功率因数

功率因数是交流电路的重要技术数据之一。功率因数的高低，对于电气设备的利用率和分析、研究电能消耗等问题都有十分重要的意义。 

所谓功率因数，是指任意二端网络（与外界有二个接点的电路）两端电压U与其中电流I之间的位相差的余弦 。在二端网络中消耗的功率是指平均功率，也称为有功功率，它等于 

由此可以看出，电路中消耗的功率P，不仅取决于电压V与电流I的大小，还与功率因数有关。而功率因数的大小，取决于电路中负载的性质。对于电阻性负载，其电压与电流的位相差为0，因此，电路的功率因数最大；而纯电感电路，电压与电流的位相差为π／2，并且是电压超前电流；在纯电容电路中，电压与电流的位相差则为－（π／2），即电流超前电压。在后两种电路中，功率因数都为0。对于一般性负载的电路，功率因数就介于0与1之间。 

一般来说，在二端网络中，提高用电器的功率因数有两方面的意义，一是可以减小输电线路上的功率损失；二是可以充分发挥电力设备（如发电机、变压器等）的潜力。因为用电器总是在一定电压U和一定有功功率P的条件下工作，由公式 

可知，功率因数过低，就要用较大的电流来保障用电器正常工作，与此同时输电线路上输电电流增大，从而导致线路上焦耳热损耗增大。另外，在输电线路的电阻上及电源的内组上的电压降，都与用电器中的电流成正比，增大电流必然增大在输电线路和电源内部的电压损失。因此，提高用电器的功率因数，可以减小输电电流，进而减小了输电线路上的功率损失。 

功率因数＝有功功率／视在功率 
功率因数低，说明电路中用于交变磁场吞吐转换的无功功率大，从而降低了设备的利用率，增加线路供电损失。因此，供电部门对用户的功率因数有着一定的标准要求。提高功率因时常用的方法就是在电感性电器两端并联静电电容器，这样将电感性电器所需的无功功率，大部分转交由电容器共给，把交变磁场与电源的吞吐转为磁场与电容电场之间的吞吐，从而使发电机电源能量得到充分利用，所以说提高功率因数具有很大经济意义。

 

 

由于视在功率等于网络端钮处电流、电压有效值的乘积，而有效值能客观地反映正弦量的大小和他的做功能力，因此这两个量的乘积反映了为确保网络能正常工作，外电路需传给网络的能量或该网络的容量。

　　由于网络中既存在电阻这样的耗能元件，又存在电感、电容这样的储能元件，所以，外电路必须提供其正常工作所需的功率，即平均功率或有功功率，同时应有一部分能量被贮存在电感、电容等元件中。这就是视在功率大于平均功率的原因。只有这样网络或设备才能正常工作。若按平均功率给网络提供电能是不能保证其正常工作的。

　　因此，在实际中，通常是用额定电压和额定电流来设计和使用用电设备的，用视在功率来标示它的容量。

　　另外，由于电感、电容等元件在一段时间之内储存的能量将分别在其它时间段内释放掉，这部分能量可能会被电阻所吸收，也可能会提供给外电路。所以，我们看到单口网络的瞬时功率有时为正有时为负。

　　在交流电路中，我们将正弦交流电电路中电压有效值与电流有效值的乘积称为视在功率，即S=UI视在功率不表示交流电路实际消耗的功率，只表示电路可能提供的最大功率或电路可能消耗的最大有功功率。

　　在整个RLC串联电路中吸收的瞬时功率为;P=Pr+Pc+Pl

　　=RI平方[1+cos(2wt)]-(wl-1/wc)I平方sin(2wt)

　　它是一个频率为正弦电流或电压频率2倍的非正弦周期量。第一项始终是大于或等于零。是瞬时功率的不可逆部分，为电路所吸收的功率，不再返回外部电路。第二项表明，电感和电容的瞬时功率反相，在能量交换过程中，彼此互补，电感吸收或释放能量时。恰好是电容释放或吸收能量。彼此互补后的不足部分由外部电路补充，可通过一端口的U.I &z从如下几个方面反映正弦稳态电路的功率状态。

　　1，有功功率P P=UIcos&z ,表示实际吸收的功率。单位用瓦特表示

　　2,无功功率Q Q=UIsin&z此能量在往复交换的过程中，没有消耗掉。单位用VAR表示

　　3，视在功率S S=UI

　　4,&z称为功率因数角。是电压超前电流的相位差。

 

 

功率因数指的是有效功率与总耗电量(视在功率)之间的关系，也就是有效功率除以总耗电量(视在功率)的比值。 基本上功率因素可以衡量电力被有效利用的程度，当功率因素值越大，代表其电力利用率越高。

 

 

UPS功率因数越大越好吗?

长期以来不论是ＵＰＳ的供应商还是用户，在ＵＰＳ功率因数问题上，一直是一个争论的焦点：用户声言要高功率因数的ＵＰＳ，供应商也说这个因数越大越好，于是厂家就尽全力去提高这个因数。到底ＵＰＳ的功率因数是大了好还是小了好呢？ 

ＵＰＳ有两个功率因数值：输入功率因数和输出功率因数。输入功率因数表示ＵＰＳ对电网有功功率吸收的能力及对电网影响的程度；输出功率因数表示ＵＰＳ对非线性负载的适应能力。当然，对输入功率因数的要求是越高越好，而ＵＰＳ的输出功率因数却不一定越大越好，现就这个问题进行讨论。 

１　基本概念 

·视在功率：即交流电压和交流电流的乘积。ＵＰＳ说明书上的功率伏安值就是指ＵＰＳ的额定输出电压和额定输出电流的乘积，用公式表示为：Ｓ ＝ ＵＩ式中，Ｓ是ＵＰＳ的额定输出功率，单位是ＶＡ（伏安）；Ｕ是ＵＰＳ的额定输出电压，单位是Ｖ 如２２０Ｖ ３８０Ｖ等；Ｉ是ＵＰＳ的额定输出电流，单位是Ａ。 

视在功率包括两部分：有功功率（Ｐ）和无功功率（Ｑ）。 

·有功功率是指直接做功的部分。比如使灯发亮，使电机转动，使电子电路工作等。因为这个功率做功后都变成了热量，可以直接被人们感觉到，所以有些人就产生一个错觉，即把有功功率当成了视在功率，孰不知有功功率只是视在功率的一部分，用式表示：Ｐ ＝ Ｓｃｏｓθ ＝ ＵＩｃｏｓθ ＝ ＵＩ·Ｆ式中，Ｐ是有功功率，单位是Ｗ（瓦）；Ｆ ＝ ｃｏｓθ 被称为功率因数，而θ是在非线性负载时电压电流不同相时的相位差。 

功率因数表征着ＵＰＳ输出有功功率的能力。 

·无功功率是储藏在电路中但不直接做功的那部分功率，用式表示：Ｑ ＝ Ｓｓｉｎθ ＝ ＵＩｓｉｎθ 式中，Ｑ为无功功率，单位是ｖａｒ（乏）。 

对于计算机和其它一切靠直流电压工作的电子电路，离开无功功率是根本无法工作的。 

一般用户都认为计算机之类的设备只需要有功功率，而不需要无功功率。既然无功功率不做功，要它何用！于是他们当然就认为功率因数为１的电源最好。因为它能给出最大输出功率，当然也就认为ＵＰＳ输出功率因数小了就不好。然而，实际情况并非如此。 

假如有一台计算机，当交流市电输入后进行整流，就得到图１中ＵＤＣ的脉动直流电压，若不将脉动电压进行任何加工，就直接提供给计算机电路，毫无疑问，电路根本无法正常工作。虽然这时计算机的功率因数接近于１，可这又有何用呢。为了让计算机电路能正常工作，必须向其提供平滑了的直流电压。这个“平滑”工作必须由接在计算机电源整流器后面的滤波电容器Ｃ来完成。这个滤波器就像一个水库，电容器里面必须储存足够数量的电荷，在整流半波之间的空白时，使电路上的工作电压仍不间断，能保持正常电平。换句话说，即使在两个脉动半波之间无输入电能时，Ｕｃ的电压电平也无显著的变化，这个功能是靠电容器内的储能来实现的，储存在电容器内的这部分能量就是无功功率。所以说，计算机是靠无功功率的支持，才能保证电路正确运用有功功率实现正常运行的。 

因此可以说，计算机不但需要有功功率，也需要无功功率，两者缺一不可！ 

３　ＵＰＳ的输出功率因数并不是越大越好 

ＵＰＳ很少被用来照明或带电热器之类的线性负载，绝大多数用作像计算机或类似计算机的电子设备供电。这类设备一般都在内部设置了ＰＷＭ电源，而这种电源的特点就是直接将输入市电整流滤波。如前所述，这些设备对市电（或ＵＰＳ输出）构成了非线性负载，功率因数Ｆ＝０．６～０．７。为了使ＵＰＳ和计算机匹配，ＵＰＳ最好也具有功率因数０．６～０．７的值，如美国的ＡＰＣ、瑞士的ＩＭＥＬ和ＩＭ０６１等都具有这样的输出功率因数。 

功率因数是大了好还是小了好呢？为说明这个问题，可以看一下图２的逆变器。 

输出特性与功率因数的关系，也就是ＵＰＳ输出与功率因数的关系。 

（１） 当功率因数Ｆ＝１时 

ＵＰＳ只能输出额定容量的８０％，而且这是有功功率，这时的无功功率为０，对计算机这样的非线性负载而言，显然无法应用。 

众所周知，一个电源输出最大功率的条件是电源内阻和负载电阻值相等。比如从理想和极端的情况看，１ｋＶＡ ＵＰＳ的负载电阻是Ｒ＝Ｕ ２／Ｐ＝２２０２／１０００＝４８．４Ω那么电源内阻也是４８．４ Ω，而且是纯电阻，莫说带脉冲负载，就是电流稍有变化，也会造成输出电压Ｕ的大幅度变化。比如电流增加１Ａ，则输出电压就会下降： 

Ｕ＝４８．４×１＝４８．４（Ｖ）因此像图１中电流Ｉ波形更无法适应。因为计算机向ＵＰＳ索取的脉冲电流幅度为其平均电流的３倍以上。在这样的脉冲负载下，电源将无法正常供电。当然，这只是一个极端的例子，实际中情况要好得多。故功率因数Ｆ＝１的情况下，如果这个因数只仅仅是１而无变化余地，那麽就只能带线性电阻负载，且过载能力较差。 

总之，Ｆ＝１的ＵＰＳ，一般说来，对输入功率因数尚未校正过的计算机负载而言，没有什么实际使用价值。比如计算机功率因数取平均值０．６５，设１０ ｋＶＡ的ＵＰＳ在Ｆ＝１时仅能输出功率为８０００Ｗ（ＶＡ），如果带４０台功率为２００Ｗ的计算机，乍看起来正好满载，其实不然，还有无功功率未计入，若计入后，视在功率Ｓ＝Ｐ／Ｆ＝８０００／０．６５＝１２３０８（ＶＡ）＝１．２３ ｋＶＡ 所以，上述情况已过载２３％了。而且Ｆ为１时 ，ＵＰＳ也并不能将１００％的ＶＡ值变成Ｗ。如果简单地认为功率因数多大就能给出多大的所谓“有用的”有功功率，而无功功率是“无用的”，那么就误会了！ 

（２） Ｆ＝０．８及０．８以下时 

以往的ＵＰＳ都把功率因数作成０．８，其根据何在呢？由图２的曲线可以看出，在输出功率因数为０．８时，正好可以输出１００％的额定功率ＶＡ值。由图２上也可以看出，当Ｆ＝０．７时，可以输出１１４％的ＶＡ功率值，即负载功率因数越小，输出的ＶＡ功率值就越大。换句话说，对付非线性负载的能力也越强，而计算机恰恰是典型的非线性负载，而且功率因数在０．６～０．７之间，所以只有ＵＰＳ的输出功率因数作成与其相应，才构成最佳配合。所谓最佳配合，是指在这种情况下，当有功功率用满了，同时无功功率也用满了时才能充分发挥设备的潜力。 

（３） 功率因数０．８＜Ｆ＜１．０时由图２也可以看出，当功率因数Ｆ＝０．９时，ＵＰＳ只能输出整个视在功率的８９％。从使用角度看，应用于此范围的设备似乎不多，而且ＵＰＳ的输出也打了折扣，因此意义不大。 

这里讨论的主要是滞后功率因数，原因是绝大部分电子电路负载都是感性的。所以一般ＵＰＳ不能带大容性负载，只有那些在说明书上特别标明有超前功率因数这一项的方可带容性负载。 

实际上，ＵＰＳ输出功率因数的真正含义是适应负载的能力，即能适应多大功率的负载。比如，在一定功率范围内，如果是线性负载，ＵＰＳ的输出功率因数就是１；如果是计算机之类的非线性负载，ＵＰＳ的输出功率因数就是０．６～０．７。也就是说，ＵＰＳ的输出功率数Ｆ是随负载而变的。但需说明的是：如果ＵＰＳ说明书上标明Ｆ＝０．６～０．９或１，ＵＰＳ就可适应上述０．６～１的负载。但若只标了一个０．９或１，就不一定能带满负荷的计算机负载。如果ＵＰＳ的功率因数是超前０．０或滞后０．０，那么它就可以带全范围任何性质的负载。德国ＥＧＢ公司的１００和３００系列５～２００ ｋＶＡ及ＢＥＮＮＩＮＧ公司的５～１２０ ｋＶＡ的ＵＰＳ就具有这样的功率因数。 

因此ＵＰＳ功率因数的技术含量在小而不在大，一般用户关心的功率因数就应当是０．８以下而不是以上。不然，在作电源容量设计时就会出错甚至会造成不易挽回的损失。比如有５０套包括监视器在内的功率为１８０ Ｗ的电脑总功率是１８０Ｗ×５０＝９０００ Ｗ选择ＵＰＳ的功率应当是： 

Ｐ＝９０００ Ｗ÷０．６ ＝ １５０００ ＶＡ为了留有余量取Ｆ＝０．６而不是０．６５根据上式应选１５ｋＶＡ的ＵＰＳ一台但若按着错误的算法就会选一台功率因数大于０．９的１０ ｋＶＡ ＵＰＳ该ＵＰＳ比正确值小了５０％肯定带不动上述电脑只好再买一台来增容。容量小事情好办若是把１５０ ｋＶＡ错买成１００ ｋＶＡ，把３００ ｋＶＡ错买成２００ ｋＶＡ呢……

至于实现高功率因数难还是实现低功率因数难的问题，举个例子：Ｆ ＝ ±０．０的含义是可带纯电抗负载即负载上的电压和电流相位差是９０°。也就是说电压过零时电流最大或者相反这就不是一般ＵＰＳ可做到的。尤其是Ｆ＝１的ＵＰＳ。因为这要增加专门的电路和环节。功率因数为０．６时电压和电流的相位差虽不是９０°也有５７°之多同样存在增加电路环节的问题。因为上述负载意味着电压电流不同时过零那么逆变器在哪一个零点截止呢不增加电路环节肯定不行。反之在Ｆ＝１的负载上电流电压同时达到最大值同时过零因无相位差对逆变器而言就容易多了。可以这样说：小功率因数包含有大功率因数的特点而大功率因数的ＵＰＳ就办不了小功率因数的事。当然有时Ｆ＝０．８的ＵＰＳ也可以带计算机那是在“大马拉小车”的情况下，当接近额定功率时就显出它的弊病了。 

４　输入功率因数的补偿与效果 

不论是输入功率因数还是输出功率因数都可用一定的手段提高。问题是有无这个必要。因为功率因数的补偿必然伴随着器材的消耗和功耗。比如ＩＭＶ、 Ｆｅｎｔｏｎ等多数 ＵＰＳ，在通常情况下均采用６脉冲输入可控硅整流器，因此功率因数平均值只能作到０．８左右。提高功率因数的方法一是采用１２脉冲整流器  如Ｓｉｔｅｐｒｏ Ｆｅｎｔｏｎ等ＵＰＳ作为选件的１２脉冲整流器采用后，再加上无源滤波，由于极大地抑制了电流谐波分量由原来的近３０％的谐波电流分量削减到１０％以下  因此功率因数都可提高到０．９５以上。ＡＰＣ的ＳＩＬＣＯＮ ＤＰ３００Ｅ系列ＵＰＳ的出现就非常容易地解决了这个问题。 

一般说，输入功率因数的提高对输入电网有利，因为它减小了对电网的干扰。对ＵＰＳ来说，好处不明显。因为ＵＰＳ需要多少功率仍是按照自已的方式和要求吸取，大概这也是一般ＵＰＳ不急于解决这个问题的另一个原因。 

另一方面，ＵＰＳ的输出功率因数尽管上限做到“１”，但电脑类负载中的ＰＷＭ电源由于其输入功率因数未进行校正，故仍按照本身的需要向ＵＰＳ索取能量。比如吸收０．６的有功功率（Ｗ）和０．８的无功功率（ＶＡＲ）。只要ＵＰＳ能适应这个负载，那么对Ｆ＝１的线性负载就更没问题。 

５　结语 

（１）ＵＰＳ的输出功率因数是表示适应不同性质负载的能力，而不单是提供有功功率的百分比。ＵＰＳ输出功率因数为０．８的含义是：当负载功率因数为０．８时，就可以获得１００％的ＵＰＳ额定功率；当负载功率因数为０．６时，上述ＵＰＳ的输出功率就会大打折扣。 

（２）输出功率因数Ｆ＝１时只能给出８０％额定输出的有功功率；Ｆ＝０．８时才可输出１００％的额定功率而且功率因数Ｆ越小，输出的视在功率的ＶＡ值就越大，Ｆ＝０．０时最大。 

（３）小功率因数包含着大功率因数的功能，而不是相反。 

（４）计算机功率的计算一般应是： 

Ｓ ＝∑Ｐｉ ／ ０．６５ ｉ＝ １～ｎ式中， Ｓ是ｎ台电脑的总视在功率ＶＡ值；Ｐｉ是１台电脑的有功功率Ｗ值；０．６５是电脑功率因数为０．６～０．７时的平均值。如果电脑资料上标的就是视在功率ＶＡ值那么就去掉分母中的０．６５直接相加即可。 

（５）ＵＰＳ的输出功率因数大小随负载性质而变，并不是ＵＰＳ要给负载输出什么性质的功率，而是负载需要什么性质的功率。ＵＰＳ应该适应负载，而不是负载去适应ＵＰＳ。