功率因數是什么意思

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、電阻爐等電阻負載的功率因數為1，有感性負載的電路的功率因數一般小于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。

網上有很多關于功率因數討論的文章，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、功率因數的由來和含義

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。純電阻負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)；純容性負載上交流電的電壓和電流的關系是電流電壓90 (q=90)，如圖1(b)所示。純感性負載上交流電壓和電流的關系是電流滯后電壓90(q=-90)，如圖1(c)所示。

圖1不同性質負載的電流-電壓關系

功率因數定義為：

(1)

阻性負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f=1。但是，純容性和感性負載上的電流和電壓相差90，因此功率因數f=cosq=cos90=0，即純容性和感性負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。

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

例如作為前端市電或發電機的負載，如六脈沖整流器輸入的ups，其輸入功率因數為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“未經授*”的。

二、表征ups輸出能力的參數——負載功率因數

1.負載功率因數被錯誤地稱為“輸出功率因數”

不間斷電源不能一對一制造，應根據市場上現貨銷售的現有電器的形式和規模，提前制造一批或多批不同功率因數和功率規格的機器。提前制造一個或幾個批次的ups的依據是負載功率因數。當ups的負載功率因數等于負載的輸入功率因數時，稱為完全匹配，ups可以輸出所有功率。當遇到不匹配的負載時，必須降額。圖2顯示了不間斷電源負載功率因數和負載輸入功率因數之間的關系。

圖2不間斷電源負載功率因數與負載輸入功率因數的關系

有人誤把ups的負載功率因數稱為ups的輸出功率因數。這個誤解的來源大概是認為，既然ups有輸入功率因數，那么它就一定有輸出功率因數。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，那么如上所述，如果ups具有輸出100kva的能力，那么功率因數所指示的有功功率和無功功率在負載情況下都應該給出。例如，當稱為輸出功率因數的值為0.8時，在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。負載功率因數為0.8的100kva ups負載線性負載時，會因過載而轉向旁路。這是其中之一；其次，用功率因數儀測量ups的輸出端時，發現線性負載時功率因數值為1，二極管整流器和濾波器輸入it負載時功率因數值為0.7，所以得不到0.8！其實這兩種情況都是測負載的功率因數，所謂的輸出功率因數0.8根本不會出現，除非有輸入功率因數為0.8的負載，但當時還是測負載的功率因數。也就是說，只要測量負載，就測量負載的功率因數。這樣，不間斷電源的“輸出功率因數”只有在沒有負載時才能測量。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，但是根據公式(1)，

(2)

結果是無理數。功率因數儀測試根本測不出數值。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

為什么負載功率因數為0.8的100kva ups在有線性負載的情況下不能給出80kw？一般這種情況下，工頻機的ups設計是根據額定有功功率選擇逆變器，而無功功率部分由逆變器后面的電容c承擔，如圖3所示。圖中逆變器功率選擇是根據負載功率因數設置的。這里以負載功率因數為0.8的100kva ups數量為例。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(當然還要加上濾波所需的容量)。因為當負載完全匹配時，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帶負載匹配的通用工頻機ups主電路結構

因此，在完全匹配的情況下，負載功率因數為0.8的100千伏安不間斷電源可以向負載輸送80千瓦的有功功率和60千伏安的無功功率。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，在負載上獲得的功率為：

(3)

如果負載的輸入功率因數不等于ups的負載功率因數會怎樣？比如背負載是線性負載，即負載的輸入功率因數等于1，這種情況經常出現在帶虛擬負載的ups測試中，如圖4所示。這里差別很大，負載中的電感沒了。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)

從上面的公式可以看出，逆變器的輸出比較初是并聯一個小于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，其余為負載產生的電流ir，即：

(7)

(7)

那么此時負載上可用的功率pr僅為：

pr=241a 220v 53kw (8)

圖4一般工頻機ups在線性負載不匹配情況下的主電路結構

或者用功率計算公式得到同樣的結果：

(9)

所以一個負載功率因數為0.8的100kva ups，在線性負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不止一次證明過了。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，必須給ups降額。這是一般規則

當然，對于不同負載功率因數的不間斷電源，降額值是不同的。

3.對不間斷電源功率因數的誤解

正是因為有些用戶把負載功率因數誤認為ups的“輸出功率因數”，不僅誤導了歸因關系，還導致了一個根本不存在的概念。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，在帶線性負載的情況下，也應該給出80kw的輸出功率”。如果這種誤解只針對個別用戶，比較多會導致用戶和供應商之間的沖突。但如果標準制定者陷入這種誤區，危害的將是全國各地的ups廠商。

比如原進口大功率ups，發現功率因數為0.8的100kva ups在加載線性實驗時無法給出80kw，所以認為廠家產品不合格，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%，但逆變器的驅動電路需要相應升級，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，負載功率因數f不是0.8，因為陷入誤區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，所以按照原來負載功率因數f的設計，就變成：

(11)

當然，只要輸出功率夠80kw，這個時候功率因數值就沒人管了。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就能達標？

顯然，這種改變是不應該做的。一方面損害了廠商的利益；另一方面，這不符合科學的理由。就是因為誤會才人為的做的。甚至有人說，大多數人同意這樣做是對的。我們應該知道，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。

不間斷電源輸出電壓的諧波失真是與負載功率因數并列的量之一。有的把兩者混為一談，認為只要輸出電壓的諧波畸變滿足要求，負載功率因數就已知。事實上，雖然產品設計中負載功率因數和諧波失真之間有一些聯系，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，這兩個指標不應該相互偏向，甚至應該舍棄其中一個。

更讓人放心的是，還有讀者認為功率因數是一個百分比，經常有人問：你的ups輸入功率因數是多少？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系是直角三角形勾股關系。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！