（Power Factor)是衡量電氣設備效率高低的一個系數。它的大小與電路的負荷性質有關，如白熾燈泡、電阻爐等電阻負荷的功率因數為1，一般具有電感性負載的電路功率因數都小于1。功率因數低，說明無功功率大， 從而降低了設備的利用率，增加了線路供電損失。

關于功率因數的(de)討(tao)論網(wang)上也有(you)不少文章，但很(hen)多人(ren)仍然對(dui)一些概(gai)念(nian)存有(you)誤(wu)解，這將為系統的(de)設計帶來諸多危(wei)害，有(you)必要在此再加(jia)以澄清。

一、功率(lv)因數的(de)由來和含義(yi)

在電氣領域的負載有三個基本品種：電阻、電容和電感。電阻是消耗功率的器件，電容和電感是儲存功率的器件。日常所用的交流電在純電阻負載上的電壓和電流是同相位的，即相位差q = 0°，如圖1(a)所示；交流電在純電容負載上的電壓和電流關系是電流超前電壓90°(q =90°)，如圖1(b)所示；交流電在純電感負載上的電壓和電流關系是電流滯后電壓90°(q = -90°)，如圖1(c)所示。

圖1 不同性質(zhi)負載上的電(dian)流(liu)電(dian)壓關系

功率因數的定義是：

(1)

在(zai)(zai)電(dian)(dian)阻負(fu)載上的有功(gong)功(gong)率(lv)就(jiu)是視在(zai)(zai)功(gong)率(lv)，即二者相等(deng)，所以功(gong)率(lv)因(yin)(yin)數F=1。而(er)在(zai)(zai)純(chun)(chun)電(dian)(dian)容(rong)和純(chun)(chun)電(dian)(dian)感負(fu)載上的電(dian)(dian)流和電(dian)(dian)壓相位差90°，所以所以功(gong)率(lv)因(yin)(yin)數F=cosq = cos90°=0，即在(zai)(zai)純(chun)(chun)電(dian)(dian)容(rong)和純(chun)(chun)電(dian)(dian)感負(fu)載上的有功(gong)功(gong)率(lv)為零(ling)。

從這里可(ke)以(yi)看出一(yi)個(ge)問題，同(tong)樣是一(yi)個(ge)電源(yuan)(yuan)，對于(yu)不同(tong)性(xing)質的負載其(qi)輸出的功率的大小(xiao)和性(xing)質也不同(tong)，因(yin)此可(ke)以(yi)說負載的性(xing)質決(jue)定(ding)著電源(yuan)(yuan)的輸出。換言之，電源(yuan)(yuan)的輸出不取(qu)決(jue)于(yu)電源(yuan)(yuan)的本身(shen)，就像一(yi)座水(shui)塔的供水(shui)水(shui)流取(qu)決(jue)于(yu)水(shui)龍頭的開(kai)啟程度。

從(cong)上面的(de)(de)討論可以看出，功(gong)率(lv)因(yin)數(shu)是表(biao)征負(fu)載性質(zhi)和(he)大小的(de)(de)一(yi)(yi)(yi)(yi)個(ge)(ge)參(can)數(shu)。而且一(yi)(yi)(yi)(yi)般說(shuo)一(yi)(yi)(yi)(yi)個(ge)(ge)負(fu)載只有一(yi)(yi)(yi)(yi)種(zhong)性質(zhi)，就像(xiang)一(yi)(yi)(yi)(yi)個(ge)(ge)人只有一(yi)(yi)(yi)(yi)個(ge)(ge)身份證號碼一(yi)(yi)(yi)(yi)樣。這種(zhong)性質(zhi)的(de)(de)確定是從(cong)負(fu)載的(de)(de)輸入(ru)(ru)端看進去，稱為(wei)負(fu)載的(de)(de)輸入(ru)(ru)功(gong)率(lv)因(yin)數(shu)。一(yi)(yi)(yi)(yi)個(ge)(ge)負(fu)載電(dian)路完成了，它的(de)(de)輸入(ru)(ru)功(gong)率(lv)因(yin)數(shu)也就定了。

比(bi)(bi)如(ru)UPS作(zuo)為前(qian)面(mian)市電(dian)或發電(dian)機的(de)(de)(de)(de)(de)負(fu)載而言(yan)，比(bi)(bi)如(ru)六脈沖整流輸入(ru)的(de)(de)(de)(de)(de)UPS，其(qi)輸入(ru)功(gong)(gong)(gong)(gong)率(lv)因數(shu)就是(shi)(shi)0.8，不論前(qian)面(mian)是(shi)(shi)市電(dian)電(dian)網還是(shi)(shi)發電(dian)機，比(bi)(bi)如(ru)要求輸入(ru)100kVA的(de)(de)(de)(de)(de)視在功(gong)(gong)(gong)(gong)率(lv)，都(dou)需要向(xiang)前(qian)面(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)源索取80kW的(de)(de)(de)(de)(de)有功(gong)(gong)(gong)(gong)功(gong)(gong)(gong)(gong)率(lv)和60kvar的(de)(de)(de)(de)(de)無功(gong)(gong)(gong)(gong)功(gong)(gong)(gong)(gong)率(lv)。如(ru)果UPS的(de)(de)(de)(de)(de)輸入(ru)功(gong)(gong)(gong)(gong)率(lv)因數(shu)是(shi)(shi)0.6，就需要向(xiang)前(qian)面(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)源索取60kW的(de)(de)(de)(de)(de)有功(gong)(gong)(gong)(gong)功(gong)(gong)(gong)(gong)率(lv)和80kvar的(de)(de)(de)(de)(de)無功(gong)(gong)(gong)(gong)功(gong)(gong)(gong)(gong)率(lv)。像這(zhe)樣的(de)(de)(de)(de)(de)輸出分配，前(qian)面(mian)電(dian)源是(shi)(shi)“無權”決定的(de)(de)(de)(de)(de)。

二、表(biao)征UPS輸出能力的(de)參數(shu)——負載功率因數(shu)

1. 負載功(gong)率因數被(bei)誤稱為(wei)“輸(shu)出(chu)功(gong)率因數”

UPS不能一對一地制造，也要事先根據當前用電器的形式和規模預先制造出一批或幾批不同功率因數和功率規格的機器，以備市場現貨銷售。預先制造出一批或幾批UPS的根據就是負載功率因數。當UPS的負載功率因數與負載的輸入功率因數相等時，就稱為完全匹配，UPS就可輸出全部功率。遇到不匹配負載時，就必須降額使用。圖2示出了UPS負載功率因數與負載輸入功率因數的關系。

圖(tu)2 UPS負載功(gong)率因數(shu)與負載輸入(ru)功(gong)率因數(shu)的關系

有的就誤把UPS的負載功率因數稱為UPS的輸出功率因數。這種誤解的來源大概認為UPS既然有輸入功率因數就一定有輸出功率因數，這樣一來UPS的性質就有兩種，從輸入看進去是一種性質，從輸出看進去又是另一種性質，誤解了電路性質的唯一性。既然是UPS的輸出功率因數，如前所述，如果UPS有輸出100kVA的能力，那么應當在任何負載性質的條件下都可給出功率因數所指出的有功功率和無功功率。比如被稱為輸出功率因數的數值為0.8時，在任何負載性質的條件下都可給出80kW的有功功率和60kvar的無功功率。但實際上不是這樣。比如往往出現這種情況，當負載功率因數為0.8的100kVA UPS在帶線性負載時，就會因過載而轉旁路，這是其一；其二，當用功率因數表測量UPS輸出端時發現，在帶線性負載時其功率因數值為1，當帶二極管整流濾波輸入的IT負載時其功率因數值又是0.7，怎么也出不來0.8!實際上這兩種情況測得的都是負載的功率因數，所謂輸出功率因數0.8根本就不會出現，除非帶輸入功率因數為0.8的負載時，但那時測得的也仍然是負載的功率因數。即，只要帶負載測量，測得的就是負載的功率因數。這樣一來，只有不帶負載時才可測得UPS的“輸出功率因數”，這時有功功率P的輸出電流IP=0，視在功率S的輸出電流IS=0，盡管二者的電壓UP和US不為零，但根據式(1)

(2)

這個結(jie)果就是一個無理(li)數。功率因數表測試根本就測不出(chu)任何值(zhi)。也就是說所謂的(de)“輸出(chu)功率因數”沒有(you)任何操(cao)作(zuo)性(xing)。

2.負載功率因數的確定因素

那么負(fu)(fu)載功(gong)(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)因(yin)數(shu)為(wei)(wei)0.8的(de)(de)100kVA UPS在(zai)帶線性負(fu)(fu)載時(shi)，為(wei)(wei)什么給(gei)不出80kW呢？一(yi)般(ban)這種情況(kuang)下(xia)的(de)(de)工頻機UPS設計是(shi)(shi)根(gen)據額(e)定的(de)(de)有功(gong)(gong)(gong)(gong)功(gong)(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)選(xuan)擇逆變器，而(er)無(wu)功(gong)(gong)(gong)(gong)功(gong)(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)部分由逆變器后面的(de)(de)電(dian)(dian)容(rong)(rong)器C來承擔，如圖3所(suo)示。在(zai)圖中的(de)(de)逆變器功(gong)(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)選(xuan)擇就是(shi)(shi)根(gen)據負(fu)(fu)載功(gong)(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)因(yin)數(shu)設定的(de)(de)。這里是(shi)(shi)以(yi)負(fu)(fu)載功(gong)(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)因(yin)數(shu)為(wei)(wei)0.8的(de)(de)100kVA UPS為(wei)(wei)例的(de)(de)數(shu)字。逆變器是(shi)(shi)根(gen)據80kW選(xuan)擇的(de)(de)功(gong)(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)管，電(dian)(dian)容(rong)(rong)器C的(de)(de)容(rong)(rong)量(liang)是(shi)(shi)根(gen)據輸出的(de)(de)無(wu)功(gong)(gong)(gong)(gong)功(gong)(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)60kvar選(xuan)定的(de)(de)(當然還需另外加上濾波時(shi)所(suo)需的(de)(de)容(rong)(rong)量(liang))。因(yin)為(wei)(wei)在(zai)全匹配負(fu)(fu)載時(shi)電(dian)(dian)容(rong)(rong)C的(de)(de)輸出無(wu)功(gong)(gong)(gong)(gong)功(gong)(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)QC和(he)負(fu)(fu)載上的(de)(de)容(rong)(rong)性無(wu)功(gong)(gong)(gong)(gong)功(gong)(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)負(fu)(fu)載上的(de)(de)感(gan)性無(wu)功(gong)(gong)(gong)(gong)功(gong)(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv) QL絕對值相等而(er)符號(hao)相反，完(wan)全互(hu)補(直接相減(jian))，即：QC-QL=0

而且C和L形成的回路電流并不流經逆變器，即無功電流不流經逆變器，UPS就是在這種設定條件下制造的。

圖3 一(yi)般工頻機UPS與負載匹配情況下(xia)的(de)主(zhu)電路(lu)結(jie)構

所以在全匹配的條件下，負載功率因數為0.8的100kVA UPS能將80kW的有功功率和60kvar的無功功率全部輸送給負載。即在UPS的負載功率因數與負載的輸入功率因數完全匹配時，負載上得到的功率就是：

(3)

如果負載的輸入功率因數與UPS的負載功率因數不相等，情形又會怎樣呢？比如后面的負載是線性負載，即負載的輸入功率因數=1，這種情況經常出現在UPS帶假負載考機情況，如圖4所示。在這里有一個很大的區別，負載中的電感部分沒有了。這就造成了逆變器后面電容器C的無功功率再也不能向負載端提供的局面。由于60kvar的容抗XC是：

(4)

從上式可以看出，逆變器輸出首先并聯了一個小于1W的電抗，如果讓逆變器輸出端建立起220V的電壓，首先要向電容C提供一個電流IC，其值的大小為：

(5)

而原來逆變器可以提供的電流IINV為：

(6)

很顯然，必須從逆變器輸出電流中減去上述的容性電流，余下的才是負載應得的電流Ir，即：

(7)

那么此時負載上能夠得到的功率Pr就只有：
Pr =241A´220V»53kW (8)

圖(tu)4 一般工(gong)頻機UPS與線性負載不匹(pi)配情況下(xia)的主電路結構

或者用功率計算式得出同樣的結果：

(9)

因此負載功(gong)(gong)率(lv)(lv)因數(shu)為0.8的(de)100kVA UPS在帶線性負載時(shi)，只能給(gei)出(chu)53kW的(de)功(gong)(gong)率(lv)(lv)，在以往的(de)機器中(zhong)不(bu)(bu)止一次地證(zheng)明了這個(ge)結論。也就是說(shuo)當負載的(de)輸入功(gong)(gong)率(lv)(lv)因數(shu)不(bu)(bu)等于UPS的(de)負載功(gong)(gong)率(lv)(lv)因數(shu)時(shi)，UPS就必須降額(e)使用(yong)。這是一般(ban)規律，當然對不(bu)(bu)同負載功(gong)(gong)率(lv)(lv)因數(shu)的(de)UPS有著不(bu)(bu)同的(de)降額(e)值。

3. 對UPS功率因數的誤解(jie)危害

正是(shi)由于有的(de)(de)(de)(de)用(yong)戶(hu)將負載功(gong)率(lv)(lv)因(yin)數誤(wu)認為是(shi)UPS的(de)(de)(de)(de)“輸(shu)出(chu)(chu)功(gong)率(lv)(lv)因(yin)數”，不但將歸屬關系搞錯了，而且還引出(chu)(chu)了一個根本(ben)不存(cun)在(zai)(zai)的(de)(de)(de)(de)概(gai)念。既然是(shi)“UPS的(de)(de)(de)(de)輸(shu)出(chu)(chu)功(gong)率(lv)(lv)因(yin)數”，那么UPS的(de)(de)(de)(de)輸(shu)出(chu)(chu)功(gong)率(lv)(lv)就(jiu)必須服從這個功(gong)率(lv)(lv)因(yin)數值，也(ye)就(jiu)是(shi)說“功(gong)率(lv)(lv)因(yin)數為0.8的(de)(de)(de)(de)100kVA UPS在(zai)(zai)帶線性負載時也(ye)應(ying)給出(chu)(chu)80kW的(de)(de)(de)(de)輸(shu)出(chu)(chu)功(gong)率(lv)(lv)”。如果這種誤(wu)解僅(jin)僅(jin)是(shi)個別用(yong)戶(hu)，最(zui)多導致用(yong)戶(hu)和供應(ying)商(shang)方面的(de)(de)(de)(de)矛盾。但如果是(shi)制(zhi)定標準者陷入這個誤(wu)區，危害(hai)就(jiu)是(shi)全國的(de)(de)(de)(de)UPS制(zhi)造商(shang)。

比如原來都是進口的大功率UPS，在帶線性實驗負載時發現功率因數為0.8的100kVA UPS給不出80kW，于是就認為是廠家的產品不合格，在加之廠家也說不清楚原因，于是就只好加大逆變器的功率，也就是說在逆變器中必須也把60kvar的無功功率包含進去，即：

(10)

無形中將逆變器的造價增加了20%，但逆變器的驅動電路也比需相應地升級，那就不止20%了。全國所有的廠家都必須照此辦理，這個影響面就大了!這樣一來，80kW的輸出功率是給出來了，可惜的是負載功率因數F就不是0.8了，因為陷入誤區的制造商是不會將原來60kvar的無功功率作任何改變的，即仍然保留了60kvar的電容器，這樣一來按著原來的對負載功率因數F的設計，就變成了：

(11)

當然(ran)，只要輸出(chu)給夠了80kW，至于此(ci)時的功率因(yin)數(shu)值也就(jiu)無(wu)人(ren)顧及了。如(ru)果(guo)真的有(you)人(ren)看到(dao)了這(zhe)一點，是不是認為(wei)這(zhe)臺100kVA 的UPS只要給出(chu)68.4kW就(jiu)達標了！

很顯然(ran)，這樣的(de)改變是不(bu)應該的(de)，一來是損(sun)害了(le)制(zhi)造(zao)商的(de)利益，二來也不(bu)符合科(ke)學道(dao)理(li)，只是因為誤解原因而(er)人為地認為這樣做。甚至有的(de)說：多數人同意(yi)這樣做那(nei)就對。要(yao)知道(dao)科(ke)學的(de)問題不(bu)是靠舉手(shou)表(biao)決解決的(de)，自由落(luo)體的(de)蘋(pin)果就是要(yao)落(luo)在(zai)地上，再多的(de)人舉手(shou)表(biao)決也不(bu)會(hui)飛到天上去。

和負載(zai)功(gong)率(lv)(lv)因(yin)數并列的(de)一個量就(jiu)是UPS輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)的(de)諧波失(shi)(shi)真(zhen)(zhen)(zhen)度(du)，有的(de)將二者混為(wei)一談，認為(wei)只要(yao)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)的(de)諧波失(shi)(shi)真(zhen)(zhen)(zhen)度(du)達到要(yao)求，那(nei)么負載(zai)功(gong)率(lv)(lv)因(yin)數也就(jiu)知道(dao)了(le)。實(shi)際(ji)上(shang)在產(chan)品設計中負載(zai)功(gong)率(lv)(lv)因(yin)數和諧波失(shi)(shi)真(zhen)(zhen)(zhen)雖然有些聯系，但不(bu)是一碼(ma)事，各自的(de)考慮不(bu)同。諧波失(shi)(shi)真(zhen)(zhen)(zhen)度(du)就(jiu)好比(bi)是衡量這件衣服(fu)做得活計好不(bu)好，針腳密(mi)不(bu)密(mi)，樣(yang)式好不(bu)好。而功(gong)率(lv)(lv)因(yin)數表示的(de)則(ze)是男(nan)服(fu)裝(zhuang)還是女服(fu)裝(zhuang)，是多大號的(de)衣服(fu)，等等。所以這兩個指標且不(bu)可厚此薄(bo)彼，甚(shen)至舍棄其中之一。

更不(bu)能(neng)令人(ren)放心的(de)(de)(de)(de)是有(you)(you)些讀者(zhe)至今仍(reng)認為功(gong)(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)(lv)(lv)(lv)因數是百分數，常聽到有(you)(you)人(ren)問(wen)：你的(de)(de)(de)(de)UPS的(de)(de)(de)(de)輸入功(gong)(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)(lv)(lv)(lv)因數是百分值多少？這(zhe)從上面(mian)的(de)(de)(de)(de)計算(suan)就(jiu)(jiu)可(ke)清(qing)(qing)楚地看(kan)到，有(you)(you)功(gong)(gong)(gong)(gong)功(gong)(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)(lv)(lv)(lv)和無功(gong)(gong)(gong)(gong)功(gong)(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)(lv)(lv)(lv)是正交關系。從式(11)也可(ke)看(kan)到視在(zai)功(gong)(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)(lv)(lv)(lv)、有(you)(you)功(gong)(gong)(gong)(gong)功(gong)(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)(lv)(lv)(lv)和無功(gong)(gong)(gong)(gong)功(gong)(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)(lv)(lv)(lv)三(san)者(zhe)之間(jian)的(de)(de)(de)(de)關系是直(zhi)角三(san)角形勾(gou)股弦的(de)(de)(de)(de)關系。所(suo)以(yi)有(you)(you)功(gong)(gong)(gong)(gong)功(gong)(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)(lv)(lv)(lv)和無功(gong)(gong)(gong)(gong)功(gong)(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)(lv)(lv)(lv)是不(bu)能(neng)直(zhi)接(jie)加減的(de)(de)(de)(de)。比如上面(mian)的(de)(de)(de)(de)例(li)子，如果將80kW看(kan)做(zuo)80%，那(nei)么60kvar就(jiu)(jiu)是60%，這(zhe)樣一來有(you)(you)功(gong)(gong)(gong)(gong)功(gong)(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)(lv)(lv)(lv)和無功(gong)(gong)(gong)(gong)功(gong)(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)(lv)(lv)(lv)加在(zai)一起(qi)就(jiu)(jiu)是140%，顯然是不(bu)對的(de)(de)(de)(de)。這(zhe)個最(zui)基本的(de)(de)(de)(de)基本概念(nian)如果搞不(bu)清(qing)(qing)楚，其他概念(nian)就(jiu)(jiu)很難(nan)去理解了!

那用什么電氣成套設備來改善功率因數呢？當然是無功補償裝置，也可以叫電容補償柜，主要是可以平衡感性負載，提高功率因數，以提升設備的利用率。得潤電氣就是可以生產10KV電容補償柜和380V電容補償柜的廠家(jia)。

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