技術(shù)知識(shí)分享：工程師詳解LED燈具的功率因數(shù)

功率因數(shù)從來不是什么問題，國家曾規(guī)定，要功率超過75瓦才有功率因數(shù)的要求(到現(xiàn)在為止，對(duì)于筆記本電腦還是規(guī)定75W以下無功率因數(shù)要求)。所以從來沒有對(duì)燈具提出過什么功率因數(shù)的要求。就像日光燈，功率因數(shù)都是很差的，從來也沒有人提出過意見，國家也沒有提出什么要求。后來有了節(jié)能燈，國家雖然提出了一個(gè)要求，但是非常寬松，對(duì)15瓦以上才有要求，而節(jié)能燈大多數(shù)是小于15瓦的。所以等于沒有提出要求。唯獨(dú)出現(xiàn)LED燈具以后反而嚴(yán)格要求起來了，只有在5瓦以下才不要求，5W以上必須要求功率因數(shù)>0.7。而LED燈具除了很小的MR16射燈是3瓦以外，絕大多數(shù)都是在5瓦以上。所以這個(gè)規(guī)定正好卡住了LED的脖子。那么，現(xiàn)在就來了解一下有關(guān)功率因數(shù)的問題。

什么是功率因數(shù)

所有發(fā)電機(jī)都是旋轉(zhuǎn)機(jī)械，產(chǎn)生的電壓就是正弦波，這就是所謂的交流電。交流電有一個(gè)好處就是通過電磁感應(yīng)可以用變壓器來改變其電壓，而且可以升高到幾十萬伏進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸以減小傳輸中的損耗，到目的地以后再降下來變成常用的市電。現(xiàn)在的市電就是220V，50Hz的交流電。而在電工學(xué)里交流電是可以用矢量來表示的。矢量可以表示電壓也可以表示電流。對(duì)于純電阻的負(fù)載，電壓和電流是同相的，而對(duì)于純電容負(fù)載或純電感負(fù)載，電流和電壓就不同相，而是有一個(gè)90度的相角，或者稱為相位差。在純電感負(fù)載時(shí)，其上的電壓是領(lǐng)先電流90度，而純電容負(fù)載時(shí)，其上的電壓落后于電流90度。

如果用波形表示時(shí)，通常把電壓表現(xiàn)為余弦波，如果電流落后于電壓，就是電感性負(fù)載，領(lǐng)先于電壓就是電容性負(fù)載。

因?yàn)閷?shí)際上純電感和純電容都不存在的，實(shí)際的負(fù)載只能稱為電感性負(fù)載或者是電容性負(fù)載。這時(shí)候其交流電壓和交流電流之間就有一個(gè)夾角φ，對(duì)于電感性負(fù)載會(huì)把這個(gè)夾角稱為φL，而對(duì)于電容性負(fù)載的夾角就稱為φC。(見圖2)

交流電壓

純電容負(fù)載的交流電流

純電感負(fù)載的交流電流

交流電壓

實(shí)際容性負(fù)載的交流電流

實(shí)際感性負(fù)載的交流電流

φC

φL

功率等于電壓和電流的乘積，但是只有在純阻負(fù)載的時(shí)候(電壓和電流同相)是這樣，而在電感性或電容性負(fù)載的時(shí)候就要把電流的矢量投影到電壓矢量(水平軸)上去，也就是要乘以cosφL或者cosφC。通常就把這個(gè)cosφL或者cosφC稱為功率因數(shù)。

但是由于這個(gè)夾角可以是正的，也可以是負(fù)的，所以功率因數(shù)也是可能為正數(shù)(感性負(fù)載)也可能為負(fù)數(shù)(容性負(fù)載)。

但是當(dāng)用矢量來代表電壓和電流時(shí)，前提是它們的頻率必須是完全相同的。而且是在一個(gè)線性系統(tǒng)里。

在線性系統(tǒng)里我們也會(huì)把功率因數(shù)用有功功率和視在功率之比來表示。所謂有功功率就是和電流同相的那部分電壓和電流的有效值的乘積。而視在功率就是不考慮其間的相位差而將電壓和電流的有效值直接相乘所得到的“功率”。而這二者之比顯然就是前面所說的相角的余弦cosφ。

各種家用電器的功率因數(shù)

有人測試了各種家用電器的功耗和功率因數(shù)，其結(jié)果如下：

序號(hào) 名稱 設(shè)備容量(W) 功率因數(shù) 無功功率(var) 視在功率(VA)

1 照明 200 0.90 96.86 222.22