功率因數(shù)與LED照明的透徹分析

交流電流過(guò)負(fù)載時(shí)，加在該負(fù)載上的交流電壓與通過(guò)該負(fù)載的交流電流產(chǎn)生相位差，人們便從中引出功率因數(shù)這一概念。

人們生產(chǎn)、生活用電來(lái)自電網(wǎng)，電網(wǎng)提供頻率為50Hz或60Hz的交流電。作為交流電的負(fù)載有電阻、電感、電容三種類(lèi)型。當(dāng)交流電通過(guò)純電阻負(fù)載時(shí)，加在該電阻上的交流電壓與通過(guò)該電阻的交流電流是同相位的，即它們之間的相位夾角ф= 0°，同時(shí)在電阻負(fù)載上消耗有功功率，電網(wǎng)要供出能量。當(dāng)交流電通過(guò)純電感負(fù)載時(shí)，其上的交流電壓的相位超前交流電流相位90°，它們之間的夾角ф= 90°，在電感負(fù)載上產(chǎn)生無(wú)功功率，電網(wǎng)供給的電能在電感中變?yōu)榇艌?chǎng)能短暫儲(chǔ)存后又回饋到電網(wǎng)變?yōu)殡娔?，如此周期性循環(huán)不已，結(jié)果電網(wǎng)并不供出能量，故謂“無(wú)功功率”，但產(chǎn)生“無(wú)功功率”的“無(wú)功電流”還是實(shí)際存在的。當(dāng)交流電通過(guò)純電容負(fù)載時(shí)，亦類(lèi)似于此，只不過(guò)其上的交流電壓的相位滯后交流電流相位90°，它們之間的夾角ф= - 90°。這里，定義相位角度超前為正，相位角度滯后為負(fù)。實(shí)際負(fù)載是電阻、電感的感抗、電容的容抗三種類(lèi)型的復(fù)合物，復(fù)合后統(tǒng)稱(chēng)“阻抗”，寫(xiě)成數(shù)學(xué)式即是：阻抗Z= R+j ( XL – XC) 。其中R為電阻，XL為感抗，XC為容抗。如果( XL– XC) > 0， 稱(chēng)為“感性負(fù)載”；反之，如果( XL – XC) 0稱(chēng)為“容性負(fù)載”。交流電通過(guò)感性負(fù)載時(shí)，交流電壓的相位超前交流電流相位(0°ф90°)；交流電通過(guò)容性負(fù)載時(shí)，交流電壓的相位滯后交流電流相位(-90°ф 0°)；電工學(xué)定義該角度ф為功率因數(shù)角，功率因數(shù)角ф的余弦值即Cosф叫做功率因數(shù)。對(duì)于電阻性負(fù)載，其電壓與電流的位相差為0°，因此，電路的功率因數(shù)為1最大（Cos 0°=1）；而純電感電路，電壓與電流的位相差為90°，并且是電壓超前電流；在純電容電路中，電壓與電流的位相差則為- 90°，即電流超前電壓。在后兩種電路中，功率因數(shù)都為零（Cos 90°= 0）。對(duì)于一般性負(fù)載的電路，功率因數(shù)就介于0與1之間。由數(shù)學(xué)式阻抗Z= R+ j ( XL – XC)，如果XL = XC，則Z= R即阻抗Z變成了一個(gè)純電阻，功率因數(shù)便等于1。這就是說(shuō)，感性負(fù)載和容性負(fù)載可以互相補(bǔ)償，一個(gè)電路里的感性元件的感抗值正好等于容性元件的容抗值則可以完全補(bǔ)償，功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)霓k法就源于此。

交流電通過(guò)阻抗負(fù)載時(shí)，產(chǎn)生的總功率S稱(chēng)“視在功率”，視在功率S包括有功功率P和無(wú)功功率Q兩個(gè)分量。其中有功功率P = S*Cosф，無(wú)功功率Q = S*Sinф。只有當(dāng)功率因數(shù)Cosф值等于最大值1即ф= 0°時(shí)，無(wú)功分量Q才等于零，有功功率P等于視在功率 S的值。但負(fù)載的實(shí)際工作能力只與有功功率相關(guān)，例如空調(diào)機(jī)的制冷量、燈具的照度等只與有功功率成正比。因此，人們
當(dāng)然希望功率因數(shù)高一些。

功率因數(shù)偏低的害處

1）供電設(shè)備的帶負(fù)載能力被打了折扣，即降低了帶負(fù)載能力。如某設(shè)備能供出100KVA的視在功率，若功率因數(shù)為0.7，則只能供出70KW的有功功率了；若功率因數(shù)為0.9，則能供出90KW的有功功率，可見(jiàn)提高功率因數(shù)很有意義。

2）輸電線路由于無(wú)功電流存在，增加了輸電線路損耗。例如功率因數(shù)為0.7，要供出70KW的有功功率，則需要供出100KVA的視在功率，輸電線路的電流增大，線路損耗必然增大。

功率因數(shù)補(bǔ)償方法

供電部門(mén)供的電能是以“視在功率”來(lái)計(jì)算的，但是收電費(fèi)卻是以“有功功率”來(lái)計(jì)算的，用戶(hù)的“電度表”實(shí)為“有功功率表”，兩者之間有一個(gè)“功率因數(shù)”折扣，所以功率因數(shù)是供電部門(mén)非常在意的一個(gè)數(shù)據(jù)。用戶(hù)如果沒(méi)有達(dá)到理想的功率因數(shù)，相對(duì)地就是在消耗供電部門(mén)的資源。目前就國(guó)內(nèi)而言功率因數(shù)規(guī)定是必須介于電感性的0.9～1之間?？刹扇∫韵路绞竭M(jìn)行功率因數(shù)補(bǔ)償：

1）半集中、集中補(bǔ)償法，要求用電企業(yè)的各個(gè)配電房必須安裝功率因數(shù)自控裝置，實(shí)時(shí)檢測(cè)功率因數(shù)大小，自動(dòng)投入或切除補(bǔ)償電力電容器的個(gè)數(shù)，用于電動(dòng)機(jī)運(yùn)行補(bǔ)償（因企業(yè)主要用電負(fù)荷是電動(dòng)機(jī)），做到局部用電網(wǎng)絡(luò)功率因數(shù)達(dá)標(biāo)。這個(gè)辦法從上世紀(jì)七十年代末、八十年代初便已強(qiáng)制實(shí)施，至今少說(shuō)已有二十多年。還有各個(gè)供電所也安裝功率因數(shù)自控裝置，對(duì)其下轄供電區(qū)域進(jìn)一步補(bǔ)償。

2）分散補(bǔ)償法，要求每個(gè)用電器具設(shè)計(jì)時(shí)便采用先進(jìn)技術(shù)，滿(mǎn)足功率因數(shù)達(dá)標(biāo)，這樣不論何時(shí)何地用電均能保證功率因數(shù)達(dá)標(biāo)。但這樣做會(huì)增加成本、增加電器體積，而有的電器對(duì)體積大小限制很?chē)?yán)格，加大了設(shè)計(jì)難度。

電光源照明燈具與功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)幕仡?/P>

電光源是由白熾燈泡開(kāi)始的，白熾燈泡是純電阻負(fù)載，沒(méi)有功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題。上世紀(jì)50年代后，日光燈迅速普
及成了主要的照明燈具，鎮(zhèn)流器用的是硅鋼片電感，可靠性高，壽命長(zhǎng)，至今仍有少量采用的，大多數(shù)沒(méi)有什么功率因數(shù)補(bǔ)償措施，可能是受到成本因素的影響，抑或人們對(duì)功率因數(shù)補(bǔ)償不甚了解，節(jié)能意識(shí)不強(qiáng)。也有加接適當(dāng)容量的電容器作功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)?，多用?0W、40W大瓦數(shù)日光燈上，20W以下很少用。上世紀(jì)90年代后，人們的環(huán)保、節(jié)能意識(shí)增強(qiáng)，開(kāi)發(fā)出三基色螢光粉節(jié)能燈，其光功效更高。電子鎮(zhèn)流器也隨后問(wèn)世，配上三基色螢光粉燈管，節(jié)能效果更加顯著。國(guó)內(nèi)外一些集成電路廠商推出了帶有源功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)臒粲眯酒?，用于電子?zhèn)流器，性能優(yōu)秀，但增加了成本和電子鎮(zhèn)流器體積，老百姓還不能接受它的價(jià)格，大約只用在高端燈具產(chǎn)品上。大量的普及型電子鎮(zhèn)流器包括用于節(jié)能燈的都沒(méi)有加什么功率因數(shù)補(bǔ)償措施，這在市面流行的節(jié)能燈、日光燈上隨處可見(jiàn)。也就是說(shuō)以往的燈具基本上沒(méi)有什么功率因數(shù)補(bǔ)償措施，但大家都在用。

功率因數(shù)與LED照明

LED耗電更省，燈具功率比起節(jié)能燈還要小。LED照明當(dāng)然更為進(jìn)步，對(duì)環(huán)境保護(hù)、節(jié)能減排更為適宜。LED燈具是否加功率因數(shù)補(bǔ)償，筆者的看法是：

1）據(jù)專(zhuān)家分析，LED為容性負(fù)載。電網(wǎng)的感性負(fù)載甚多，例如電動(dòng)機(jī)、變壓器等等。往往需要接入容性負(fù)載進(jìn)行補(bǔ)償，功率因數(shù)自控裝置就是作此用途的。LED為容性負(fù)載，恰恰補(bǔ)償了電網(wǎng)因感性負(fù)載多導(dǎo)致功率因數(shù)低的問(wèn)題，正是用得其所。源于這種認(rèn)識(shí)，筆者認(rèn)為L(zhǎng)ED照明燈具原則上無(wú)需加功率因數(shù)補(bǔ)償措施。

2）室內(nèi)照明用的單盞LED燈具均是小功率的，功率不會(huì)超過(guò)30W。燈具功率小對(duì)電網(wǎng)的影響也小，筆者認(rèn)為這類(lèi)燈具完全可以免去功率因數(shù)補(bǔ)償措施，加了反而不好，反而會(huì)失去LED燈具是容性負(fù)載能夠補(bǔ)償電網(wǎng)因感性負(fù)載多導(dǎo)致功率因數(shù)低的功能。這些小功率燈具多是小體積緊湊型的，內(nèi)部空間十分有限，例如MR16、PAR30、PAR38燈杯，電源PCB板增大后放不下，就是好心想加功率因數(shù)補(bǔ)償措施也加不進(jìn)。還有加了功率因數(shù)補(bǔ)償后會(huì)帶來(lái)效率下降的副作用，或云得不償失。再則成本增加影響銷(xiāo)售。何況供電部門(mén)已采取了應(yīng)對(duì)措施對(duì)電網(wǎng)功率因數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，燈具廠家大可不必再去畫(huà)蛇添足。

3）功率100W以上的可以考慮加功率因數(shù)補(bǔ)償措施，功率大的負(fù)載對(duì)電網(wǎng)的影響也大，例如一百瓦到數(shù)百瓦的LED路燈。路燈屬于公益事業(yè)，成本略增加一點(diǎn)無(wú)大礙，電源PCB板增大一點(diǎn)也有位置可放。加功率因數(shù)補(bǔ)償措施可以幫助供電部門(mén)減輕一些調(diào)節(jié)負(fù)擔(dān)，防止容性負(fù)載過(guò)大產(chǎn)生過(guò)度補(bǔ)償。以上看法僅是筆者的一管之見(jiàn)，是否正確愿與廣大同仁商討，并祈盼專(zhuān)家不吝賜教。