功率因數(Power Factor是衡量電氣設備效率高低的一個(gè)系數。它的大小與電路的負荷性質(zhì)有關(guān)， 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(shuō)明無(wú)功功率大， 從而降低了設備的利用率，增加了線(xiàn)路供電損失。

關(guān)于功率因數的討論網(wǎng)上也有不少文章，但很多人仍然對一些概念存有誤解，這將為系統的設計帶來(lái)諸多危害，有必要在此再加以澄清。

一、功率因數的由來(lái)和含義

在電子領(lǐng)域的負載有三個(gè)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(guān)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(guān)系是電流滯后電壓90°(q = -90°)，如圖1(c)所示。

圖1 不同性質(zhì)負載上的電流電壓關(guān)系

功率因數的定義是：

(1)

在電阻負載上的有功功率就是視在功率，即二者相等，所以功率因數F=1。而在純電容和純電感負載上的電流和電壓相位差90°，所以所以功率因數F=cosq = cos90°=0，即在純電容和純電感負載上的有功功率為零。

從這里可以看出一個(gè)問(wèn)題，同樣是一個(gè)電源，對于不同性質(zhì)的負載其輸出的功率的大小和性質(zhì)也不同，因此可以說(shuō)負載的性質(zhì)決定著(zhù)電源的輸出。換言之，電源的輸出不取決于電源的本身，就像一座水塔的供水水流取決于水龍頭的開(kāi)啟程度。

從上面的討論可以看出，功率因數是表征負載性質(zhì)和大小的一個(gè)參數。而且一般說(shuō)一個(gè)負載只有一種性質(zhì)，就像一個(gè)人只有一個(gè)身份證號碼一樣。這種性質(zhì)的確定是從負載的輸入端看進(jìn)去，稱(chēng)為負載的輸入功率因數。一個(gè)負載電路完成了，它的輸入功率因數也就定了。

比如UPS作為前面市電或發(fā)電機的負載而言，比如六脈沖整流輸入的UPS，其輸入功率因數就是0.8，不論前面是市電電網(wǎng)還是發(fā)電機，比如要求輸入100kVA的視在功率，都需要向前面的電源索取80kW的有功功率和60kvar的無(wú)功功率。如果UPS的輸入功率因數是0.6，就需要向前面的電源索取60kW的有功功率和80kvar的無(wú)功功率。像這樣的輸出分配，前面電源是“無(wú)權”決定的。

二、表征UPS輸出能力的參數——負載功率因數

1. 負載功率因數被誤稱(chēng)為“輸出功率因數”

眾所周知，在很早以前人們穿的鞋子都是由裁縫按照每個(gè)人的尺寸一對一制作的，到了現代由于社會(huì )的發(fā)展和分工，出現了很多工業(yè)。比如制鞋工業(yè)需要預先做出很多鞋子以供社會(huì )需要，問(wèn)題是做多大的鞋子?是男鞋還是女鞋?這就需要事先有個(gè)規劃，這個(gè)規劃就來(lái)自于社會(huì )人群，多數人的腳是多大，男人和女人有何區別?于是就制定出男鞋和女鞋的樣式及大小，這就是多少多少碼。UPS也是這樣，總不能一對一地制造，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(chǎng)現貨銷(xiāo)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(shí)，就稱(chēng)為完全匹配，UPS就可輸出全部功率。即37嗎的鞋穿在37嗎的腳上就正合適，否則就感到不舒服，那么這雙鞋的舒適度就打了折扣。UPS也是這樣，遇到不匹配負載時(shí)，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(guān)系。

圖2 UPS負載功率因數與負載輸入功率因數的關(guān)系

三、對負載功率因數的誤解

有的就誤把UPS的負載功率因數稱(chēng)為UPS的輸出功率因數。這種誤解的來(lái)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(lái)UPS的性質(zhì)就有兩種，從輸入看進(jìn)去是一種性質(zhì)，從輸出看進(jìn)去又是另一種性質(zhì)，誤解了電路性質(zhì)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(zhì)的條件下都可給出功率因數所指出的有功功率和無(wú)功功率。比如被稱(chēng)為輸出功率因數的數值為0.8時(shí)，在任何負載性質(zhì)的條件下都可給出80kW的有功功率和60kvar的無(wú)功功率。但實(shí)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(xiàn)性負載時(shí)，就會(huì )因過(guò)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(shí)發(fā)現，在帶線(xiàn)性負載時(shí)其功率因數值為1，當帶二極管整流濾波輸入的IT負載時(shí)其功率因數值又是0.7，怎么也出不來(lái)0.8!實(shí)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(huì )出現，除非帶輸入功率因數為0.8的負載時(shí)，但那時(shí)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(lái)，只有不帶負載時(shí)才可測得UPS的“輸出功率因數”，這時(shí)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(gè)結果就是一個(gè)無(wú)理數。功率因數表測試根本就測不出任何值。也就是說(shuō)所謂的“輸出功率因數”沒(méi)有任何操作性。

2.負載功率因數的確定因素

那么負載功率因數為0.8的100kVA UPS在帶線(xiàn)性負載時(shí)，為什么給不出80kW呢?一般這種情況下的工頻機UPS設計是根據額定的有功功率選擇逆變器，而無(wú)功功率部分由逆變器后面的電容器C來(lái)承擔，如圖3所示。在圖中的逆變器功率選擇就是根據負載功率因數設定的。這里是以負載功率因數為0.8的100kVA UPS為例的數字。逆變器是根據80kW選擇的功率管，電容器C的容量是根據輸出的無(wú)功功率60kvar選定的(當然還需另外加上濾波時(shí)所需的容量)。因為在全匹配負載時(shí)電容C的輸出無(wú)功功率QC和負載上的容性無(wú)功功率負載上的感性無(wú)功功率 QL絕對值相等而符號相反，完全互補(直接相減)，

即：QC-QL=0

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

圖3 一般工頻機UPS與負載匹配情況下的主電路結構

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(wú)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(shí)，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(huì )怎樣呢?比如后面的負載是線(xiàn)性負載，即負載的輸入功率因數=1，這種情況經(jīng)常出現在UPS帶假負載考機情況，如圖4所示。在這里有一個(gè)很大的區別，負載中的電感部分沒(méi)有了。這就造成了逆變器后面電容器C的無(wú)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(lián)了一個(gè)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(gè)電流IC，其值的大小為：

(5)

而原來(lái)逆變器可以提供的電流IINV為：

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：

那么此時(shí)負載上能夠得到的功率Pr就只有：

Pr =241A′220V?53kW

(8)

圖4 一般工頻機UPS與線(xiàn)性負載不匹配情況下的主電路結構

或者用功率計算式得出同樣的結果：

(9)

因此負載功率因數為0.8的100kVA UPS在帶線(xiàn)性負載時(shí)，只能給出53kW的功率，在以往的機器中不止一次地證明了這個(gè)結論。也就是說(shuō)當負載的輸入功率因數不等于UPS的負載功率因數時(shí)，UPS就必須降額使用。這是一般規律，當然對不同負載功率因數的UPS有著(zhù)不同的降額值。

3. 對UPS功率因數的誤解危害

正是由于有的用戶(hù)將負載功率因數誤認為是UPS的“輸出功率因數”，不但將歸屬關(guān)系搞錯了，而且還引出了一個(gè)根本不存在的概念。既然是“UPS的輸出功率因數”，那么UPS的輸出功率就必須服從這個(gè)功率因數值，也就是說(shuō)“功率因數為0.8的100kVA UPS在帶線(xiàn)性負載時(shí)也應給出80kW的輸出功率”。如果這種誤解僅僅是個(gè)別用戶(hù)，最多導致用戶(hù)和供應商方面的矛盾。但如果是制定標準者陷入這個(gè)誤區，危害就是全國的UPS制造商。

比如原來(lái)都是進(jìn)口的大功率UPS，在帶線(xiàn)性實(shí)驗負載時(shí)發(fā)現功率因數為0.8的100kVA UPS給不出80kW，于是就認為是廠(chǎng)家的產(chǎn)品不合格，在加之廠(chǎng)家也說(shuō)不清楚原因，于是就只好加大逆變器的功率，也就是說(shuō)在逆變器中必須也把60kvar的無(wú)功功率包含進(jìn)去，即：

(10)

無(wú)形中將逆變器的造價(jià)增加了20%，但逆變器的驅動(dòng)電路也比需相應地升級，那就不止20%了。全國所有的廠(chǎng)家都必須照此辦理，這個(gè)影響面就大了!這樣一來(lái)，80kW的輸出功率是給出來(lái)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(huì )將原來(lái)60kvar的無(wú)功功率作任何改變的，即仍然保留了60kvar的電容器，這樣一來(lái)按著(zhù)原來(lái)的對負載功率因數F的設計，就變成了：

(11)

當然，只要輸出給夠了80kW，至于此時(shí)的功率因數值也就無(wú)人顧及了。如果真地有人看到了這一點(diǎn)，是不是認為這臺100kVA 的UPS只要給出68.4kW就達標了!

很顯然，這樣的改變是不應該的，一來(lái)是損害了制造商的利益，二來(lái)也不符合科學(xué)道理，只是因為誤解原因而人為地認為這樣做。甚至有的說(shuō)：多數人同意這樣做那就對。要知道科學(xué)的問(wèn)題不是靠舉手表決解決的，自由落體的蘋(píng)果就是要落在地上，再多的人舉手表決也不會(huì )飛到天上去。

和負載功率因數并列的一個(gè)量就是UPS輸出電壓的諧波失真度，有的將二者混為一談，認為只要輸出電壓的諧波失真度達到要求，那么負載功率因數也就知道了。實(shí)際上在產(chǎn)品設計中負載功率因數和諧波失真雖然有些聯(lián)系，但不是一碼事，各自的考慮不同。諧波失真度就好比是衡量這件衣服做得活計好不好，針腳密不密，樣式好不好。而功率因數表示的則是男服裝還是女服裝，是多大號的衣服，等等。所以這兩個(gè)指標且不可厚此薄彼，甚至舍棄其中之一。

更不能令人放心的是有些讀者至今仍認為功率因數是百分數，常聽(tīng)到有人問(wèn)：你的UPS的輸入功率因數是百分值多少?這從上面的計算就可清楚地看到，有功功率和無(wú)功功率是正交關(guān)系。從式(11)也可看到視在功率、有功功率和無(wú)功功率三者之間的關(guān)系是直角三角形勾股弦的關(guān)系。所以有功功率和無(wú)功功率是不能直接加減的。比如上面的例子，如果將80kW看做80%，那么60kvar就是60%，這樣一來(lái)有功功率和無(wú)功功率加在一起就是140%，顯然是不對的。這個(gè)最基本的基本概念如果搞不清楚，其他概念就很難去理解了!