功率因数提高实验报告（功率因数）

功率因数是用来衡量用电设备(包括广义的用电设备，如电网变压器、输电线路等)功率效率的数据。).

功率因数的定义公式：功率因数=有功功率/视在功率。

有功功率是设备消耗并转化为其他能量的功率。

无功功率是保持设备运行但不消耗的能量。它存在于电网和设备之间，是电网和设备不可缺少的能源部分。但如果无功功率被设备占用过多，电网的效率就会低。同时，大量的无功功率会在电网中来回传输，造成线路损耗高，浪费严重。

为了减少电网中的无功功率传输，要求用户向用电端的设备提供无功功率，这种提供无功功率的行为就是无功功率补偿。提供无功功率的补偿设备称为无功功率补偿装置。比如深圳奥特电气公司的ATBX就地补偿箱就是一种非常有效的就地补偿装置。

其他：你必须知道的：

视在功率就是我们常说的功率容量。计算：视在功率的平方=有功功率的平方和无功功率的平方。

视在功率、有功功率和无功功率呈直角三角形关系。

注：在没有谐波的情况下，可以推导出：功率因数==COSa(电压电流角差的余弦)。但当有谐波时，上述表达式不成立。这个时候很多人，包括很多专家，都没有意识到一个情况。

实际电子系统的功率因数

电子系统中有很多电子设备，几乎所有的有源电子设备都需要DC供电。在一般的城市地区或工厂，使用交流电源作为电源。因此，几乎所有的电子系统都需要一个整流器来将交流电转换成DC，之后通常需要一个电解电容来滤波(图2。).

图二。整流器和电解电容器

这个电路实际上是一个非线性电路，因为它含有整流二极管，这可以从它的电源和电流的波形看出来。此时的电压和电流波形如图3所示。

图3。整流器的电压和电流波形

很明显，电压虽然是正弦波，电流却变成了脉冲波。对于这种非线性系统，很难定义其功率因数，因为功率因数最初是从线性系统中导出的。好在大部分电子系统都是小家电，对大电力系统影响不大。所以当时国家规定75瓦以下的电子系统不要求功率因数。这也很合理。即使到现在，美国的能源之星也规定一般照明系统不要求100W以下的功率因数。

荧光灯出现的时候，从来没有功率因数的要求，所以带电感镇流器的普通荧光灯功率因数在0.5左右，过去也没有规定限制。

但是到了节能灯国家，规定不要求15W以下的功率因数。但由于节能灯大多在15W以下，所以这一规定对节能灯的大规模推广没有影响。在LED低于5W之前，不需要功率因数。看来节能效果越好，对PF的要求就越高！这真的很难理解！

既然规定了小功率LED的功率因数，那么这个非线性系统的功率因数总要有一个定义。不然怎么考？然而，确定非线性系统的功率因数太难了。为此，许多人提出了各种建议：

1.基波电流和电压之间相位差的余弦用作功率因数。但由于电流的基波是由傅里叶变换得到的，傅里叶变换只能等到它的幅值，而不能得到它的相位。相位是相对的，需要比较才能得到相位。但做傅里叶变换时并不以电压的相位为参考，所以得到的结果没有相位。所以这种建议无法实现。

2.以电流的过零点为电流的初始相位，以该相位与电压的相位差的余弦值为功率因数。但是电流的波形不是正弦波，而是脉冲波。因此，将脉搏波的过零点作为其初始相位是不合理的。

最后有人想出了一个很勉强的定义，就是把功率因数定义为有功功率和无功功率的比值。

PF=有功功率/无功功率

虽然在正弦波的线性系统中，如果用这个定义，至少绝对值和Cos的绝对值是一样的。有功功率是将电流投影到电压轴上，乘以电压值。无功功率是电流矢量和电压矢量直接相乘，不考虑相位差。显然，在线性系统中，它的绝对值与Cos的绝对值是一致的，但这个比值是无符号的。

而且在非线性系统中如何定义有功功率和无功功率也是一个大问题。

现在，他们大多采用以下公式：

称为相位因子

至于什么是相位因素，没有答案。因为这个相得不到。

而且，如果这个定义用在非线性系统中，功率因数Cos的符号会丢失，因为功率没有负的功率。因为所有数字功率因数表都采用这个定义，所以结果失去了它的符号。无符号功率因数也失去了公式化功率因数的根本意义！

实测功率因数

现在我们来看看现实世界中的功率因数。由于视在功率很难定义和测量，不同仪器测得的结果是不一样的。例如，有一个11瓦的灯泡灯，其中使用了桥式整流器和10uF电解电容器。使用三种仪器进行测量，测量结果如下：

三种仪器的测试误差高达8%以上，还不如电压测量、电流测量、功率测量准确！

这么大的误差，如果PF一定要大于0.5，那么就要用通惠的功率因数表，但是如果检测方一定要坚持用远传测试数据，那就不合格了。结果让人无所适从。

要想一想，还是用电气系统官方认证的最经典的Cos表来测量，结果最权威。而且Cos测试仪不像数字测试仪，也能得到符号。

指针式功率因数计

仔细搜索发现，正规电力系统中使用的功率因数表多为指针式，也称Cos表。有单相的也有三相的。这种电动动圈式功率因数计的旋转线圈改为两个垂直动圈。电表的磁场由负载电路中的电流产生。垂直移动线圈分别是A和B。线圈A与电阻串联后与负载线并联，线圈B与电感串联后与负载线并联，所以线圈B的电流会滞后于线圈A的电流，当功率因数为1时，线圈A的电流会与负载电流同相，所以线圈A会产生最大转矩，使功率因数表的指针指向1.0的刻度。如果功率因数为0，线圈B的电流将与负载电流同相，因此线圈B将产生转矩，使功率因数表的指针指向0的位置。如果功率因数在0和1之间，最后一个指针的位置将根据两个线圈产生的转矩来确定。其外观如下。

指针式功率因数表测试时的接线图

我们对102W LED光引擎使用了数字和指针功率因数计，测试结果如下：

光机整流器(使用124uF电解电容)102W光机，带恒流源

数字式功率和功率因数表得到的结果与指针式功率因数表测量的结果完全不同。

数字法测得PF=0.6590，指针法测得PF=0.9

这个结果非常令人惊讶，因为你可以在没有任何功率因数补偿的情况下获得0.9的功率因数！而且这是最权威的结果，应该是官方认可的。

功率因数的重要性及提高功率因数的方法。功率因数是衡量企业供电系统用电程度和用电设备使用状况的代表性重要指标之一。通常用cos表示。我们可以用以下几项来介绍功率因数的重要性和提高功率因数的方法。

1有功功率和无功功率

企业中的电气设备大多是靠电磁感应原理工作的，如变压器、电焊机、电磁感应电机等。都是通过将电能转化为电磁能，再转化为电能或机械能的能量转换。这样，电气设备就必须从电网中吸收两种能量，一部分用来做功，也就是前面提到的机械能或热能。这部分能量多用于满足生产和生活的需要，称为有功功率。另一部分能量用于产生交变磁场，交变磁场是变压器、焊机或电感线圈形成的能量转换和传输的介质。没有磁场，就没有能量传递的介质，使能量只能消耗在电源或电气设备内部，而不能传递到外部，也不能对外做功。这部分功率称为无功功率。无功功率，顾名思义，是没用的。其实也不是没用。没有它，任何能量都只能自己消耗，无法传递。但在能量转换过程中确实没有转换成其他能量，所以称为无功功率。电能的使用既需要有功功率，也需要无功功率。如果有功功率不足，不能满足用电负荷的需求，会使电网电压降低，系统发电机转速减慢，发电频率降低，影响用电质量，威胁电厂和所有用电设备的安全。如果无功不足，系统电压也会降低，电流增大，电机会因过电流而过热，导致电气设备绝缘损坏，甚至烧毁。

2功率因数

功率因数是衡量企业供电系统用电程度和用电设备使用状况的代表性重要指标之一，通常用cos表示。供电设备的供电能力通常用视在功率来表示，视在功率的字面意思是我们所能看到的功率，即视在功率，而不是真实功率。其有功功率由视在功率和功率因数的乘积决定。所以功率因数是一个很重要的供电指标，视在功率是有功功率和无功功率的平方和，从符号开始。视在功率确定后，高有功功率分量称为高功率因数，低有功功率分量称为低功率因数。发电机产生有功功率和无功功率。但是，由于设备的电感和电容，电气设备所需的功率会有所不同。当用电设备为感性时，用电设备的电压会领先电流90；电气设备为容性时，电流领先电压90，两个分量会在一条直线上，但方向相反。大多数电气设备是感性的，所以需要容性负载进行无功功率补偿。

3有功功率和无功功率的三角关系

上述有功功率和无功功率可以用直角三角形的关系来描述：三角形的两条右边，一条为有功功率，一条为无功功率，它们的斜边就是视在功率。有功功率和视在功率之间的夹角就是功率因数角，功率因数角的余弦就是功率因数。无功功率越少，功率因数角越小，其余弦值越大，有功功率和视在功率越接近，即能量转换效率越高。这就提出了一个问题，如何降低发电机的无功输出？或者说如何减少感性负的无功吸收？

4提高功率因数的意义

从上面3可以看出，为了使发电厂和供电所更有效地利用资源进行电能的转换和传输，需要对有功功率和无功功率进行分配

系统中传输的总电流增加，增加了电器元件的容量，如变压器、电抗器、电线等，从而扩大了企业的投资；

随着无功功率的增加，传输电流增加，也会增加供电设备的有功损耗；

由于系统中总电流增大，电压损失增大，电压调节困难；

对于发电机，当转子温度升高时，发电机不能达到预期的出力；

随着系统电流增大，系统电压降低，其他设备无法正常工作。因此，必须提高供电系统的功率因数。

5提高功率因数和无功功率补偿

企业的感性负载多为异步电动机，运行时消耗一定的无功功率，增加了电动机和输电线路的电流。如果在电动机上加装就地补偿电容器，不仅可以降低线路和配电装置的输送电流，还可以降低有功功率损耗和初期投资容量。下面是异步电动机无功补偿的计算公式，供你参考：

设补偿前电机的无功功率为Q1，补偿电容的无功功率为Q2，则补偿电容的无功功率为：

QC=Q1-Q2=P1(tan1-tan2)=1

其中：P1和P2为电机运行时的输入/输出有功功率，为电机运行时的效率，1和2为电容补偿前后的功率因数角。

补偿前的功率因数：cos1=(cose)1/k其中：cose为电机在额定负载下的功率因数，可从产品目录中查到。k为电机定子电流负载比，k=I1/Ie，其中I1为电机运行时测量的定子电流(a)，Ie为电机的额定电流(a)。

补偿后功率因数一般在0.95左右。如果成本太高不经济，在确定要补偿的无功功率Qc后，则补偿电容C=其中：F为工频(Hz)，Ue为电动机的额定电压(V)，Qc为电容补偿的无功功率(Var)。

注：个别补偿的电容容量应根据电动机的功率、负载率和电网条件适当考虑，避免过补偿或欠补偿。

6补偿模式

工业上常用的电容器补偿方式大概有三种：集中补偿、成组补偿和单独补偿。企业动力系统薪酬模式的选择取决于企业的具体情况。例如，从无功就地平衡的角度来看，单一补偿效果最好(单一补偿适用于容量大、长期运行、无功需求大的设备，或输电线路长、不便实现分组补偿的设备。这种方法可以减少布线电流、导线截面和配电设备的容量)。无论采用何种补偿方式，都必须正确选择补偿电容器，这一切都是为了提高电力系统的功率因数。

7结束语

基于功率因数的无功补偿可以有效提高设备的利用效率，减少企业的初期投资，对企业的供用电稳定具有深远的意义。