什么是功率因數(shù)？一文講透

功率因數(shù)（Power Factor是衡量電氣設(shè)備效率高低的一個系數(shù)。它的大小與電路的負荷性質(zhì)有關(guān)， 如白熾燈泡、電阻爐等電阻負荷的功率因數(shù)為1，一般具有電感性負載的電路功率因數(shù)都小于1。功率因數(shù)低，說明無功功率大， 從而降低了設(shè)備的利用率，增加了線路供電損失。

關(guān)于功率因數(shù)的討論網(wǎng)上也有不少文章，但很多人仍然對一些概念存有誤解，這將為系統(tǒng)的設(shè)計帶來諸多危害，有必要在此再加以澄清。

一、功率因數(shù)的由來和含義

在電氣領(lǐng)域的負載有三個基本品種：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。日常所用的交流電在純電阻負載上的電壓和電流是同相位的，即相位差q = 0°，如圖1(a)所示；交流電在純電容負載上的電壓和電流關(guān)系是電流超前電壓90°(q =90°)，如圖1(b)所示；交流電在純電感負載上的電壓和電流關(guān)系是電流滯后電壓90°(q = -90°)，如圖1(c)所示。

圖1 不同性質(zhì)負載上的電流電壓關(guān)系

功率因數(shù)的定義是：?(1)

在電阻負載上的有功功率就是視在功率，即二者相等，所以功率因數(shù)F=1。而在純電容和純電感負載上的電流和電壓相位差90°，所以所以功率因數(shù)F=cosq = cos90°=0，即在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，同樣是一個電源，對于不同性質(zhì)的負載其輸出的功率的大小和性質(zhì)也不同，因此可以說負載的性質(zhì)決定著電源的輸出。換言之，電源的輸出不取決于電源的本身，就像一座水塔的供水水流取決于水龍頭的開啟程度。

從上面的討論可以看出，功率因數(shù)是表征負載性質(zhì)和大小的一個參數(shù)。而且一般說一個負載只有一種性質(zhì)，就像一個人只有一個身份證號碼一樣。這種性質(zhì)的確定是從負載的輸入端看進去，稱為負載的輸入功率因數(shù)。一個負載電路完成了，它的輸入功率因數(shù)也就定了。

比如UPS作為前面市電或發(fā)電機的負載而言，比如六脈沖整流輸入的UPS，其輸入功率因數(shù)就是0.8，不論前面是市電電網(wǎng)還是發(fā)電機，比如要求輸入100kVA的視在功率，都需要向前面的電源索取80kW的有功功率和60kvar的無功功率。如果UPS的輸入功率因數(shù)是0.6，就需要向前面的電源索取60kW的有功功率和80kvar的無功功率。像這樣的輸出分配，前面電源是“無權(quán)”決定的。

二、表征UPS輸出能力的參數(shù)——負載功率因數(shù)

1. 負載功率因數(shù)被誤稱為“輸出功率因數(shù)”

UPS不能一對一地制造，也要事先根據(jù)當前用電器的形式和規(guī)模預(yù)先制造出一批或幾批不同功率因數(shù)和功率規(guī)格的機器，以備市場現(xiàn)貨銷售。預(yù)先制造出一批或幾批UPS的根據(jù)就是負載功率因數(shù)。當UPS的負載功率因數(shù)與負載的輸入功率因數(shù)相等時，就稱為完全匹配，UPS就可輸出全部功率。遇到不匹配負載時，就必須降額使用。圖2示出了UPS負載功率因數(shù)與負載輸入功率因數(shù)的關(guān)系。

圖2 UPS負載功率因數(shù)與負載輸入功率因數(shù)的關(guān)系

有的就誤把UPS的負載功率因數(shù)稱為UPS的輸出功率因數(shù)。這種誤解的來源大概認為UPS既然有輸入功率因數(shù)就一定有輸出功率因數(shù)，這樣一來UPS的性質(zhì)就有兩種，從輸入看進去是一種性質(zhì)，從輸出看進去又是另一種性質(zhì)，誤解了電路性質(zhì)的唯一性。既然是UPS的輸出功率因數(shù)，如前所述，如果UPS有輸出100kVA的能力，那么應(yīng)當在任何負載性質(zhì)的條件下都可給出功率因數(shù)所指出的有功功率和無功功率。比如被稱為輸出功率因數(shù)的數(shù)值為0.8時，在任何負載性質(zhì)的條件下都可給出80kW的有功功率和60kvar的無功功率。但實際上不是這樣。比如往往出現(xiàn)這種情況，當負載功率因數(shù)為0.8的100kVA UPS在帶線性負載時，就會因過載而轉(zhuǎn)旁路，這是其一；其二，當用功率因數(shù)表測量UPS輸出端時發(fā)現(xiàn)，在帶線性負載時其功率因數(shù)值為1，當帶二極管整流濾波輸入的IT負載時其功率因數(shù)值又是0.7，怎么也出不來0.8!實際上這兩種情況測得的都是負載的功率因數(shù)，所謂輸出功率因數(shù)0.8根本就不會出現(xiàn)，除非帶輸入功率因數(shù)為0.8的負載時，但那時測得的也仍然是負載的功率因數(shù)。即，只要帶負載測量，測得的就是負載的功率因數(shù)。這樣一來，只有不帶負載時才可測得UPS的“輸出功率因數(shù)”，這時有功功率P的輸出電流IP=0，視在功率S的輸出電流IS=0，盡管二者的電壓UP和US不為零，但根據(jù)式(1)

(2)

這個結(jié)果就是一個無理數(shù)。功率因數(shù)表測試根本就測不出任何值。也就是說所謂的“輸出功率因數(shù)”沒有任何操作性。

2.負載功率因數(shù)的確定因素

那么負載功率因數(shù)為0.8的100kVA UPS在帶線性負載時，為什么給不出80kW呢？一般這種情況下的工頻機UPS設(shè)計是根據(jù)額定的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器C來承擔，如圖3所示。在圖中的逆變器功率選擇就是根據(jù)負載功率因數(shù)設(shè)定的。這里是以負載功率因數(shù)為0.8的100kVA UPS為例的數(shù)字。逆變器是根據(jù)80kW選擇的功率管，電容器C的容量是根據(jù)輸出的無功功率60kvar選定的(當然還需另外加上濾波時所需的容量)。因為在全匹配負載時電容C的輸出無功功率QC和負載上的容性無功功率負載上的感性無功功率 QL絕對值相等而符號相反，完全互補(直接相減)，即：QC-QL=0

而且C和L形成的回路電流并不流經(jīng)逆變器，即無功電流不流經(jīng)逆變器，UPS就是在這種設(shè)定條件下制造的。

圖3 一般工頻機UPS與負載匹配情況下的主電路結(jié)構(gòu)

所以在全匹配的條件下，負載功率因數(shù)為0.8的100kVA UPS能將80kW的有功功率和60kvar的無功功率全部輸送給負載。即在UPS的負載功率因數(shù)與負載的輸入功率因數(shù)完全匹配時，負載上得到的功率就是：

(3)

如果負載的輸入功率因數(shù)與UPS的負載功率因數(shù)不相等，情形又會怎樣呢？比如后面的負載是線性負載，即負載的輸入功率因數(shù)=1，這種情況經(jīng)常出現(xiàn)在UPS帶假負載考機情況，如圖4所示。在這里有一個很大的區(qū)別，負載中的電感部分沒有了。這就造成了逆變器后面電容器C的無功功率再也不能向負載端提供的局面。由于60kvar的容抗XC是：

?(4)

從上式可以看出，逆變器輸出首先并聯(lián)了一個小于1W的電抗，如果讓逆變器輸出端建立起220V的電壓，首先要向電容C提供一個電流IC，其值的大小為：

?(5)

而原來逆變器可以提供的電流IINV為：

(6)

很顯然，必須從逆變器輸出電流中減去上述的容性電流，余下的才是負載應(yīng)得的電流Ir，即：

(7)

那么此時負載上能夠得到的功率Pr就只有：
Pr =241A′220V?53kW (8)

圖4 一般工頻機UPS與線性負載不匹配情況下的主電路結(jié)構(gòu)

或者用功率計算式得出同樣的結(jié)果：

(9)

因此負載功率因數(shù)為0.8的100kVA UPS在帶線性負載時，只能給出53kW的功率，在以往的機器中不止一次地證明了這個結(jié)論。也就是說當負載的輸入功率因數(shù)不等于UPS的負載功率因數(shù)時，UPS就必須降額使用。這是一般規(guī)律，當然對不同負載功率因數(shù)的UPS有著不同的降額值。

3. 對UPS功率因數(shù)的誤解危害

正是由于有的用戶將負載功率因數(shù)誤認為是UPS的“輸出功率因數(shù)”，不但將歸屬關(guān)系搞錯了，而且還引出了一個根本不存在的概念。既然是“UPS的輸出功率因數(shù)”，那么UPS的輸出功率就必須服從這個功率因數(shù)值，也就是說“功率因數(shù)為0.8的100kVA UPS在帶線性負載時也應(yīng)給出80kW的輸出功率”。如果這種誤解僅僅是個別用戶，最多導(dǎo)致用戶和供應(yīng)商方面的矛盾。但如果是制定標準者陷入這個誤區(qū)，危害就是全國的UPS制造商。

比如原來都是進口的大功率UPS，在帶線性實驗負載時發(fā)現(xiàn)功率因數(shù)為0.8的100kVA UPS給不出80kW，于是就認為是廠家的產(chǎn)品不合格，在加之廠家也說不清楚原因，于是就只好加大逆變器的功率，也就是說在逆變器中必須也把60kvar的無功功率包含進去，即：

(10)

無形中將逆變器的造價增加了20%，但逆變器的驅(qū)動電路也比需相應(yīng)地升級，那就不止20%了。全國所有的廠家都必須照此辦理，這個影響面就大了!這樣一來，80kW的輸出功率是給出來了，可惜的是負載功率因數(shù)F就不是0.8了，因為陷入誤區(qū)的制造商是不會將原來60kvar的無功功率作任何改變的，即仍然保留了60kvar的電容器，這樣一來按著原來的對負載功率因數(shù)F的設(shè)計，就變成了：

(11)

當然，只要輸出給夠了80kW，至于此時的功率因數(shù)值也就無人顧及了。如果真的有人看到了這一點，是不是認為這臺100kVA 的UPS只要給出68.4kW就達標了！

很顯然，這樣的改變是不應(yīng)該的，一來是損害了制造商的利益，二來也不符合科學(xué)道理，只是因為誤解原因而人為地認為這樣做。甚至有的說：多數(shù)人同意這樣做那就對。要知道科學(xué)的問題不是靠舉手表決解決的，自由落體的蘋果就是要落在地上，再多的人舉手表決也不會飛到天上去。

和負載功率因數(shù)并列的一個量就是UPS輸出電壓的諧波失真度，有的將二者混為一談，認為只要輸出電壓的諧波失真度達到要求，那么負載功率因數(shù)也就知道了。實際上在產(chǎn)品設(shè)計中負載功率因數(shù)和諧波失真雖然有些聯(lián)系，但不是一碼事，各自的考慮不同。諧波失真度就好比是衡量這件衣服做得活計好不好，針腳密不密，樣式好不好。而功率因數(shù)表示的則是男服裝還是女服裝，是多大號的衣服，等等。所以這兩個指標且不可厚此薄彼，甚至舍棄其中之一。

更不能令人放心的是有些讀者至今仍認為功率因數(shù)是百分數(shù)，常聽到有人問：你的UPS的輸入功率因數(shù)是百分值多少？這從上面的計算就可清楚地看到，有功功率和無功功率是正交關(guān)系。從式(11)也可看到視在功率、有功功率和無功功率三者之間的關(guān)系是直角三角形勾股弦的關(guān)系。所以有功功率和無功功率是不能直接加減的。比如上面的例子，如果將80kW看做80%，那么60kvar就是60%，這樣一來有功功率和無功功率加在一起就是140%，顯然是不對的。這個最基本的基本概念如果搞不清楚，其他概念就很難去理解了!

審核編輯：湯梓紅