什么是功率因数(什么是功率因数补偿)

功率因数是衡量电气设备效率的一个系数。其大小与电路的负载性质有关。比如白炽灯泡、电阻炉等电阻性负载的功率因数为1，有感性负载的电路功率因数一般小于1。功率因数低说明无功功率大，降低了设备的利用率，增加了线路的供电损耗。

网上有很多关于功率因数的文章，但是很多人还是误解了一些概念，会给系统设计带来很多危害，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；交流纯容性负载的电压与电流的关系是电流领先电压90°(q = 90°)，如图1(b)所示；交流纯电感负载的电压与电流的关系是电流滞后电压90°(q =-90°)，如图1(c)所示。

图1不同性质负载上的电流-电压关系

功率因数定义为:

(1)

阻性负载上的有功功率为视在功率，即二者相等，所以功率因数F=1。而纯容性和感性负载上的电流和电压相差90°，所以功率因数f = cosq = cos90 = 0，即纯容性和感性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。

从上面的讨论可以看出，功率因数是表征负载性质和大小的参数。而且一般来说，一个负载只有一个性质，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。

例如，作为前端公用设施或发电机的负载，如具有六脉冲整流输入的UPS，其输入功率因数为0.8。无论是要求前置公用电还是发电机输入100kVA视在功率，例如需要从前置电源获得80kW有功功率和60 kva无功功率。如果UPS的输入功率因数为0.6，则需要从前置电源获得60kW有功功率和80kvar无功功率。对于这样的输出分配，前置电源由“无权”决定。

二、UPS输出容量-负载功率因数的参数

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。当您遇到不匹配的负载时，您必须以降低的速率使用它们。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负载功率因数和负载输入功率因数的关系

有的把UPS的负载功率因数误称为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。导致UPS属性有两种，一种来自输入，一种来自输出，从而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，那么在任何负载性质下，都应该能够给出功率因数所表示的有功功率和无功功率。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。但其实不是这样的。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的输出时，发现其功率因数值在加载线性负载时为1，加载二极管整流和滤波输入时为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，所谓的输出功率因数0.8根本不会出现，除非有一个输入功率因数为0.8的负载，但后来还是测量了负载的实测功率因数。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，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。以下是负载功率因数为0.8的100kVA UPS的数据示例。逆变器是按照80kW选择的功率管，电容C的容量是按照60kvar的输出无功功率选择的(当然需要加上滤波所需的容量)。因为当负载完全匹配时，电容C的输出无功功率QC和负载上的感性无功功率QL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是在这种设定条件下制造的。

图3带负载匹配的通用工频机UPS主电路结构

因此，在完全匹配的情况下，一台负载功率因数为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？比如后面的负载是线性负载，即负载的输入功率因数=1。如图4所示，这种情况经常发生在用虚假负载测试UPS时。这里有很大的区别。负载的电感部分没有了。这就导致了逆变器后电容C的无功功率不能再供给负载端的情况。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。如果逆变器的输出设置为220V电压，则应首先向电容器C提供电流IC，其值为:

(5)

而原逆变器能提供的电流IINV为:

(6)

显然，必须从逆变器的输出电流中减去上述电容电流，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 =241A 220V 53kW (8)

图4一般工频机UPS与线性负载不匹配时的主电路结构

或者使用功率计算公式得到相同的结果:

(9)

因此，一台负载功率因数为0.8的100kVA UPS，线性负载时只能给出53kW的功率。这个结论在之前的机器中已经不止一次被证明了。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。这是一般规律，当然不同负载功率因数的UPS有不同的降额值。

3.误解对UPS功率因数的危害

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”，不仅归属错误，还导致了一个不存在的概念。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“一个功率因数为0.8的100kVA的UPS，在带线性负载的情况下也要给出80kW的输出功率”。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种误区，伤害的将是全国各地的UPS厂商。

比如原装进口的大功率UPS，发现功率因数为0.8的100kVA UPS在带线性实验负载时无法给出80kW，就认为是厂家的产品不合格，厂家也无法说明原因，只好增加逆变器的功率，也就是说60 kva的无功功率也必须计入逆变器，即:

(10)

隐形逆变器的成本增加了20%，但是逆变器的驱动电路需要相应升级，也就是20%以上。全国的厂家都要这么做，这影响就大了！这样就给出了80kW的输出功率，但很遗憾，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，即仍然保留60kvar的电容，这样按照负载功率因数F的原设计，就变成了:

(11)

当然，只要输出80kW，此时的功率因数值就会被忽略。如果真的有人看到这个，是不是觉得这个100kVA的UPS只要给68.4kW就能达标！

显然，这样的改变是不应该的。一方面损害了厂商的利益；另一方面也不符合科学真理。只是因为误解，人们才认为应该这样做。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，不管多少人举手，都不会飞到天上去。

UPS输出电压的谐波失真是与负载功率因数并列的量之一，有的把两者混为一谈，以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。实际上，虽然产品设计中负载功率因数和谐波失真有一定的关系，但它们不是一回事，各自的考虑是不同的。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偏差，甚至抛弃其中一个。

更让人放心的是，有些读者仍然认为功率因数是一个百分比。经常有人问:你们UPS的输入功率因数百分比是多少？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勾股弦的关系。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。如果这个基本概念不清楚，其他概念就很难理解！