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梁开心|什么是功率因数？一文讲透

功率因数（PowerFactor是衡量电气设备效率高低的一个系数 。 它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 。 功率因数低 ， 说明无功功率大 ， 从而降低了设备的利用率 ， 增加了线路供电损失 。
关于功率因数的讨论网上也有不少文章 ， 但很多人仍然对一些概念存有误解 ， 这将为系统的设计带来诸多危害 ， 有必要在此再加以澄清 。
一、功率因数的由来和含义
在电气领域的负载有三个基本品种：电阻、电容和电感 。 电阻是消耗功率的器件 ， 电容和电感是储存功率的器件 。 日常所用的交流电在纯电阻负载上的电压和电流是同相位的 ， 即相位差q=0° ， 如图1(a)所示；交流电在纯电容负载上的电压和电流关系是电流超前电压90°(q=90°) ， 如图1(b)所示；交流电在纯电感负载上的电压和电流关系是电流滞后电压90°(q=-90°) ， 如图1(c)所示 。
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图1不同性质负载上的电流电压关系
功率因数的定义是：
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(1)
在电阻负载上的有功功率就是视在功率 ， 即二者相等 ， 所以功率因数F=1 。 而在纯电容和纯电感负载上的电流和电压相位差90° ， 所以所以功率因数F=cosq=cos90°=0 ， 即在纯电容和纯电感负载上的有功功率为零 。
从这里可以看出一个问题 ， 同样是一个电源 ， 对于不同性质的负载其输出的功率的大小和性质也不同 ， 因此可以说负载的性质决定着电源的输出 。 换言之 ， 电源的输出不取决于电源的本身 ， 就像一座水塔的供水水流取决于水龙头的开启程度 。
从上面的讨论可以看出 ， 功率因数是表征负载性质和大小的一个参数 。 而且一般说一个负载只有一种性质 ， 就像一个人只有一个身份证号码一样 。 这种性质的确定是从负载的输入端看进去 ， 称为负载的输入功率因数 。 一个负载电路完成了 ， 它的输入功率因数也就定了 。
比如UPS作为前面市电或发电机的负载而言 ， 比如六脉冲整流输入的UPS ， 其输入功率因数就是0.8 ， 不论前面是市电电网还是发电机 ， 比如要求输入100kVA的视在功率 ， 都需要向前面的电源索取80kW的有功功率和60kvar的无功功率 。 如果UPS的输入功率因数是0.6 ， 就需要向前面的电源索取60kW的有功功率和80kvar的无功功率 。 像这样的输出分配 ， 前面电源是“无权”决定的 。
二、表征UPS输出能力的参数——负载功率因数
1.负载功率因数被误称为“输出功率因数”
UPS不能一对一地制造 ， 也要事先根据当前用电器的形式和规模预先制造出一批或几批不同功率因数和功率规格的机器 ， 以备市场现货销售 。 预先制造出一批或几批UPS的根据就是负载功率因数 。 当UPS的负载功率因数与负载的输入功率因数相等时 ， 就称为完全匹配 ， UPS就可输出全部功率 。 遇到不匹配负载时 ， 就必须降额使用 。 图2示出了UPS负载功率因数与负载输入功率因数的关系 。
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图2UPS负载功率因数与负载输入功率因数的关系
有的就误把UPS的负载功率因数称为UPS的输出功率因数 。 这种误解的来源大概认为UPS既然有输入功率因数就一定有输出功率因数 ， 这样一来UPS的性质就有两种 ， 从输入看进去是一种性质 ， 从输出看进去又是另一种性质 ， 误解了电路性质的唯一性 。 既然是UPS的输出功率因数 ， 如前所述 ， 如果UPS有输出100kVA的能力 ， 那么应当在任何负载性质的条件下都可给出功率因数所指出的有功功率和无功功率 。 比如被称为输出功率因数的数值为0.8时 ， 在任何负载性质的条件下都可给出80kW的有功功率和60kvar的无功功率 。 但实际上不是这样 。 比如往往出现这种情况 ， 当负载功率因数为0.8的100kVAUPS在带线性负载时 ， 就会因过载而转旁路 ， 这是其一；其二 ， 当用功率因数表测量UPS输出端时发现 ， 在带线性负载时其功率因数值为1 ， 当带二极管整流滤波输入的IT负载时其功率因数值又是0.7 ， 怎么也出不来0.8!实际上这两种情况测得的都是负载的功率因数 ， 所谓输出功率因数0.8根本就不会出现 ， 除非带输入功率因数为0.8的负载时 ， 但那时测得的也仍然是负载的功率因数 。 即 ， 只要带负载测量 ， 测得的就是负载的功率因数 。 这样一来 ， 只有不带负载时才可测得UPS的“输出功率因数” ， 这时有功功率P的输出电流IP=0 ， 视在功率S的输出电流IS=0 ， 尽管二者的电压UP和US不为零 ， 但根据式(1)


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