是0.7 ,怎么也出不來0.8。實(shí)際上這兩種情況測(cè)得的都是負(fù)載的功率因數(shù),所謂輸出功率因數(shù)0 8根本就不會(huì)出現(xiàn)，除非帶輸入功率因數(shù)為0.8的負(fù)載時(shí),但那時(shí)測(cè)得的也仍然是負(fù)載的功率因數(shù)。即,只要帶負(fù)載測(cè)量,測(cè)得的就是負(fù)載的功率因數(shù)。

這樣-來,只有不帶負(fù)載時(shí)才可測(cè)得UPS的‘輸出功率因數(shù)”,這時(shí)有功功率P的輸出電流IP=0 ,視在功率S的輸出電流IS=0 ,盡管二者的電壓UP和US不為零,但根據(jù)式(1)

這個(gè)結(jié)果就是一個(gè)無理數(shù)。 功率因數(shù)表測(cè)試根本就測(cè)不出任何值。也就是說所謂的"輸出功率因數(shù)沒有任何操作性。

2.負(fù)載功率因數(shù)的確定因素

那么負(fù)載功率因數(shù)為0.8的100kVA UPS在帶線性負(fù)載時(shí),為什么給不出80kW呢? -般這種情況下的工頻機(jī)UPS設(shè)計(jì)是根據(jù)額定的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器C來承擔(dān),如圖3所示。

圖3 -般工頻機(jī)UPS與負(fù)載匹配情況下的主電路結(jié)構(gòu)

在圖中的逆變器功率選擇就是根據(jù)負(fù)載功率因數(shù)設(shè)定的。這里是以負(fù)載功率因數(shù)為0.8的100kVA UPS為例的數(shù)字。逆變器是根據(jù)80kW選擇的功率管,電容器C的容量是根據(jù)輸出的無功功率60kvar選定的(當(dāng)然還需另外加上濾波時(shí)所需的容量)。因?yàn)樵谌ヅ湄?fù)載時(shí)電容C的輸出無功功率QC和負(fù)載上的容性無功功率負(fù)載上的感性無功功率QL絕對(duì)值相等而符號(hào)相反,完全互補(bǔ)(直接相減)，即: QC-QL=0而且C和L形成的回路電流并不流經(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。

所以在全匹配的條件下,負(fù)載功率因數(shù)為0.8的100kVA UPS能將80kW的有功功率和60kvar的無功功率全部輸送給負(fù)載。即在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(shí),負(fù)載上得到的功率就是:

如果負(fù)載的輸入功率因數(shù)與UPS的負(fù)載功率因數(shù)不相等,情形又會(huì)怎樣呢?比如后面的負(fù)載是線性負(fù)載,即負(fù)載的輸入功率因數(shù)=1 ,這種情況經(jīng)常出現(xiàn)在UPS帶假負(fù)載考機(jī)情況,如圖4所示。在這里有一個(gè)很大的區(qū)別 ,負(fù)載中的電感部分沒有了。這就造成了逆變器后面電容器C的無功功率再也不能向負(fù)載端提供的局面。由于60kvar的容抗XC是:

從上式可以看出,逆變器輸出首先并聯(lián)了-個(gè)小于1W的電抗,如果讓逆變器輸出端建立起220V的電壓,首先要向電容C提供-個(gè)電流lC ,其值的大小為:

而原來逆變器可以提供的電流INV為:

很顯然,必須從逆變器輸出電流中減去上述的容性電流,余下的才是負(fù)載應(yīng)得的電流Ir,即:

那么此時(shí)負(fù)載上能夠得到的功率Pr就只有:

Pr =241A'220V»53kW (8)

圖4 -般工頻機(jī)UPS與線性負(fù)載不匹配情況下的主電路結(jié)構(gòu)

或者用功率計(jì)算式得出同樣的結(jié)果:

因此負(fù)載功率因數(shù)為0.8的100kVA UPS在帶線性負(fù)載時(shí),只能給出53kW的功率,在以往的機(jī)器中不止- -次地證明了 這個(gè)結(jié)論。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(shí), UPS就必須降額使用。這是- -般規(guī)律 ,當(dāng)然對(duì)不同負(fù)載功率因數(shù)的UPS有著不同的降額值。

3.對(duì)UPS功率因數(shù)的誤解危害

正是由于有的用戶將負(fù)載功率因數(shù)誤認(rèn)為是UPS的輸出功率因數(shù)”,不但將歸屬關(guān)系搞錯(cuò)了,而且還引出了一一個(gè)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(gè)功率因數(shù)值,也就是說"功率因數(shù)為0.8的100kVAUPS在帶線性負(fù)載時(shí)也應(yīng)給出80kW的輸出功率"。如果這種誤解僅僅是個(gè)別用戶,最多導(dǎo)致用戶和供應(yīng)商方面的矛盾。但如果是制定標(biāo)準(zhǔn)者陷入這個(gè)誤區(qū),危害就是全國(guó)的UPS制造商。

比如原來都是進(jìn)口的大功率UPS ,在帶線性實(shí)驗(yàn)負(fù)載時(shí)發(fā)現(xiàn)功率因數(shù)為0.8的100kVA UPS給不出80kW ,于是就認(rèn)為是廠家的產(chǎn)品不合格,在加之廠家也說不清楚原因,于是就只好加大逆變器的功率,也就是說在逆變器中必須也把60kvar的無功功率包含進(jìn)去，即:

無形中將逆變器的造價(jià)增加了20% ,但逆變器的驅(qū)動(dòng)電路也比需相應(yīng)地升級(jí),那就不止20%了。全國(guó)所有的廠家都必須照此辦理,這個(gè)影響面就大了!這樣一來, 80kW的輸出功率是給出來了, 可惜的是負(fù)載功率因數(shù)F就不是0.8了,因?yàn)橄萑胝`區(qū)的制造商是不會(huì)將原來60kvar的無功功率作任何改變的,即仍然保留了60kvar的電容器,這樣-來按著 原來的對(duì)負(fù)載功率因數(shù)F的設(shè)計(jì),就變成了:

當(dāng)然，只要輸出給夠了80kW ,至于此時(shí)的功率因數(shù)值也就無人顧及了。如果真的有人看到了這一-點(diǎn),是不是認(rèn)為這臺(tái)100kVA的UPS只要給出68.4kW就達(dá)標(biāo)了!

很顯然,這樣的改變是不應(yīng)該的, -來是損害了制造商的利益,二來也不符合科學(xué)道理,只是因?yàn)檎`解原因而人為地認(rèn)為這樣做。甚至有的說:多數(shù)人同意這樣做那就對(duì)。要知道科學(xué)的問題不是靠舉手表決解決的,自由落體的蘋果就是要落在地上，再多的人舉手表決也不會(huì)飛到天上去。

和負(fù)載功率因數(shù)并列的一-個(gè)量就是UPS輸出電壓的諧波失真度,有的將二者混為- -談,認(rèn)為只要輸出電壓的諧波失真度達(dá)到要求，那么負(fù)載功率因數(shù)也就知道了。實(shí)際上在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中負(fù)載功率因數(shù)和諧波失真雖然有些聯(lián)系,但不是一碼事,各自的考慮不同。諧波失真度就好比是衡量這件衣服做得活計(jì)好不好,針腳密不密,樣式好不好。而功率因數(shù)表示的則是男服裝還是女服裝,是多大號(hào)的衣服,等等。所以這兩個(gè)指標(biāo)且不可厚此薄彼,甚至舍棄其中之-。

更不能令人放心的是有些讀者至今仍認(rèn)為功率因數(shù)是百分?jǐn)?shù),常聽到有人問:你的UPS的輸入功率因數(shù)是百分值多少?這從上面的計(jì)算就可清楚地看到,有功功率和無功功率是正交關(guān)系。

從式(11)也可看到視在功率、有功功率和無功功率三者之間的關(guān)系是直角三角形勾股弦的關(guān)系。所以有功功率和無功功率是不能直接加減的。比如上面的例子,如果將80kW看做80% ,那么60kvar就是60% ,這樣一來有功功率和無功功率加在一 起就是140% ,顯然是不對(duì)的。這個(gè)最基本的基本概念如果搞不清楚,其他概念就很難去理解了!

轉(zhuǎn)自：電源網(wǎng)