一文详解功率因数

关于功率因数的讨论网上也有不少文章，但很多人仍然对一些概念存有误解，这将为系统的设计带来诸多危害，有必要在此再加以澄清。

一、功率因数的由来和含义

在电子领域的负载有三个基本品种：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。 日常所用的交流电在纯电阻负载上的电压和电流是同相位的，即相位差q = 0°，如图1(a)所示; 交流电在纯电容负载上的电压和电流关系是电流超前电压90°(q =90°)，如图1(b)所示; 交流电在纯电感负载上的电压和电流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

功率因数的定义是：

(1)

在电阻负载上的有功功率就是视在功率，即二者相等，所以功率因数F=1。 而在纯电容和纯电感负载上的电流和电压相位差90°，所以所以功率因数F=cosq = cos90°=0，即在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，同样是一个电源，对于不同性质的负载其输出的功率的大小和性质也不同，因此可以说负载的性质决定着电源的输出。 换言之，电源的输出不取决于电源的本身，就像一座水塔的供水水流取决于水龙头的开启程度。

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一个参数。 而且一般说一个负载只有一种性质，就像一个人只有一个身份证号码一样。 这种性质的确定是从负载的输入端看进去，称为负载的输入功率因数。 一个负载电路完成了，它的输入功率因数也就定了。

比如UPS作为前面市电或发电机的负载而言，比如六脉冲整流输入的UPS，其输入功率因数就是0.8，不论前面是市电电网还是发电机，比如要求输入100kVA的视在功率，都需要向前面的电源索取80kW的有功功率和60kvar的无功功率。 如果UPS的输入功率因数是0.6，就需要向前面的电源索取60kW的有功功率和80kvar的无功功率。 像这样的输出分配，前面电源是“无权”决定的。

二、表征UPS输出能力的参数——负载功率因数

1. 负载功率因数被误称为“输出功率因数”

众所周知，在很早以前人们穿的鞋子都是由裁缝按照每个人的尺寸一对一制作的，到了现代由于社会的发展和分工，出现了很多工业。 比如制鞋工业需要预先做出很多鞋子以供社会需要，问题是做多大的鞋子？ 是男鞋还是女鞋? 这就需要事先有个规划，这个规划就来自于社会人群，多数人的脚是多大，男人和女人有何区别？ 于是就制定出男鞋和女鞋的样式及大小，这就是多少多少码。 UPS也是这样，总不能一对一地制造，也要事先根据当前用电器的形式和规模预先制造出一批或几批不同功率因数和功率规格的机器，以备市场现货销售。 预先制造出一批或几批UPS的根据就是负载功率因数。 当UPS的负载功率因数与负载的输入功率因数相等时，就称为完全匹配，UPS就可输出全部功率。 即37吗的鞋穿在37吗的脚上就正合适，否则就感到不舒服，那么这双鞋的舒适度就打了折扣。 UPS也是这样，遇到不匹配负载时，就必须降额使用。 图2示出了UPS负载功率因数与负载输入功率因数的关系。

图2 UPS负载功率因数与负载输入功率因数的关系

三、对负载功率因数的误解

有的就误把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认为UPS既然有输入功率因数就一定有输出功率因数，这样一来UPS的性质就有两种，从输入看进去是一种性质，从输出看进去又是另一种性质，误解了电路性质的唯一性。 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，那么应当在任何负载性质的条件下都可给出功率因数所指出的有功功率和无功功率。 比如被称为输出功率因数的数值为0.8时，在任何负载性质的条件下都可给出80kW的有功功率和60kvar的无功功率。 但实际上不是这样。 比如往往出现这种情况，当负载功率因数为0.8的100kVA UPS在带线性负载时，就会因过载而转旁路，这是其一; 其二，当用功率因数表测量UPS输出端时发现，在带线性负载时其功率因数值为1，当带二极管整流滤波输入的IT负载时其功率因数值又是0.7，怎么也出不来0.8!实际上这两种情况测得的都是负载的功率因数，所谓输出功率因数0.8根本就不会出现，除非带输入功率因数为0.8的负载时，但那时测得的也仍然是负载的功率因数。 即，只要带负载测量，测得的就是负载的功率因数。 这样一来，只有不带负载时才可测得UPS的“输出功率因数”，这时有功功率P的输出电流IP=0，视在功率S的输出电流IS=0，尽管二者的电压UP和US不为零，但根据式(1)

(2)

这个结果就是一个无理数。 功率因数表测试根本就测不出任何值。 也就是说所谓的“输出功率因数”没有任何操作性。

2. 负载功率因数的确定因素

那么负载功率因数为0.8的100kVA UPS在带线性负载时，为什么给不出80kW呢？ 一般这种情况下的工频机UPS设计是根据额定的有功功率选择逆变器，而无功功率部分由逆变器后面的电容器C来承担，如图3所示。 在图中的逆变器功率选择就是根据负载功率因数设定的。 这里是以负载功率因数为0.8的100kVA UPS为例的数字。 逆变器是根据80kW选择的功率管，电容器C的容量是根据输出的无功功率60kvar选定的(当然还需另外加上滤波时所需的容量)。 因为在全匹配负载时电容C的输出无功功率QC和负载上的容性无功功率负载上的感性无功功率 QL绝对值相等而符号相反，完全互补(直接相减)，即：

QC-QL=0

而且C和L形成的回路电流并不流经逆变器，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 一般工频机UPS与负载匹配情况下的主电路结构

所以在全匹配的条件下，负载功率因数为0.8的100kVA UPS能将80kW的有功功率和60kvar的无功功率全部输送给负载。 即在UPS的负载功率因数与负载的输入功率因数完全匹配时，负载上得到的功率就是：

(3)

如果负载的输入功率因数与UPS的负载功率因数不相等，情形又会怎样呢？ 比如后面的负载是线性负载，即负载的输入功率因数=1，这种情况经常出现在UPS带假负载考机情况，如图4所示。 在这里有一个很大的区别，负载中的电感部分没有了。 这就造成了逆变器后面电容器C的无功功率再也不能向负载端提供的局面。 由于60kvar的容抗XC是：

(4)

从上式可以看出，逆变器输出首先并联了一个小于1W的电抗，如果让逆变器输出端建立起220V的电压，首先要向电容C提供一个电流IC，其值的大小为：

(5)

而原来逆变器可以提供的电流IINV为：

(6)

很显然，必须从逆变器输出电流中减去上述的容性电流，余下的才是负载应得的电流Ir，即：

(7)

那么此时负载上能够得到的功率Pr就只有：

Pr =241A ́220V»53kW

(8)

图4 一般工频机UPS与线性负载不匹配情况下的主电路结构

或者用功率计算式得出同样的结果：

(9)

因此负载功率因数为0.8的100kVA UPS在带线性负载时，只能给出53kW的功率，在以往的机器中不止一次地证明了这个结论。 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就必须降额使用。 这是一般规律，当然对不同负载功率因数的UPS有着不同的降额值。

3. 对UPS功率因数的误解危害

正是由于有的用户将负载功率因数误认为是UPS的“输出功率因数”，不但将归属关系搞错了，而且还引出了一个根本不存在的概念。 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在带线性负载时也应给出80kW的输出功率”。 如果这种误解仅仅是个别用户，最多导致用户和供应商方面的矛盾。 但如果是制定标准者陷入这个误区，危害就是全国的UPS制造商。

比如原来都是进口的大功率UPS，在带线性实验负载时发现功率因数为0.8的100kVA UPS给不出80kW，于是就认为是厂家的产品不合格，在加之厂家也说不清楚原因，于是就只好加大逆变器的功率，也就是说在逆变器中必须也把60kvar的无功功率包含进去，即：

(10)

无形中将逆变器的造价增加了20%，但逆变器的驱动电路也比需相应地升级，那就不止20%了。 全国所有的厂家都必须照此办理，这个影响面就大了! 这样一来，80kW的输出功率是给出来了，可惜的是负载功率因数F就不是0.8了，因为陷入误区的制造商是不会将原来60kvar的无功功率作任何改变的，即仍然保留了60kvar的电容器，这样一来按着原来的对负载功率因数F的设计，就变成了：

(11)

当然，只要输出给够了80kW，至于此时的功率因数值也就无人顾及了。 如果真地有人看到了这一点，是不是认为这台100kVA 的UPS只要给出68.4kW就达标了!

很显然，这样的改变是不应该的，一来是损害了制造商的利益，二来也不符合科学道理，只是因为误解原因而人为地认为这样做。 甚至有的说：多数人同意这样做那就对。 要知道科学的问题不是靠举手表决解决的，自由落体的苹果就是要落在地上，再多的人举手表决也不会飞到天上去。

和负载功率因数并列的一个量就是UPS输出电压的谐波失真度，有的将二者混为一谈，认为只要输出电压的谐波失真度达到要求，那么负载功率因数也就知道了。 实际上在产品设计中负载功率因数和谐波失真虽然有些联系，但不是一码事，各自的考虑不同。 谐波失真度就好比是衡量这件衣服做得活计好不好，针脚密不密，样式好不好。 而功率因数表示的则是男服装还是女服装，是多大号的衣服，等等。 所以这两个指标且不可厚此薄彼，甚至舍弃其中之一。

更不能令人放心的是有些读者至今仍认为功率因数是百分数，常听到有人问：你的UPS的输入功率因数是百分值多少？ 这从上面的计算就可清楚地看到，有功功率和无功功率是正交关系。 从式(11)也可看到视在功率、有功功率和无功功率三者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是不能直接加减的。 比如上面的例子，如果将80kW看做80%，那么60kvar就是60%，这样一来有功功率和无功功率加在一起就是140%，显然是不对的。 这个最基本的基本概念如果搞不清楚，其他概念就很难去理解了!

审核编辑：汤梓红