功率因素

功率因素

電力系統的技術數據
功率因素(PowerFactor)的大小與電路的負荷性質有關,如白熾燈泡、電阻爐等電阻負荷的功率因數為1,一般具有電感性負載的電路功率因數都小于1。功率因數是電力系統的一個重要的技術數據。[1]
    中文名:功率因素 外文名:Power factor 适用領域: 所屬學科: 别稱:功率相位差因數 表達式:cosΦ=P/S 應用學科:物理學 适用領域範圍:電學,熱學

計算

功率因素低的根本原因是電感性負載的存在。例如,生産中最常見的交流異步電動機在額定負載時的功率因數一般為0.7--0.9,如果在輕載時其功率因數就更低。其它設備如工頻爐、電焊變壓器以及日光燈等,負載的功率因數也都是較低的。從功率三角形及其相互關系式中不難看出,在視在功率不變的情況下,功率因數越低(角越大),有功功率就越小,同時無功功率卻越大。

這種使供電設備的容量不能得到充分利用,例如容量為1000kVA的變壓器,如果cos=1,即能送出1000kW的有功功率;而在cos=0.7時,則隻能送出700kW的有功功率。功率因數低不但降低了供電設備的有效輸出,而且加大了供電設備及線路中的損耗,因此,必須采取并聯電容器等補償無功功率的措施,以提高功率因數。

功率因數既然表示了總功率中有功功率所占的比例,顯然在任何情況下功率因數都不可能大于1。由功率三角形可見,當=0°即交流電路中電壓與電流同相位時,有功功率等于視在功率。這時cos的值最大,即cos=1,當電路中隻有純阻性負載,或電路中感抗與容抗相等時,才會出現這種情況。

感性電路中電流的相位總是滞後于電壓,此時0°<<90°,此時稱電路中有“滞後”

的cos;而容性電路中電流的相位總是超前于電壓,這時-90°<<0°,稱電路中有“超前”的cos。

功率因數的計算方式很多,主要有直接計算法和查表法。常用的計算公式為:

要求

最基本分析

拿設備作舉例。例如:設備功率為100個單位,也就是說,有100個單位的功率輸送到設備中。然而,因大部分電器系統存在固有的無功損耗,隻能使用70個單位的功率。很不幸,雖然僅僅使用70個單位,卻要付100個單位的費用。使用了70個單位的有功功率,你付的就是70個單位的消耗在這個例子中,功率因數是0.7如果大部分設備的功率因數小于0.9時,将被罰款,這種無功損耗主要存在于電機設備中,又叫感性負載。功率因數是馬達效能的計量标準。

基本分析

每種電機系統均消耗兩大功率,分别是真正的有功(單位:瓦)及電抗性的無功(單位:乏)。功率因數是有用功與總功率間的比值。功率因數越高,有用功與總功率間的比值就越大,系統運行則更有效率。

高級分析

在感性負載電路中,電流波形峰值在電壓波形峰值之後發生。兩種波形峰值的分隔可用功率因數表示。功率因數越低,兩個波形峰值則分隔越大。

非線性負載

電力系統上常見的非線性負載包括整流器(用在電源供應器中),或是像螢光燈、電焊機或電弧爐電弧放電的設備。由于這些系統的電流會因為元件的切換而中斷,電流會含有諧波成份,其頻率為電源系統的整數倍數。畸變功率因子(Distortion Power Factor)可用來量度電流的諧波畸變對其平均功率的影響。

電腦電源供應器的弦波電壓及非弦波電流,其畸變功率因子為0.75。

非弦波成份

非線性負載将電流波形由正弦波扭曲成其他波形。非線性負載的輸入電流中除了原來電源的頻率(基頻)外,其中也會有許多高頻的諧波電流成份。由電容器及電感器等線性元件組成的濾波器可以降低諧波電流由負載端進入電源系統中。

線性元件組成的電路若電壓為一正弦波,其電流也是相同頻率的弦波。其功率因子隻是因為電壓和電流之間的相位差,也可以稱為位移功率因子(Displacement Power Factor)。若電流或電壓非弦波,視在功率包括所有諧波成份時,功率因子中不但有電壓和電流之間的相位差導緻的位移功率因子,也會有對應諧波成份的畸變功率因子。

一般的三用電表無法量測非線性負載的輸入電流。三用電表會量測整流後波形的平均值。若使用量測均方根(RMS)值的電表,可以量測實際電流及電壓的均方根值,因此也可以計算視在功率。若要量測有功功率或無功功率,需使用針對非正弦波電流設計的瓦特表。

畸變功率因子

畸變功率因子(Distortion Power Factor)量度電流的諧波畸變對其平均功率的影響。

為負載電流的總諧波畸變。上述定義假設電壓仍維持正弦波,沒有畸變,此假設接近一般實際應用的情形。為電流的基頻成份,而為總電流,二者都以均方根值表示。

若将畸變功率因子乘以位移功率因子(Displacement Power Factor,簡稱DPF),即可得到總功率因子,也可稱為真功率因子,或直接簡稱為功率因子。

開關電源

開關電源是一種常見的非線性負載,世界上至少有數百萬台個人電腦中有開關電源,功率輸出從數瓦到一千瓦。早期廉價的開關電源中有一個全波整流器,整流器隻有在電源端電壓超過内部電容器的電壓時才會導通,因此其峰值因子很高,畸變功率因子很低,而且在三相的電流系統中,其中線性電流不會為零,可能會有中性線負載過大的問題。

典型的開關電源首先會用整流二極管産生直流電壓,再由直流電壓産生輸出電壓。由于整流器為非線性元件,其輸入電流會有許多的高次諧波成份。此情形會造成電力公司的困擾,因為無法靠加入電容器及電感器的方式補償高頻的諧波成份。因此一些地區已開始立法要求所有功率大于一定值的電源供應器需要有功率因子修正機能。

歐盟為了提升功率因子,有設置諧波的标準。若要符合現行歐盟标準EN61000-3-2,所有輸出功率大于75W的開關電源至少需要有被動功率因子修正(passive PFC)機能。而80PLUS開關電源認證要求功率因子至少需到達0.9的水平。

改善

電網中的電力負荷如電動機、變壓器、日光燈及電弧爐等,大多屬于電感性負荷,這些電感性的設備在運行過程中不僅需要向電力系統吸收有功功率,還同時吸收無功功率。因此在電網中安裝并聯電容器無功補償設備後,将可以提供補償感性負荷所消耗的無功功率,減少了電網電源側向感性負荷提供及由線路輸送的無功功率。

由于減少了無功功率在電網中的流動,因此可以降低輸配電線路中變壓器及母線因輸送無功功率造成的電能損耗,這就是無功補償的效益。無功補償的主要目的就是提升補償系統的功率因數。因為供電局發出來的電是以kVA或者MVA來計算的,但是收費卻是以kW,也就是實際所做的有用功來收費,兩者之間有一個無效功率的差值,一般而言就是以kvar為單位的無功功率。

大部分的無效功都是電感性,也就是一般所謂的電動機、變壓器、日光燈……,幾乎所有的無效功都是電感性,電容性的非常少見,例如:變頻器就是容性的,在變頻器電源端加入電抗器可提高功率因數。

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