功率因数是由什么决定的 功率因数是什么
功率因数是衡量电气设备效率的一个系数 。它的大小与电路的负载特性有关 。比如白炽灯泡、电阻炉等阻性负载的功率因数为1,有感性负载的电路功率因数小于1 。功率因数低意味着无功功率高,降低了设备利用率,增加了线路供电损耗 。
网上讨论功率因数的文章很多,但是很多人还是对一些概念有误解,会给系统的设计带来很多危害,这里有必要澄清一下 。
一、权力因素的起源和含义
电场中有三种基本类型的负载: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 。纯阻性负载上日常交流的电压和电流同相,即相位差q = 0,如图1(a)所示;纯电容交流负载的电压电流关系为电流超前电压90(q =90),如图1(b)所示 。纯电感交流负载的电压电流关系为电流滞后电压90(q = -90),如图1(c)所示 。
图1不同负载上电流和电压的关系
功率因数定义为:
(1)
阻性负载上的有功功率为视在功率,即两者相等,因此功率因数F=1 。而纯电容和纯电感负载上的电流和电压相差90°,所以功率因数F=cosq = cos90=0,即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 。也是电源 。对于不同的负载,输出功率的大小和性质是不同的,所以可以说负载的性质决定了电源的输出 。换句话说,电源的输出并不取决于电源本身,就像水塔的供水流量取决于水龙头的开度一样 。
从以上讨论可以看出,功率因数是表征负载性质和大小的参数 。而且一般来说,一个负载只有一个属性,就像一个人只有一个身份证号一样 。这个性质是由负载的输入决定的,称为负载的输入功率因数 。当一个负载电路完成时,它的输入功率因数被确定 。
比如UPS作为前置市电或发电机的负载,比如六脉波整流输入的UPS,输入功率因数为0.8 。无论是要求前置市电还是发电机输入100kVA的视在功率,都需要向前置电源索要80kW的有功功率和60 kva的无功功率 。如果UPS的输入功率因数为0.6,则需要向前置电源要求60kW的有功功率和80kvar的无功功率 。像这样的输出分配,前置电源是由“没权”决定的 。
第二,负载功率因数,一个表征UPS输出能力的参数
1.负载功率因数被误称为“输出功率因数”
UPS不能一对一制造,还要根据目前电器的形式和规模,提前制造一批或几批不同功率因数和规格的机器,为市场现货销售做准备 。提前制造一批或几批UPS的基础是负载功率因数 。当UPS的负载功率因数等于负载的输入功率因数时,称为完美匹配,UPS可以输出全部功率 。如果负载不匹配,则必须减额 。图2示出了UPS负载功率因数和负载输入功率因数之间的关系 。
图UPS负载功率因数与负载输入功率因数的关系
有人误将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是认为UPS既然有输入功率因数,就一定有输出功率因数,所以UPS有两个属性,一个来自输入,一个来自输出,误解了电路属性的唯一性 。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,那么功率因数所表示的有功功率和无功功率应该是在任何负载条件下给出的 。例如,当称为输出功率因数的值为0.8时,在任何负载条件下都可以给出80kW的有功功率和60kvar的无功功率 。但事实并非如此 。比如这种情况经常发生 。当负载功率因数为0.8的100kVA UPS有线性负载时,会因过载而被旁路,这是其中之一 。其次,用功率因数表测量UPS的输出端时,发现它的功率因数值在带线性负载时是1,带二极管整流滤波输入的IT负载时是0.7,所以得不到0.8!其实这两种情况都是测量负载的功率因数,根本不会出现所谓的输出功率因数为0.8的情况,除非深圳生活网有一个输入功率因数为0.8的负载,但当时测得的负载功率因数还是一样的 。也就是说,只要测量负载,就测量了负载的功率因数 。这样,UPS的“输出功率因数”只有在空载时才能测得 。此时,有功功率P的输出电流IP=0等于0,视在功率S的输出电流is等于0 。虽然两者的电压UP和US都不为零,但是根据公式(1)
(2)
这个结果是一个无理数 。功率因数表测试根本测不出任何数值 。也就是说,所谓的“输出功率因数”没有可操作性 。
2.负载功率因数的决定因素
那么,为什么一个负载功率因数为0.8的100kVA的UPS,在有线性负载的情况下,不能给出80kW的功率呢?一般来说,工频机的UPS设计是根据额定有功功率选择逆变器,而无功功率由逆变器后的电容C承担,如图3所示 。图中的逆变器功率选择是根据负载功率因数设定的 。这里以负载功率因数为0.8的100kVA UPS为例 。逆变器是按80kW选择的功率管,电容C的容量是按输出无功功率60kvar选择的(当然也要加上滤波所需的容量) 。因为电容器C的输出无功功率QC和负载上容性无功负载的感性无功功率QL的绝对值相等但符号相反,所以它们是完全互补的(直接相减),即QC-QL=0 。
而且C和L形成的回路电流不流经逆变器,即无功电流不流经逆变器,UPS就是在这种设定条件下制造的 。
图3通用工频机UPS主电路结构及负载匹配
因此,在完全匹配的情况下,负载功率因数为0.8的100kVA UPS可以向负载输送80kW的有功功率和60 kva的无功功率 。即当UPS的负载功率因数与负载的输入功率因数完全匹配时,负载上获得的功率为:
(3)
负载的输入功率因数不等于UPS的负载功率因数会怎样?比如后一种负载是线性负载,即负载的输入功率因数等于1,这种情况经常出现在UPS带假负载的测试中,如图4所示 。这里有很大的区别 。负载的感性部分没有了 。这导致逆变器后面的电容器C的无功功率不能再提供给负载端子 。由于60kvar的容抗XC为:
(4)
从上式可以看出,逆变器的输出首先并联一个小于1W的电抗 。如果逆变器的输出电压设置为220V,则应首先向电容器C提供电流IC,其值为:
(5)
原始逆变器可以提供如下电流IINV:
(6)
显然,必须从逆变器的输出电流中减去上面提到的容性电流,剩下的就是负载产生的电流Ir,即:
(7)
那么此时负载上可用的功率Pr仅为:
Pr =241A220V53kW (8)
图4一般工频机UPS和线性负载不匹配的主电路结构
或者使用幂公式得到相同的结果:
(9)
所以负载功率因数为0.8的100kVA UPS,线性负载时只能给出53kW的功率,这一点在之前的机器中已经不止一次得到证明 。也就是说,当负载的输入功率因数不等于UPS的负载功率因数时,UPS必须降额 。这是一个普遍规律 。当然,负载功率因数不同的UPS,降额值也不同 。
3.对UPS功率因数的误解
正是因为部分用户将负载功率因数误认为UPS的“输出功率因数”,不仅混淆了权属关系,还导致了根本不存在的概念 。既然是“UPS的输出功率因数”,那么UPS的输出功率就必须服从这个功率因数值,也就是说“功率因数为0.8的100kVA UPS也要给出线性负载的80kW输出功率” 。如果这种误解只是针对个人用户,最多会导致用户和供应商之间的冲突 。但如果标准制定者陷入这个误区,伤害的将是全国各地的UPS厂商 。
比如所有进口的大功率UPS,在加载线性实验负载时,发现功率因数为0.8的100kVA UPS给不出80kW,就认为厂家的产品不合格 。另外,厂家也解释不清楚原因,所以深圳生活网不得不增加逆变器的功率,也就是说,60kvar无功功率也必须计入逆变器,即:
(10)
无形中,逆变器的成本增加了20%,但逆变器的驱动电路却要相应升级,也就是20%以上 。全国所有厂商都要这么做,影响会很大!这样就给出了80kW的输出功率,可惜负载功率因数F不是0.8,因为陷入误区的厂家不会对原来60kvar的无功功率做任何改动,也就是仍然保留了60kvar的电容,这样按照原来设计的负载功率因数F,就变成了:
(11)
当然,只要输出80kW,此时的功率因数值就忽略不计了 。如果真的有人看到这个,你以为这个100kVA的UPS只要给68.4kW就达标了吗?
显然,这样的改变是不应该的 。一方面损害了厂商的利益;另一方面,不符合科学原理,却因为误解而被人为认为是做了 。甚至有人说:大多数人都同意这么做,没错 。要知道科学问题不是举手表决就能解决的 。自由落体的苹果会掉到地上,无论多少人举手,都不会飞到天上去 。
与负载功率因数相关的一个量是UPS输出电压的谐波失真 。有人把两者混为一谈,认为只要输出电压的谐波失真满足要求,那么负载功率因数就知道了 。其实负载功率因数和谐波失真在产品设计上是有联系的,但不是一回事,考虑的因素也不一样 。谐波失真就像衡量这件衣服做的好不好,针脚紧不紧,款式好不好 。功率因数表示是男装还是女装,衣服是什么尺码等等 。所以这两个指标不应该有所偏颇,甚至放弃其中一个 。
【功率因数是由什么决定的 功率因数是什么】更令人担忧的是,有些读者还认为功率因数是百分比,经常有人问:你们UPS的输入功率因数是多少百分比?从上面的计算可以清楚地看出,有功功率和无功功率是正交的 。从等式(11)还可以看出,视在功率、有功功率和无功功率之间的关系是直角三角形 。所以有功功率和无功功率不能直接相加或相减 。比如上面的例子,如果把80kW看成80%,那么60kvar就是60%,这样有功功率和无功功率之和就是140%,显然是错误的 。如果这个基本概念都不清楚,其他概念就很难理解了!
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