功率因素

功率因素

电力系统的技术数据
功率因素(PowerFactor)的大小与电路的负荷性质有关,如白炽灯泡、电阻炉等电阻负荷的功率因数为1,一般具有电感性负载的电路功率因数都小于1。功率因数是电力系统的一个重要的技术数据。[1]
    中文名:功率因素 外文名:Power factor 适用领域: 所属学科: 别称:功率相位差因数 表达式:cosΦ=P/S 应用学科:物理学 适用领域范围:电学,热学

计算

功率因素低的根本原因是电感性负载的存在。例如,生产中最常见的交流异步电动机在额定负载时的功率因数一般为0.7--0.9,如果在轻载时其功率因数就更低。其它设备如工频炉、电焊变压器以及日光灯等,负载的功率因数也都是较低的。从功率三角形及其相互关系式中不难看出,在视在功率不变的情况下,功率因数越低(角越大),有功功率就越小,同时无功功率却越大。

这种使供电设备的容量不能得到充分利用,例如容量为1000kVA的变压器,如果cos=1,即能送出1000kW的有功功率;而在cos=0.7时,则只能送出700kW的有功功率。功率因数低不但降低了供电设备的有效输出,而且加大了供电设备及线路中的损耗,因此,必须采取并联电容器等补偿无功功率的措施,以提高功率因数。

功率因数既然表示了总功率中有功功率所占的比例,显然在任何情况下功率因数都不可能大于1。由功率三角形可见,当=0°即交流电路中电压与电流同相位时,有功功率等于视在功率。这时cos的值最大,即cos=1,当电路中只有纯阻性负载,或电路中感抗与容抗相等时,才会出现这种情况。

感性电路中电流的相位总是滞后于电压,此时0°<<90°,此时称电路中有“滞后”

的cos;而容性电路中电流的相位总是超前于电压,这时-90°<<0°,称电路中有“超前”的cos。

功率因数的计算方式很多,主要有直接计算法和查表法。常用的计算公式为:

要求

最基本分析

拿设备作举例。例如:设备功率为100个单位,也就是说,有100个单位的功率输送到设备中。然而,因大部分电器系统存在固有的无功损耗,只能使用70个单位的功率。很不幸,虽然仅仅使用70个单位,却要付100个单位的费用。使用了70个单位的有功功率,你付的就是70个单位的消耗在这个例子中,功率因数是0.7如果大部分设备的功率因数小于0.9时,将被罚款,这种无功损耗主要存在于电机设备中,又叫感性负载。功率因数是马达效能的计量标准。

基本分析

每种电机系统均消耗两大功率,分别是真正的有功(单位:瓦)及电抗性的无功(单位:乏)。功率因数是有用功与总功率间的比值。功率因数越高,有用功与总功率间的比值就越大,系统运行则更有效率。

高级分析

在感性负载电路中,电流波形峰值在电压波形峰值之后发生。两种波形峰值的分隔可用功率因数表示。功率因数越低,两个波形峰值则分隔越大。

非线性负载

电力系统上常见的非线性负载包括整流器(用在电源供应器中),或是像萤光灯、电焊机或电弧炉电弧放电的设备。由于这些系统的电流会因为元件的切换而中断,电流会含有谐波成份,其频率为电源系统的整数倍数。畸变功率因子(Distortion Power Factor)可用来量度电流的谐波畸变对其平均功率的影响。

电脑电源供应器的弦波电压及非弦波电流,其畸变功率因子为0.75。

非弦波成份

非线性负载将电流波形由正弦波扭曲成其他波形。非线性负载的输入电流中除了原来电源的频率(基频)外,其中也会有许多高频的谐波电流成份。由电容器及电感器等线性元件组成的滤波器可以降低谐波电流由负载端进入电源系统中。

线性元件组成的电路若电压为一正弦波,其电流也是相同频率的弦波。其功率因子只是因为电压和电流之间的相位差,也可以称为位移功率因子(Displacement Power Factor)。若电流或电压非弦波,视在功率包括所有谐波成份时,功率因子中不但有电压和电流之间的相位差导致的位移功率因子,也会有对应谐波成份的畸变功率因子。

一般的三用电表无法量测非线性负载的输入电流。三用电表会量测整流后波形的平均值。若使用量测均方根(RMS)值的电表,可以量测实际电流及电压的均方根值,因此也可以计算视在功率。若要量测有功功率或无功功率,需使用针对非正弦波电流设计的瓦特表。

畸变功率因子

畸变功率因子(Distortion Power Factor)量度电流的谐波畸变对其平均功率的影响。

为负载电流的总谐波畸变。上述定义假设电压仍维持正弦波,没有畸变,此假设接近一般实际应用的情形。为电流的基频成份,而为总电流,二者都以均方根值表示。

若将畸变功率因子乘以位移功率因子(Displacement Power Factor,简称DPF),即可得到总功率因子,也可称为真功率因子,或直接简称为功率因子。

开关电源

开关电源是一种常见的非线性负载,世界上至少有数百万台个人电脑中有开关电源,功率输出从数瓦到一千瓦。早期廉价的开关电源中有一个全波整流器,整流器只有在电源端电压超过内部电容器的电压时才会导通,因此其峰值因子很高,畸变功率因子很低,而且在三相的电流系统中,其中线性电流不会为零,可能会有中性线负载过大的问题。

典型的开关电源首先会用整流二极管产生直流电压,再由直流电压产生输出电压。由于整流器为非线性元件,其输入电流会有许多的高次谐波成份。此情形会造成电力公司的困扰,因为无法靠加入电容器及电感器的方式补偿高频的谐波成份。因此一些地区已开始立法要求所有功率大于一定值的电源供应器需要有功率因子修正机能。

欧盟为了提升功率因子,有设置谐波的标准。若要符合现行欧盟标准EN61000-3-2,所有输出功率大于75W的开关电源至少需要有被动功率因子修正(passive PFC)机能。而80PLUS开关电源认证要求功率因子至少需到达0.9的水平。

改善

电网中的电力负荷如电动机、变压器、日光灯及电弧炉等,大多属于电感性负荷,这些电感性的设备在运行过程中不仅需要向电力系统吸收有功功率,还同时吸收无功功率。因此在电网中安装并联电容器无功补偿设备后,将可以提供补偿感性负荷所消耗的无功功率,减少了电网电源侧向感性负荷提供及由线路输送的无功功率。

由于减少了无功功率在电网中的流动,因此可以降低输配电线路中变压器及母线因输送无功功率造成的电能损耗,这就是无功补偿的效益。无功补偿的主要目的就是提升补偿系统的功率因数。因为供电局发出来的电是以kVA或者MVA来计算的,但是收费却是以kW,也就是实际所做的有用功来收费,两者之间有一个无效功率的差值,一般而言就是以kvar为单位的无功功率。

大部分的无效功都是电感性,也就是一般所谓的电动机、变压器、日光灯……,几乎所有的无效功都是电感性,电容性的非常少见,例如:变频器就是容性的,在变频器电源端加入电抗器可提高功率因数。

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