（Power Factor)是衡量電氣設備效率高低的一個系數。它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。功率因數低，說明無功功率大， 從而降低了設備的利用率，增加了線路供電損失。

關于功(gong)率(lv)因數的討論(lun)網(wang)上也有(you)不少文章，但(dan)很多人(ren)仍然對一(yi)些概念存(cun)有(you)誤解，這將為系統(tong)的設計帶來諸(zhu)多危(wei)害，有(you)必(bi)要在此再(zai)加以澄清。

一、功率因數的由來和含義

在電氣領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系是電流滯后電壓90°(q = -90°)，如圖1(c)所示。

圖1 不(bu)同性質負載上的電流(liu)電壓關(guan)系

功率因數的定義是：

(1)

在電(dian)(dian)阻(zu)負載上的有(you)(you)功(gong)(gong)功(gong)(gong)率(lv)(lv)(lv)就是視在功(gong)(gong)率(lv)(lv)(lv)，即(ji)(ji)二者相(xiang)等，所(suo)以(yi)功(gong)(gong)率(lv)(lv)(lv)因數F=1。而在純(chun)電(dian)(dian)容和(he)純(chun)電(dian)(dian)感負載上的電(dian)(dian)流和(he)電(dian)(dian)壓相(xiang)位(wei)差90°，所(suo)以(yi)所(suo)以(yi)功(gong)(gong)率(lv)(lv)(lv)因數F=cosq = cos90°=0，即(ji)(ji)在純(chun)電(dian)(dian)容和(he)純(chun)電(dian)(dian)感負載上的有(you)(you)功(gong)(gong)功(gong)(gong)率(lv)(lv)(lv)為零(ling)。

從這(zhe)里(li)可以看出一(yi)個問題，同(tong)樣是一(yi)個電(dian)源，對于不同(tong)性(xing)質(zhi)的(de)負(fu)(fu)載其輸出的(de)功率的(de)大小和性(xing)質(zhi)也不同(tong)，因(yin)此可以說負(fu)(fu)載的(de)性(xing)質(zhi)決定著(zhu)電(dian)源的(de)輸出。換言(yan)之，電(dian)源的(de)輸出不取(qu)決于電(dian)源的(de)本身，就像一(yi)座水(shui)塔(ta)的(de)供水(shui)水(shui)流取(qu)決于水(shui)龍頭的(de)開啟程度(du)。

從(cong)上面的(de)(de)(de)(de)討論可以看出，功率因(yin)(yin)數是表征負(fu)載(zai)(zai)性(xing)質(zhi)(zhi)和大小的(de)(de)(de)(de)一(yi)(yi)個(ge)參數。而且一(yi)(yi)般(ban)說一(yi)(yi)個(ge)負(fu)載(zai)(zai)只(zhi)有一(yi)(yi)種性(xing)質(zhi)(zhi)，就像一(yi)(yi)個(ge)人只(zhi)有一(yi)(yi)個(ge)身(shen)份(fen)證號碼(ma)一(yi)(yi)樣。這種性(xing)質(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)(de)確定是從(cong)負(fu)載(zai)(zai)的(de)(de)(de)(de)輸入端看進去，稱為(wei)負(fu)載(zai)(zai)的(de)(de)(de)(de)輸入功率因(yin)(yin)數。一(yi)(yi)個(ge)負(fu)載(zai)(zai)電路完成了，它(ta)的(de)(de)(de)(de)輸入功率因(yin)(yin)數也就定了。

比如(ru)UPS作(zuo)為前(qian)面(mian)(mian)市電(dian)或發(fa)電(dian)機(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)負載(zai)而言，比如(ru)六脈沖整流輸入(ru)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)UPS，其輸入(ru)功(gong)率(lv)(lv)因數(shu)就是0.8，不論前(qian)面(mian)(mian)是市電(dian)電(dian)網還是發(fa)電(dian)機(ji)，比如(ru)要(yao)求輸入(ru)100kVA的(de)(de)(de)(de)(de)(de)視在功(gong)率(lv)(lv)，都需要(yao)向前(qian)面(mian)(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)源(yuan)索取(qu)80kW的(de)(de)(de)(de)(de)(de)有(you)功(gong)功(gong)率(lv)(lv)和60kvar的(de)(de)(de)(de)(de)(de)無功(gong)功(gong)率(lv)(lv)。如(ru)果UPS的(de)(de)(de)(de)(de)(de)輸入(ru)功(gong)率(lv)(lv)因數(shu)是0.6，就需要(yao)向前(qian)面(mian)(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)源(yuan)索取(qu)60kW的(de)(de)(de)(de)(de)(de)有(you)功(gong)功(gong)率(lv)(lv)和80kvar的(de)(de)(de)(de)(de)(de)無功(gong)功(gong)率(lv)(lv)。像這樣的(de)(de)(de)(de)(de)(de)輸出分配，前(qian)面(mian)(mian)電(dian)源(yuan)是“無權”決定的(de)(de)(de)(de)(de)(de)。

二、表征(zheng)UPS輸出能力的參數(shu)——負載功率因數(shu)

1. 負載功率因數被誤稱為“輸出功率因數”

UPS不能一對一地制造，也要事先根據當前用電器的形式和規模預先制造出一批或幾批不同功率因數和功率規格的機器，以備市場現貨銷售。預先制造出一批或幾批UPS的根據就是負載功率因數。當UPS的負載功率因數與負載的輸入功率因數相等時，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負載功率因數與負載輸入功率因數的關系。

圖2 UPS負載功率因(yin)數與負載輸(shu)入功率因(yin)數的關(guan)系(xi)

有的就誤把UPS的負載功率因數稱為UPS的輸出功率因數。這種誤解的來源大概認為UPS既然有輸入功率因數就一定有輸出功率因數，這樣一來UPS的性質就有兩種，從輸入看進去是一種性質，從輸出看進去又是另一種性質，誤解了電路性質的唯一性。既然是UPS的輸出功率因數，如前所述，如果UPS有輸出100kVA的能力，那么應當在任何負載性質的條件下都可給出功率因數所指出的有功功率和無功功率。比如被稱為輸出功率因數的數值為0.8時，在任何負載性質的條件下都可給出80kW的有功功率和60kvar的無功功率。但實際上不是這樣。比如往往出現這種情況，當負載功率因數為0.8的100kVA UPS在帶線性負載時，就會因過載而轉旁路，這是其一；其二，當用功率因數表測量UPS輸出端時發現，在帶線性負載時其功率因數值為1，當帶二極管整流濾波輸入的IT負載時其功率因數值又是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，所謂輸出功率因數0.8根本就不會出現，除非帶輸入功率因數為0.8的負載時，但那時測得的也仍然是負載的功率因數。即，只要帶負載測量，測得的就是負載的功率因數。這樣一來，只有不帶負載時才可測得UPS的“輸出功率因數”，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，但根據式(1)

(2)

這(zhe)個結果(guo)就(jiu)是一個無理(li)數(shu)。功率(lv)因數(shu)表測(ce)試根本就(jiu)測(ce)不出任何值。也(ye)就(jiu)是說所謂的“輸出功率(lv)因數(shu)”沒(mei)有(you)任何操作性。

2.負(fu)載功率因(yin)數的確(que)定因(yin)素

那么負(fu)(fu)載功(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)因數(shu)(shu)為(wei)0.8的(de)(de)(de)100kVA UPS在(zai)帶(dai)線性負(fu)(fu)載時，為(wei)什么給不出(chu)(chu)80kW呢？一(yi)般這(zhe)種情況下的(de)(de)(de)工(gong)頻機UPS設計是(shi)根(gen)(gen)據(ju)額定(ding)的(de)(de)(de)有(you)功(gong)(gong)(gong)功(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)選(xuan)(xuan)擇(ze)逆變器(qi)(qi)，而(er)無(wu)(wu)(wu)功(gong)(gong)(gong)功(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)部分由逆變器(qi)(qi)后面(mian)的(de)(de)(de)電容(rong)(rong)器(qi)(qi)C來承(cheng)擔，如圖3所示。在(zai)圖中的(de)(de)(de)逆變器(qi)(qi)功(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)選(xuan)(xuan)擇(ze)就(jiu)是(shi)根(gen)(gen)據(ju)負(fu)(fu)載功(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)因數(shu)(shu)設定(ding)的(de)(de)(de)。這(zhe)里是(shi)以負(fu)(fu)載功(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)因數(shu)(shu)為(wei)0.8的(de)(de)(de)100kVA UPS為(wei)例(li)的(de)(de)(de)數(shu)(shu)字(zi)。逆變器(qi)(qi)是(shi)根(gen)(gen)據(ju)80kW選(xuan)(xuan)擇(ze)的(de)(de)(de)功(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)管，電容(rong)(rong)器(qi)(qi)C的(de)(de)(de)容(rong)(rong)量是(shi)根(gen)(gen)據(ju)輸出(chu)(chu)的(de)(de)(de)無(wu)(wu)(wu)功(gong)(gong)(gong)功(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)60kvar選(xuan)(xuan)定(ding)的(de)(de)(de)(當然還需另外加上(shang)濾波時所需的(de)(de)(de)容(rong)(rong)量)。因為(wei)在(zai)全匹配負(fu)(fu)載時電容(rong)(rong)C的(de)(de)(de)輸出(chu)(chu)無(wu)(wu)(wu)功(gong)(gong)(gong)功(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)QC和負(fu)(fu)載上(shang)的(de)(de)(de)容(rong)(rong)性無(wu)(wu)(wu)功(gong)(gong)(gong)功(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)負(fu)(fu)載上(shang)的(de)(de)(de)感性無(wu)(wu)(wu)功(gong)(gong)(gong)功(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv) QL絕對值相等而(er)符號相反，完全互(hu)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 一般工頻機UPS與負載匹配(pei)情況下的主電路結構(gou)

所以在全匹配的條件下，負載功率因數為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的負載功率因數與負載的輸入功率因數完全匹配時，負載上得到的功率就是：

(3)

如果負載的輸入功率因數與UPS的負載功率因數不相等，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=1，這種情況經常出現在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(gong)頻機(ji)UPS與線性負載不匹配情況下(xia)的主(zhu)電路結構

或者用功率計算式得出同樣的結果：

(9)

因此負(fu)載(zai)功率(lv)(lv)因數(shu)為(wei)0.8的(de)(de)100kVA UPS在(zai)(zai)帶線性負(fu)載(zai)時，只能給出53kW的(de)(de)功率(lv)(lv)，在(zai)(zai)以往的(de)(de)機器中不止一次地證明了這個結論。也就是(shi)說(shuo)當負(fu)載(zai)的(de)(de)輸(shu)入(ru)功率(lv)(lv)因數(shu)不等(deng)于UPS的(de)(de)負(fu)載(zai)功率(lv)(lv)因數(shu)時，UPS就必(bi)須降(jiang)額使用。這是(shi)一般規(gui)律(lv)，當然(ran)對(dui)不同(tong)負(fu)載(zai)功率(lv)(lv)因數(shu)的(de)(de)UPS有著不同(tong)的(de)(de)降(jiang)額值。

3. 對UPS功(gong)率因(yin)數的誤解(jie)危害

正是由(you)于有的用戶將負載(zai)功(gong)率(lv)因數誤認為是UPS的“輸出(chu)(chu)功(gong)率(lv)因數”，不但(dan)(dan)將歸(gui)屬關系搞錯了，而且還引出(chu)(chu)了一個(ge)根本不存在的概念。既然是“UPS的輸出(chu)(chu)功(gong)率(lv)因數”，那么(me)UPS的輸出(chu)(chu)功(gong)率(lv)就必須服(fu)從這(zhe)個(ge)功(gong)率(lv)因數值，也(ye)(ye)就是說“功(gong)率(lv)因數為0.8的100kVA UPS在帶線性負載(zai)時也(ye)(ye)應給出(chu)(chu)80kW的輸出(chu)(chu)功(gong)率(lv)”。如(ru)果這(zhe)種誤解僅僅是個(ge)別用戶，最多導致用戶和(he)供應商方面的矛盾(dun)。但(dan)(dan)如(ru)果是制定標(biao)準(zhun)者陷(xian)入這(zhe)個(ge)誤區(qu)，危害就是全(quan)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現功率因數為0.8的100kVA UPS給不出80kW，于是就認為是廠家的產品不合格，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%，但逆變器的驅動電路也比需相應地升級，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F就不是0.8了，因為陷入誤區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F的設計，就變成了：

(11)

當然，只要(yao)輸出給(gei)夠了(le)80kW，至(zhi)于此時(shi)的(de)功率因數值(zhi)也就無(wu)人顧及了(le)。如(ru)果真的(de)有人看(kan)到了(le)這一點，是不(bu)是認為這臺100kVA 的(de)UPS只要(yao)給(gei)出68.4kW就達標了(le)！

很顯然，這樣的(de)改變(bian)是(shi)(shi)不(bu)應該的(de)，一來是(shi)(shi)損(sun)害了制造商的(de)利益，二(er)來也不(bu)符合科學(xue)道(dao)理，只是(shi)(shi)因(yin)為誤解原因(yin)而人(ren)為地(di)(di)認為這樣做。甚至有的(de)說：多數(shu)人(ren)同意這樣做那就對。要(yao)知(zhi)道(dao)科學(xue)的(de)問題不(bu)是(shi)(shi)靠舉(ju)(ju)手(shou)表決解決的(de)，自由(you)落體的(de)蘋果就是(shi)(shi)要(yao)落在地(di)(di)上(shang)，再多的(de)人(ren)舉(ju)(ju)手(shou)表決也不(bu)會(hui)飛到(dao)天(tian)上(shang)去(qu)。

和負載功率(lv)因(yin)數(shu)(shu)(shu)并(bing)列的(de)一(yi)個量就(jiu)是(shi)UPS輸(shu)出電壓(ya)的(de)諧(xie)波失(shi)真(zhen)度(du)，有(you)的(de)將二(er)者混為(wei)一(yi)談，認為(wei)只要輸(shu)出電壓(ya)的(de)諧(xie)波失(shi)真(zhen)度(du)達到要求，那么(me)負載功率(lv)因(yin)數(shu)(shu)(shu)也就(jiu)知道了。實際上在產(chan)品設(she)計(ji)中負載功率(lv)因(yin)數(shu)(shu)(shu)和諧(xie)波失(shi)真(zhen)雖然(ran)有(you)些聯系，但不是(shi)一(yi)碼事，各自的(de)考慮(lv)不同。諧(xie)波失(shi)真(zhen)度(du)就(jiu)好(hao)(hao)比(bi)是(shi)衡量這件衣(yi)服(fu)(fu)(fu)做得活計(ji)好(hao)(hao)不好(hao)(hao)，針腳密不密，樣式好(hao)(hao)不好(hao)(hao)。而功率(lv)因(yin)數(shu)(shu)(shu)表示的(de)則是(shi)男服(fu)(fu)(fu)裝還(huan)是(shi)女服(fu)(fu)(fu)裝，是(shi)多大(da)號(hao)的(de)衣(yi)服(fu)(fu)(fu)，等等。所以(yi)這兩個指標且(qie)不可(ke)厚(hou)此(ci)薄彼，甚(shen)至舍棄其中之一(yi)。

更不能令人放(fang)心的(de)(de)是(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)有(you)些讀者至今仍認(ren)為功(gong)(gong)率(lv)(lv)因數(shu)(shu)是(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)百分數(shu)(shu)，常聽到(dao)(dao)有(you)人問：你(ni)的(de)(de)UPS的(de)(de)輸(shu)入功(gong)(gong)率(lv)(lv)因數(shu)(shu)是(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)百分值多(duo)少？這從(cong)上面的(de)(de)計算(suan)就(jiu)可清(qing)楚地看(kan)到(dao)(dao)，有(you)功(gong)(gong)功(gong)(gong)率(lv)(lv)和(he)無(wu)(wu)功(gong)(gong)功(gong)(gong)率(lv)(lv)是(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)正交(jiao)關(guan)(guan)系。從(cong)式(11)也可看(kan)到(dao)(dao)視在功(gong)(gong)率(lv)(lv)、有(you)功(gong)(gong)功(gong)(gong)率(lv)(lv)和(he)無(wu)(wu)功(gong)(gong)功(gong)(gong)率(lv)(lv)三(san)(san)者之(zhi)間的(de)(de)關(guan)(guan)系是(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)直(zhi)角(jiao)三(san)(san)角(jiao)形勾股弦(xian)的(de)(de)關(guan)(guan)系。所以有(you)功(gong)(gong)功(gong)(gong)率(lv)(lv)和(he)無(wu)(wu)功(gong)(gong)功(gong)(gong)率(lv)(lv)是(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)不能直(zhi)接加減的(de)(de)。比如上面的(de)(de)例(li)子，如果將80kW看(kan)做80%，那(nei)么(me)60kvar就(jiu)是(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)60%，這樣一(yi)來有(you)功(gong)(gong)功(gong)(gong)率(lv)(lv)和(he)無(wu)(wu)功(gong)(gong)功(gong)(gong)率(lv)(lv)加在一(yi)起就(jiu)是(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)140%，顯然(ran)是(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)不對的(de)(de)。這個最基(ji)本的(de)(de)基(ji)本概(gai)念如果搞不清(qing)楚，其他概(gai)念就(jiu)很(hen)難去(qu)理解了(le)!

那用什么電氣成套設備來改善功率因數呢？當然是無功補償裝置，也可以叫電容補償柜，主要是可以平衡感性負載，提高功率因數，以提升設備的利用率。得潤電氣就是可以生產10KV電容補償柜和380V電容補償柜(ju)的廠家。

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