功率因數與LED照明的透徹分析

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

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。作為交流電的負載有電阻、電感、電容三種類(lèi)型。當交流電通過(guò)純電阻負載時(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)在電阻負載上消耗有功功率，電網(wǎng)要供出能量。當交流電通過(guò)純電感負載時(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)能短暫儲存后又回饋到電網(wǎng)變?yōu)殡娔?，如此周期性循環(huán)不已，結果電網(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。當交流電通過(guò)純電容負載時(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。實(shí)際負載是電阻、電感的感抗、電容的容抗三種類(lèi)型的復合物，復合后統稱(chēng)“阻抗”，寫(xiě)成數學(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“感性負載”；反之，如果( XL – XC) 0稱(chēng)為“容性負載”。交流電通過(guò)感性負載時(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為功率因數角，功率因數角ф的余弦值即Cosф叫做功率因數。對于電阻性負載，其電壓與電流的位相差為0°，因此，電路的功率因數為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，功率因數都為零（Cos 90°= 0）。對于一般性負載的電路，功率因數就介于0與1之間。由數學(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，功率因數便等于1。這就是說(shuō)，感性負載和容性負載可以互相補償，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償，功率因數補償的辦法就源于此。

交流電通過(guò)阻抗負載時(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。只有當功率因數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。但負載的實(shí)際工作能力只與有功功率相關(guān)，例如空調機的制冷量、燈具的照度等只與有功功率成正比。因此，人們
當然希望功率因數高一些。

功率因數偏低的害處

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

2）輸電線(xiàn)路由于無(wú)功電流存在，增加了輸電線(xiàn)路損耗。例如功率因數為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(xiàn)路的電流增大，線(xiàn)路損耗必然增大。

功率因數補償方法

供電部門(mén)供的電能是以“視在功率”來(lái)計算的，但是收電費卻是以“有功功率”來(lái)計算的，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”折扣，所以功率因數是供電部門(mén)非常在意的一個(gè)數據。用戶(hù)如果沒(méi)有達到理想的功率因數，相對地就是在消耗供電部門(mén)的資源。目前就國內而言功率因數規定是必須介于電感性的0.9～1之間?？刹扇∫韵路绞竭M(jìn)行功率因數補償：

1）半集中、集中補償法，要求用電企業(yè)的各個(gè)配電房必須安裝功率因數自控裝置，實(shí)時(shí)檢測功率因數大小，自動(dòng)投入或切除補償電力電容器的個(gè)數，用于電動(dòng)機運行補償（因企業(yè)主要用電負荷是電動(dòng)機），做到局部用電網(wǎng)絡(luò )功率因數達標。這個(gè)辦法從上世紀七十年代末、八十年代初便已強制實(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自控裝置，對其下轄供電區域進(jìn)一步補償。

2）分散補償法，要求每個(gè)用電器具設計時(shí)便采用先進(jìn)技術(shù)，滿(mǎn)足功率因數達標，這樣不論何時(shí)何地用電均能保證功率因數達標。但這樣做會(huì )增加成本、增加電器體積，而有的電器對體積大小限制很?chē)栏?，加大了設計難度。

電光源照明燈具與功率因數補償的回顧

電光源是由白熾燈泡開(kāi)始的，白熾燈泡是純電阻負載，沒(méi)有功率因數補償的問(wèn)題。上世紀50年代后，日光燈迅速普
及成了主要的照明燈具，鎮流器用的是硅鋼片電感，可靠性高，壽命長(cháng)，至今仍有少量采用的，大多數沒(méi)有什么功率因數補償措施，可能是受到成本因素的影響，抑或人們對功率因數補償不甚了解，節能意識不強。也有加接適當容量的電容器作功率因數補償的，多用在30W、40W大瓦數日光燈上，20W以下很少用。上世紀90年代后，人們的環(huán)保、節能意識增強，開(kāi)發(fā)出三基色螢光粉節能燈，其光功效更高。電子鎮流器也隨后問(wèn)世，配上三基色螢光粉燈管，節能效果更加顯著(zhù)。國內外一些集成電路廠(chǎng)商推出了帶有源功率因數補償的燈用芯片，用于電子鎮流器，性能優(yōu)秀，但增加了成本和電子鎮流器體積，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流器包括用于節能燈的都沒(méi)有加什么功率因數補償措施，這在市面流行的節能燈、日光燈上隨處可見(jiàn)。也就是說(shuō)以往的燈具基本上沒(méi)有什么功率因數補償措施，但大家都在用。

功率因數與LED照明

LED耗電更省，燈具功率比起節能燈還要小。LED照明當然更為進(jìn)步，對環(huán)境保護、節能減排更為適宜。LED燈具是否加功率因數補償，筆者的看法是：

1）據專(zhuān)家分析，LED為容性負載。電網(wǎng)的感性負載甚多，例如電動(dòng)機、變壓器等等。往往需要接入容性負載進(jìn)行補償，功率因數自控裝置就是作此用途的。LED為容性負載，恰恰補償了電網(wǎng)因感性負載多導致功率因數低的問(wèn)題，正是用得其所。源于這種認識，筆者認為L(cháng)ED照明燈具原則上無(wú)需加功率因數補償措施。

2）室內照明用的單盞LED燈具均是小功率的，功率不會(huì )超過(guò)30W。燈具功率小對電網(wǎng)的影響也小，筆者認為這類(lèi)燈具完全可以免去功率因數補償措施，加了反而不好，反而會(huì )失去LED燈具是容性負載能夠補償電網(wǎng)因感性負載多導致功率因數低的功能。這些小功率燈具多是小體積緊湊型的，內部空間十分有限，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補償措施也加不進(jìn)。還有加了功率因數補償后會(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)已采取了應對措施對電網(wǎng)功率因數進(jìn)行補償，燈具廠(chǎng)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補償措施，功率大的負載對電網(wǎng)的影響也大，例如一百瓦到數百瓦的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。加功率因數補償措施可以幫助供電部門(mén)減輕一些調節負擔，防止容性負載過(guò)大產(chǎn)生過(guò)度補償。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。