功率因數(shù)，是用來衡量用電設(shè)備（包括：廣義的用電設(shè)備，如：電網(wǎng)的變壓器、傳輸線路，等等）的用電效率的數(shù)據(jù)。

　　功率因數(shù)的定義公式：功率因數(shù)＝有功功率/視在功率。

　　有功功率，是設(shè)備消耗了的，轉(zhuǎn)換為其他能量的功率。

　　無功功率，是維持設(shè)備運轉(zhuǎn)，但是并不消耗的能量。他存在于電網(wǎng)與設(shè)備之間，是電網(wǎng)和設(shè)備不可缺少的能量部分。但是無功功率如果被設(shè)備占用過多，就造成電網(wǎng)效率低下，同時，大量無功功率在電網(wǎng)中來回傳送，使得線損高企浪費嚴(yán)重。

　　為了減少電網(wǎng)的無功傳送，就要求用戶在用電端，給設(shè)備提供無功功率，這種提供無功功率的行為，就是無功補(bǔ)償。提供無功功率的補(bǔ)償設(shè)備，稱之為：無功補(bǔ)償裝置。比如深圳奧特電器公司的ATBX就地補(bǔ)償箱，就是非常有效的就地補(bǔ)償裝置。

　　其他：必須了解的：

　　視在功率，就使我們常說的功率容量。計算：視在功率的平方＝有功功率的平方+無功功率的平方。

　　視在功率、有功功率、無功功率三者呈直角三角形關(guān)系。

　　注意：在沒有諧波的情況下，可以推導(dǎo)出：功率因數(shù)＝COSa （電壓電流角差的余弦）。但是有諧波的時候，上述表達(dá)式式不成立。這時很多人，包括很多專家都沒有意識到的一個情況。

　　實際案例

　　電子系統(tǒng)的功率因數(shù)

　　在電子系統(tǒng)里有很多電子器件，而幾乎所有有源電子器件都是要求直流供電的，而在一般的市區(qū)或工廠都是采用交流電作為電源。所以幾乎所有的電子系統(tǒng)里都需要有一個整流器來把交流整成直流，通常在后面還要加一個電解電容來濾波（圖2.）。

　　圖2. 整流器和電解電容

　　這種電路因為包含有整流二極管，所以實際上是一種非線性電路，這可以從它的電源和電流的波形看出，這時候的電壓和電流波形如圖3所示。

　　圖3. 整流器的電壓和電流的波形

　　顯然，盡管電壓還是正弦波，但是電流卻變成了脈沖波。 對于這種非線性系統(tǒng)，本來就很難來定義它的功率因數(shù)，因為功率因數(shù)本來是從線性系統(tǒng)里得來的。還好大多數(shù)電子系統(tǒng)都是家用小型電器，它對于大的電力系統(tǒng)影響不大。所以當(dāng)時國家規(guī)定75瓦以下的電子系統(tǒng)不要求功率因數(shù)。這也是很合理的。甚至于到現(xiàn)在為止，美國的能源之星對于一般的照明系統(tǒng)還規(guī)定了100W以下不要求功率因數(shù)。

　　在熒光燈出現(xiàn)的時候，從來沒有提出過什么功率因數(shù)的要求，所以采用電感鎮(zhèn)流的普通日光燈的功率因數(shù)在0.5左右，過去也沒有任何規(guī)定來限制。

　　然而到了節(jié)能燈國家就規(guī)定了15W以下不要求功率因數(shù)，但是因為大多數(shù)節(jié)能燈都是在15W以下，所以這個規(guī)定對于節(jié)能燈的大規(guī)模推廣沒有什么影響。到了LED卻規(guī)定了5W以下才不要求功率因數(shù)。似乎對于節(jié)能效果越好的燈具，對PF的要求就越苛刻！這實在是很難理解的！

　　因為現(xiàn)在對小功率的LED的功率因數(shù)有規(guī)定了，那么對這種非線性系統(tǒng)的功率因數(shù)總應(yīng)該有個定義。要不然怎么來測試？然而，要對非線性系統(tǒng)的功率因數(shù)做個定義實在是太難了。為此，很多人提出了各種建議：

　　1. 利用電流的基波和電壓之間的相位差的余弦作為功率因數(shù)?？墒且驗殡娏鞯幕ㄊ菑母凳献儞Q得來的，傅氏變換只能等到它的幅度，而不能得到它的相位，相位是相對的，必須有一個對照才能夠得到相位。而在做傅氏變換時并沒有把電壓的相位作為基準(zhǔn)，所以得到的結(jié)果也沒有相位。所以這種建議是無法實現(xiàn)的。

　　2. 把電流的過零點作為電流的起始相位，把這個相位和電壓的相位差的余弦作為功率因數(shù)。但是因為電流的波形并不是正弦波，而是脈沖波。所以把一個脈沖波的過零點作為其起始相位也是沒有道理的。

　　3. 最后終于有人想出一個很勉強(qiáng)的定義，就是把功率因數(shù)定義為有功功率和無功功率之比。

　　PF = 有功功率/無功功率

　　雖然在正弦波的線性系統(tǒng)里，如果用這個定義，至少在絕對值上是和Cosφ的絕對值是一樣的。有功功率就是把電流投影到電壓軸上再乘以電壓值。而無功功率就是直接把電流矢量和電壓矢量相乘而不考慮其相位差。顯然，在線性系統(tǒng)里其絕對值是和Cosφ的絕對值是一致的，但是這種比值卻是沒有正負(fù)號的。

　　而且，如何在一個非線性系統(tǒng)里定義有功功率和無功功率也是一個很大的問題。

　　現(xiàn)在大多數(shù)是采用如下的公式：

　　稱為相位因素

　　至于什么是相位因素就無人回答了。因為這個相位是無法得出的。

　　而且如果在非線性系統(tǒng)里用這個定義也就丟掉了功率因數(shù)Cosφ的正負(fù)號，因為功率是沒有負(fù)功率的。由于所有的數(shù)字式功率因數(shù)計都采用了這個定義，結(jié)果也就丟掉了正負(fù)號。沒有正負(fù)號的功率因數(shù)也失去了制定功率因素的根本意義！

　　實測的功率因數(shù)

　　我們現(xiàn)在就來看一下真實世界里的功率因數(shù)情況。正因為其中的視在功率是很難定義的，也是很難測定的，所以就出現(xiàn)了采用不同的儀器測出的結(jié)果不一樣。舉例來說，有一個11瓦的球泡燈，其中采用了橋式整流器加上10uF電解電容，采用三種儀器測量，測出的結(jié)果如下：

　　三種儀器測試誤差高達(dá)8%以上，完全不像測電壓測電流測功率那么精準(zhǔn)！

　　這么大的誤差，假如要求PF一定要大于0.5，那么只要采用同惠的功率因數(shù)計，但是假如檢測方一定要堅持采用遠(yuǎn)方的測試數(shù)據(jù)那就不合格了。這樣的結(jié)果簡直是使人們無所適從

　　想來想去應(yīng)該采用電工系統(tǒng)里經(jīng)官方認(rèn)證的最經(jīng)典的Cosφ計來測，其結(jié)果才最具有權(quán)威性。而且Cosφ測試儀不像數(shù)字測試儀，還能夠得出正負(fù)號的。

　　指針式功率因數(shù)計

　　仔細(xì)搜索一下可以發(fā)現(xiàn)正式電力系統(tǒng)采用的功率因數(shù)計大多數(shù)是指針式的，這種功率因數(shù)計也稱為Cosφ計。有單相的，也有三相的。這種電動式的動圈式功率因數(shù)表的轉(zhuǎn)動線圈改為二個垂直的動圈。電表的磁場由負(fù)載電路中的電流產(chǎn)生。垂直的動圈分別為A和B，A線圈串接電阻后與負(fù)載線路并聯(lián)，B線圈串接電感后與負(fù)載線路并聯(lián)，因此B線圈的電流會較A線圈落后。在功率因數(shù)為1時，A線圈的電流會和負(fù)載電流同相，因此A線圈會產(chǎn)生最大的力矩，使功率因數(shù)表的指針指向1.0的刻度。若功率因數(shù)為0時，B線圈的電流會和負(fù)載電流同相，因此B線圈會產(chǎn)生力矩，使功率因數(shù)表的指針指向0的位置。若功率因數(shù)界于0和1之間，會依二個線圈產(chǎn)生力矩的大小決定最后指針的位置。其外形如下。

　　指針式功率因數(shù)計 測試時的連接圖

　　我們對一個102W的LED光引擎采用了數(shù)字式和指針式兩種功率因數(shù)計，其測試結(jié)果如下：

　　光引擎的整流器（采用124uF電解電容） 帶恒流源的102W光引擎

　　采用數(shù)字式功率和功率因數(shù)計所得結(jié)果和采用指針式功率因數(shù)計測得結(jié)果完全不同。

　　數(shù)字式測得PF = 0.6590 指針式測得PF = +0.9

　　這個結(jié)果是非常令人驚喜的，因為不需要加任何功率因數(shù)補(bǔ)償就可以得到+0.9 的功率因數(shù)！而且這是最權(quán)威的結(jié)果，也是應(yīng)該得到官方的承認(rèn)的。

　　功率因數(shù)的重要性和提高功率因數(shù)的方法

　　功率因數(shù)是衡量企業(yè)供電系統(tǒng)電能利用程度及電氣設(shè)備使用狀況的一個具有代表性的重要指標(biāo)之一，通常使用cosφ表示，我們可以用以下幾項來介紹功率因數(shù)的重要性，及提高功率因數(shù)的方法。

　　1 有功功率和無功功率

　　企業(yè)的用電設(shè)備大部分都用電磁感應(yīng)原理來工作的，比如：變壓器、電焊機(jī)、電磁感應(yīng)式電動機(jī)等等，它們都是靠電能轉(zhuǎn)化成電磁能再轉(zhuǎn)化為電能或機(jī)械能來實現(xiàn)的能量轉(zhuǎn)換，這樣，用電設(shè)備就必須從電網(wǎng)上吸收兩種能量，一部分能量用于做功，即前邊提到得機(jī)械能或熱能，這部分能量大部分是為了滿足生產(chǎn)和生活的需要，稱為有功功率。另一部分能量用來產(chǎn)生交變磁場，它是變壓器、電焊機(jī)或電感線圈形成能量轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)慕橘|(zhì)，沒有了磁場，就沒有了傳輸能量的介質(zhì)，從而使能量只能在電源或用電設(shè)備內(nèi)部消耗，而不能對外傳輸，不能對外做功，這部分功率叫做無功功率。無功，顧名思義就是無用功，其實它并不是沒有用，沒有它，任何能量都只能自己消耗，不能傳輸，然而它確實在能量轉(zhuǎn)換的過程中沒有轉(zhuǎn)換成其它能量，所以叫作無功功率。有功功率和無功功率都是電能運用所必須的，若有功功率不足，就不能滿足用電負(fù)荷的需要，會將電網(wǎng)電壓拉低，系統(tǒng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變慢，發(fā)電頻率降低，影響用電質(zhì)量，威脅發(fā)電廠和各用電設(shè)備的安全。若無功功率不足，系統(tǒng)電壓也會降低，電流將會升高，電機(jī)過流過熱，會導(dǎo)致用電設(shè)備絕緣破壞，甚至燒毀。

　　2 功率因數(shù)

　　功率因數(shù)是衡量企業(yè)供電系統(tǒng)電能利用程度及電氣設(shè)備使用狀況的一個具有代表性的重要指標(biāo)之一，通常使用cosφ表示。一個供電設(shè)備的供電容量通常是用視在功率表示，字面意思就是我們所能看到的功率，即表見功率，但不是真實功率，它的真實功率是由視在功率和功率因數(shù)的乘積決定的。所以說功率因數(shù)是一個非常重要的供電指標(biāo)，而視在功率是由有功功率的平方與無功功率的平方和，開跟號得到的。視在功率確定后，有功功率分量高就稱為功率因數(shù)高，有功功率分量低就稱為功率因數(shù)低，有功功率和無功功率都是靠發(fā)電機(jī)發(fā)出的，然而用電設(shè)備所需要的功率會因設(shè)備的感性和容性不同而不同，當(dāng)用電設(shè)備是感性時，用電設(shè)備的電壓會超前電流90°;當(dāng)用電設(shè)備是容性時，電流超前電壓90°，兩個分量將在一條直線上，但方向相反，用電設(shè)備中感性的居多，所以這就需要一個容性的負(fù)荷進(jìn)行無功補(bǔ)償了。

　　3 有功功率和無功功率的三角關(guān)系

　　上述講的有功功率和無功功率可以用直角三角形的關(guān)系來描述：三角形的兩條直角邊，一個表示有功功率，一個表示無功功率，它們的斜邊就是視在功率，有功功率和視在功率之間的夾角就是功率因數(shù)角，功率因數(shù)角的余弦值就是功率因數(shù)。無功功率越少，功率因數(shù)角就越小，它的余弦值就越大，有功功率和視在功率就越接近，也就是說，能量的轉(zhuǎn)換效率也就越高。這就提出了一個問題，怎樣減少發(fā)電機(jī)的無功輸出？或者說怎樣減少感性負(fù)何的無功吸收？

　　4 提高功率因數(shù)的意義

　　由上述3可以看出，要使發(fā)電廠和供電所更有效利用資源進(jìn)行電能的轉(zhuǎn)換和傳輸，就必須合理的進(jìn)行有功功率和無功功率的分配，在無功功率配置合理的情況下，盡量的多發(fā)有功，減少無功功率的輸出。那就要提高用電設(shè)備的功率因數(shù)。當(dāng)供電系統(tǒng)中輸送的有功功率維持恒定的情況下，無功功率增大即功率因數(shù)的降低，就會引起：

　?、傧到y(tǒng)中輸送的總電流增大，使電氣元件，如變壓器、電抗器、導(dǎo)線等容量增大，從而擴(kuò)大了企業(yè)投資;

　　②由于無功功率增大，造成輸電電流增大，從而也會增大供電設(shè)備的有功損耗;

　?、垡驗橄到y(tǒng)中的總電流增大，所以電壓損失增大，造成調(diào)壓困難;

　?、軐Πl(fā)電機(jī)來說，轉(zhuǎn)子溫度升高，發(fā)電機(jī)達(dá)不到預(yù)期出力;

　?、萦捎谙到y(tǒng)電流增大，系統(tǒng)電壓降低，會造成其他設(shè)備不能正常出力。所以，我們必須提高供電系統(tǒng)的功率因數(shù)。

　　5 提高功率因數(shù)和無功補(bǔ)償

　　企業(yè)的感性負(fù)荷大部分是異步電動機(jī)，運行時要消耗一定的無功功率，使得電動機(jī)和輸電線路的電流增大，如果給電動機(jī)增加就地補(bǔ)償電容，不但可以使線路及配電裝置的輸送電流減小，而且還可以減少有功損耗，減少初期的投資容量。下面給出異步電動機(jī)的無功補(bǔ)償計算公式，以供大家參考：

　　設(shè)補(bǔ)償前電動機(jī)的無功功率為Q1，補(bǔ)償電容器后的無功功率為Q2，則補(bǔ)償電容器的無功功率為：

　　Qc=Q1-Q2=P1（tanφ1-tanφ2）=

　　式中：P1、P2為電動機(jī)運行時輸入/輸出的有功功率，η為電動機(jī)運行時的效率，φ1、φ2為電容器補(bǔ)償前后的功率因數(shù)角。

　　補(bǔ)償前的功率因數(shù)：cosφ1=（cosφe）1/k，式中：cosφe為電動機(jī)額定負(fù)載時的功率因數(shù)，可從產(chǎn)品目錄中查得，k為電機(jī)定子電流負(fù)載率，k=I1/Ie，其中I1為電機(jī)運行時的實測定子電流（A），Ie為電機(jī)的額定電流（A）。

　　補(bǔ)償后的功率因數(shù)一般是0.95左右，如果再高，投入的成本太大，不經(jīng)濟(jì)，確定了所需補(bǔ)償?shù)臒o功功率Qc之后，那么補(bǔ)償電容量C=式中：f為電源頻率（Hz），Ue為電機(jī)額定電壓（V），Qc為電容補(bǔ)償?shù)臒o功功率（Var）。

　　注意：個別補(bǔ)償?shù)碾娙萑萘繎?yīng)根據(jù)電動機(jī)的功率、負(fù)載率及電網(wǎng)情況適當(dāng)考慮，避免過補(bǔ)償或欠補(bǔ)償狀態(tài)的出現(xiàn)。

　　6 補(bǔ)償方式

　　工業(yè)企業(yè)中常用的電容器補(bǔ)償方式大概有三種：集中補(bǔ)償、分組補(bǔ)償和單個補(bǔ)償。企業(yè)電力系統(tǒng)的補(bǔ)償方式的選擇，要視企業(yè)的具體情況而定。比如：從無功就地平衡來說，單個補(bǔ)償?shù)男Ч詈茫▎蝹€補(bǔ)償應(yīng)用于大容量、長期運行、無功功率需要較大的設(shè)備，或者輸電線路較長的設(shè)備，不便于實現(xiàn)分組補(bǔ)償?shù)膱龊希@種方式可以減少配線電流，導(dǎo)線截面，配電設(shè)備的容量），不論采取什么樣的補(bǔ)償方式，補(bǔ)償電容必須選擇適當(dāng)，而這一切都是為了提高電力系統(tǒng)的功率因數(shù)。

　　7結(jié)束語

　　根據(jù)功率因數(shù)進(jìn)行的無功補(bǔ)償可以有效的提高設(shè)備的利用效率，減小了企業(yè)的初期投資，對企業(yè)供用電的穩(wěn)定性有著深遠(yuǎn)的意義。