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功率因數是由什么決定的 功率因數是什么

功率因數是衡量電氣設備效率的一個系數 。它的大小與電路的負載特性有關 。比如白熾燈泡、電阻爐等阻性負載的功率因數為1，有感性負載的電路功率因數小于1 。功率因數低意味著無功功率高，降低了設備利用率，增加了線路供電損耗 。
網上討論功率因數的文章很多，但是很多人還是對一些概念有誤解，會給系統的設計帶來很多危害，這里有必要澄清一下 。
一、權力因素的起源和含義
電場中有三種基本類型的負載: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 。純阻性負載上日常交流的電壓和電流同相，即相位差q = 0，如圖1(a)所示；純電容交流負載的電壓電流關系為電流超前電壓90(q =90)，如圖1(b)所示 。純電感交流負載的電壓電流關系為電流滯后電壓90(q = -90)，如圖1(c)所示 。
圖1不同負載上電流和電壓的關系
功率因數定義為:
(1)
阻性負載上的有功功率為視在功率，即兩者相等，因此功率因數F=1 。而純電容和純電感負載上的電流和電壓相差90°，所以功率因數F=cosq = cos90=0，即純電容和純電感負載上的有功功率為零 。
從這里可以看出一個問題 。也是電源 。對于不同的負載，輸出功率的大小和性質是不同的，所以可以說負載的性質決定了電源的輸出 。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 。
從以上討論可以看出，功率因數是表征負載性質和大小的參數 。而且一般來說，一個負載只有一個屬性，就像一個人只有一個身份證號一樣 。這個性質是由負載的輸入決定的，稱為負載的輸入功率因數 。當一個負載電路完成時，它的輸入功率因數被確定 。
比如UPS作為前置市電或發電機的負載，比如六脈波整流輸入的UPS，輸入功率因數為0.8 。無論是要求前置市電還是發電機輸入100kVA的視在功率，都需要向前置電源索要80kW的有功功率和60 kva的無功功率 。如果UPS的輸入功率因數為0.6，則需要向前置電源要求60kW的有功功率和80kvar的無功功率 。像這樣的輸出分配，前置電源是由“沒權”決定的 。
第二，負載功率因數，一個表征UPS輸出能力的參數
1.負載功率因數被誤稱為“輸出功率因數”
UPS不能一對一制造，還要根據目前電器的形式和規模，提前制造一批或幾批不同功率因數和規格的機器，為市場現貨銷售做準備 。提前制造一批或幾批UPS的基礎是負載功率因數 。當UPS的負載功率因數等于負載的輸入功率因數時，稱為完美匹配，UPS可以輸出全部功率 。如果負載不匹配，則必須減額 。圖2示出了UPS負載功率因數和負載輸入功率因數之間的關系 。
圖UPS負載功率因數與負載輸入功率因數的關系
有人誤將UPS的負載功率因數稱為UPS的輸出功率因數 。這種誤解的來源大概是認為UPS既然有輸入功率因數，就一定有輸出功率因數，所以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一性 。既然是UPS的輸出功率因數，如前所述，如果UPS有輸出100kVA的能力，那么功率因數所表示的有功功率和無功功率應該是在任何負載條件下給出的 。例如，當稱為輸出功率因數的值為0.8時，在任何負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 。比如這種情況經常發生 。當負載功率因數為0.8的100kVA UPS有線性負載時，會因過載而被旁路，這是其中之一 。其次，用功率因數表測量UPS的輸出端時，發現它的功率因數值在帶線性負載時是1，帶二極管整流濾波輸入的IT負載時是0.7，所以得不到0.8！其實這兩種情況都是測量負載的功率因數，根本不會出現所謂的輸出功率因數為0.8的情況，除非深圳生活網有一個輸入功率因數為0.8的負載，但當時測得的負載功率因數還是一樣的 。也就是說，只要測量負載，就測量了負載的功率因數 。這樣，UPS的“輸出功率因數”只有在空載時才能測得 。此時，有功功率P的輸出電流IP=0等于0，視在功率S的輸出電流is等于0 。雖然兩者的電壓UP和US都不為零，但是根據公式(1)
(2)
這個結果是一個無理數 。功率因數表測試根本測不出任何數值 。也就是說，所謂的“輸出功率因數”沒有可操作性 。
2.負載功率因數的決定因素
那么，為什么一個負載功率因數為0.8的100kVA的UPS，在有線性負載的情況下，不能給出80kW的功率呢？一般來說，工頻機的UPS設計是根據額定有功功率選擇逆變器，而無功功率由逆變器后的電容C承擔，如圖3所示 。圖中的逆變器功率選擇是根據負載功率因數設定的 。這里以負載功率因數為0.8的100kVA UPS為例 。逆變器是按80kW選擇的功率管，電容C的容量是按輸出無功功率60kvar選擇的(當然也要加上濾波所需的容量) 。因為電容器C的輸出無功功率QC和負載上容性無功負載的感性無功功率QL的絕對值相等但符號相反，所以它們是完全互補的(直接相減)，即QC-QL=0 。
而且C和L形成的回路電流不流經逆變器，即無功電流不流經逆變器，UPS就是在這種設定條件下制造的 。
圖3通用工頻機UPS主電路結構及負載匹配
因此，在完全匹配的情況下，負載功率因數為0.8的100kVA UPS可以向負載輸送80kW的有功功率和60 kva的無功功率 。即當UPS的負載功率因數與負載的輸入功率因數完全匹配時，負載上獲得的功率為:
(3)
負載的輸入功率因數不等于UPS的負載功率因數會怎樣？比如后一種負載是線性負載，即負載的輸入功率因數等于1，這種情況經常出現在UPS帶假負載的測試中，如圖4所示 。這里有很大的區別 。負載的感性部分沒有了 。這導致逆變器后面的電容器C的無功功率不能再提供給負載端子 。由于60kvar的容抗XC為:
(4)
從上式可以看出，逆變器的輸出首先并聯一個小于1W的電抗 。如果逆變器的輸出電壓設置為220V，則應首先向電容器C提供電流IC，其值為:
(5)
原始逆變器可以提供如下電流IINV:
(6)
顯然，必須從逆變器的輸出電流中減去上面提到的容性電流，剩下的就是負載產生的電流Ir，即:
(7)
那么此時負載上可用的功率Pr僅為:
Pr =241A220V53kW (8)
圖4一般工頻機UPS和線性負載不匹配的主電路結構
或者使用冪公式得到相同的結果:
(9)
所以負載功率因數為0.8的100kVA UPS，線性負載時只能給出53kW的功率，這一點在之前的機器中已經不止一次得到證明 。也就是說，當負載的輸入功率因數不等于UPS的負載功率因數時，UPS必須降額 。這是一個普遍規律 。當然，負載功率因數不同的UPS，降額值也不同 。
3.對UPS功率因數的誤解
正是因為部分用戶將負載功率因數誤認為UPS的“輸出功率因數”，不僅混淆了權屬關系，還導致了根本不存在的概念 。既然是“UPS的輸出功率因數”，那么UPS的輸出功率就必須服從這個功率因數值，也就是說“功率因數為0.8的100kVA UPS也要給出線性負載的80kW輸出功率” 。如果這種誤解只是針對個人用戶，最多會導致用戶和供應商之間的沖突 。但如果標準制定者陷入這個誤區，傷害的將是全國各地的UPS廠商 。
比如所有進口的大功率UPS，在加載線性實驗負載時，發現功率因數為0.8的100kVA UPS給不出80kW，就認為廠家的產品不合格 。另外，廠家也解釋不清楚原因，所以深圳生活網不得不增加逆變器的功率，也就是說，60kvar無功功率也必須計入逆變器，即:
(10)
無形中，逆變器的成本增加了20%，但逆變器的驅動電路卻要相應升級，也就是20%以上 。全國所有廠商都要這么做，影響會很大！這樣就給出了80kW的輸出功率，可惜負載功率因數F不是0.8，因為陷入誤區的廠家不會對原來60kvar的無功功率做任何改動，也就是仍然保留了60kvar的電容，這樣按照原來設計的負載功率因數F，就變成了:
(11)
當然，只要輸出80kW，此時的功率因數值就忽略不計了 。如果真的有人看到這個，你以為這個100kVA的UPS只要給68.4kW就達標了嗎？
顯然，這樣的改變是不應該的 。一方面損害了廠商的利益；另一方面，不符合科學原理，卻因為誤解而被人為認為是做了 。甚至有人說:大多數人都同意這么做，沒錯 。要知道科學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 。
與負載功率因數相關的一個量是UPS輸出電壓的諧波失真 。有人把兩者混為一談，認為只要輸出電壓的諧波失真滿足要求，那么負載功率因數就知道了 。其實負載功率因數和諧波失真在產品設計上是有聯系的，但不是一回事，考慮的因素也不一樣 。諧波失真就像衡量這件衣服做的好不好，針腳緊不緊，款式好不好 。功率因數表示是男裝還是女裝，衣服是什么尺碼等等 。所以這兩個指標不應該有所偏頗，甚至放棄其中一個 。
【功率因數是由什么決定的 功率因數是什么】更令人擔憂的是，有些讀者還認為功率因數是百分比，經常有人問:你們UPS的輸入功率因數是多少百分比？從上面的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)還可以看出，視在功率、有功功率和無功功率之間的關系是直角三角形 。所以有功功率和無功功率不能直接相加或相減 。比如上面的例子，如果把80kW看成80%，那么60kvar就是60%，這樣有功功率和無功功率之和就是140%，顯然是錯誤的 。如果這個基本概念都不清楚，其他概念就很難理解了！

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