功率因數基礎知識以及功率因數變送器測試應用

功率因數（PF ：power factor）又稱功率因子，是交流電力系統中特有的物理量，是負載所消耗的有效功率與其視在功率的比值，即cosΦ=P/S，是0到1之間的無因次量。功率因數既然表示了總功率中有功功率所占的比例，顯然在任何情況下功率因數都不可能大于1。

電氣領域有三種基本負載——電阻、電容和電感

電阻 - 消耗功率，電容和電感 - 儲存功率。相位功率因數變送器選型

有功功率是純電阻負載吸收的功率，功率消耗在電阻元件上不可逆轉地轉換為熱能、光能或機械能。

無功功率是感應和容性負載產生磁場和電場所需的功率，它不是真實的功率，它隨交流電的周期在電源和負載之間不停交換能量，但它并沒有消耗能量。

當電勢加在電阻兩端，電荷在電勢差作用下流動——形成了電流，在電阻或導體內碰撞產生更多熱量。

當電勢加在電感兩端，在充磁過程中，充磁電流的變化引起磁鏈的變化，而磁鏈的變化又產生感應電動勢和感應電流。根據楞次定律，感應電流方向與充磁電流相反，延緩了充磁電流的變化，使得充磁電流相位落后于感應電壓。

當電勢加在電容兩端，在充電過程中，總是先有流動電荷（即電流）的積累才有電容上的電壓變化，即電流總是超前于電壓，或者說電壓總是落后于電流。

電阻上電壓v（t）=R*i（t），若i（t）=sin（ωt+θ），則v（t）=R* sin（ωt+θ）。所以，電阻上電壓與電流同相位。

電容上電流i（t）=C*dv（t）/dt，若v（t）=sin（ωt+θ），則i（t）=L*cos（ωt+θ）。所以，電容上電流超前電壓90°相位，或者說電壓落后電流90°相位。

電感上感應電壓v（t）=L*di（t）/dt，若i（t）=sin（ωt+θ），則v（t）=L*cos（ωt+θ）。 所以，電感上電流落后感應電壓90°相位，或者說感應電壓超前電流90°相位。

在交流電路中，電壓與電流之間的相位差（Φ）的余弦叫做功率因數，用符號cosΦ表示：相位功率因數變送器選型

交流電在純電阻負載上的電壓和電流同相位（相位差φ= 0°），功率因數PF=cosφ= cos0°=1；

交流電在純電容負載上的電壓和電流關系是電流超前電壓90°（φ=-90°），功率因數PF=0；

交流電在純電感負載上的電壓和電流關系是電流滯后電壓90°（φ= 90°），功率因數PF=0。

英語系的電力電子工程師有以下的口訣可以記憶電容器及電感器對應的電流/電壓相位關系：

ELI the ICE man或ELI on ICE：在電感器（L）中電壓（E）相位領先電流（I）， 在電容器（C）中電流相位領先電壓（E）。

或

CIVIL：在電容器（C）中電流（I）相位領先電壓（V），電壓（V）相位領先電流（I）是電感器（L）的特性。相位功率因數變送器選型

根據上述的功率因數基礎知識，在容性（cap.）電路中電流的相位總是超前于電壓，這時-90°《φ《0°，稱電路中有“超前”的cosφ，相位差φ從-90°~0°對應功率因數PF從0~1；而感性（ind.）電路中電流的相位總是滯后于電壓，此時0°《φ《90°，此時稱電路中有“滯后”的cosφ，相位差φ從0°~90°對應功率因數PF從1~0。

三相功率因數變送器量程

德國GMC-I集團CAMILLE BAUER電量變送器廣泛用于國內外各種發電站，可用于精確測量發電機組出口位置關鍵電氣參數，諸如電壓、電流、功率和功率因數等參數。最為常用的一款可編程的多功能電量變送器SINEAX DM5S，可通過編程實現上述電參數的測量并轉換為過程信號輸出。而對于發電站的功率因數測量，一般需要測量的相位差φ的區間是-90°~0°~90°，此范圍對應的功率因數PF是0~1~0。而對變送器的功率因數編程時，輸入需要從大到小（-1~0~1，或0~1等），或從小到大（1~0~-1，或1~0等）設置。三相功率因數變送器量程

為了解決此問題，SINEAX DM5S引入了負載系數LF，LF是從PF推導的參數，可以用來表示負載類型。

LF factor of the system=sign（Q）*（1– abs（PF））

abs（PF）為功率因數的絕對值

sign為符號函數，Q為無功功率。

因此可以看出，相位差φ的范圍-90°~0°~90°，對應的負載功率因數LF為-1~0~1，只有這樣才能以準確的方式測量此范圍相角差φ的變化，從而得到對應的例如4~20mA輸出。三相功率因數變送器量程

發電機或者說發電廠設計的基準功率因數一般在0.85或者0.9，這是為了保證系統有一定的無功裕度，增強系統穩定性和調節能力。發電機本身要工作在一定的滯后功率因數條件下才具有最佳的性能，進相運行會導致鐵芯損耗增加和端部漏磁增加（進一步的端部震動增加），對發電機來說都是不利的，為了克服這些情況，發電機的材料和結構就要加強，成本增加。系統角度，本身電力網傳輸線路和負荷大多都呈現電感特性，雖然無功的傳遞會帶來額外的損耗，但是無功本身就意味著系統有一定的儲備電磁能量，對系統的穩定是有好處的。當系統出現一些波動的時候，能夠通過系統和發電機的阻尼去平衡這個波動，從而使系統恢復到平衡狀態。如果系統功率因數很高，很接近1，一個小小的負荷切換就有可能導致系統超過穩定極限。

責任編輯：tzh

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