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家用電器的功率因數(shù)

有人測試了家用電器的功耗和功率因數(shù)，其結(jié)果如下。

這些數(shù)據(jù)當(dāng)然供參考而已。

需要說明的是：

1.凡是電熱電器功率因數(shù)都是等于1，因為它們都是電阻負(fù)載。

2.凡是帶馬達(dá)的家用電器（大多數(shù)白色家電）都是感負(fù)載。

3.凡是帶變壓器的家用電器（電視機、音響）也都是感負(fù)載。

4.24小時連續(xù)工作的電冰箱是個耗電很大、功率因數(shù)很低的感負(fù)載。

5.其中的照明燈具因為主要是白熾燈，所以功率因數(shù)才會接近1。

燈具的功率因數(shù)

我們知道白熾燈因為是個純電阻，它的功率因數(shù)當(dāng)然等于1。但是使用越來越多的日光燈和zui近國家大力推廣的燈就不是這樣了。長期以來，日光燈都是用個大電感和個起輝器來啟動。點亮以后大電感就串聯(lián)在電路里，所以它基本上是個感負(fù)載，它的功率因數(shù)只有0.51-0.56。以后改用電子鎮(zhèn)流器，功率因數(shù)要好些，但是因為電子鎮(zhèn)流器很燒毀，所以用得zui多的還是電感鎮(zhèn)流器。

而燈的功率因數(shù)也是只有0.54左右，而且也是感負(fù)載。

LED燈具的功率因數(shù)

因為LED是個半導(dǎo)體二管，它需要直流供電，如果用市電供電的話，就會有個整流器，通常是二管整流橋。為了得到盡可能平滑的直流避免出現(xiàn)紋波閃爍，通常都需要加上個大電解電容。而后面的LED可以近似為個電阻，所以整個電路如圖3所示。

其電流電壓如圖4所示。

整流后的電壓電流波形都不是正弦波，而且雖然整流前的電壓波形是正弦波，但是其電流波形也不是正弦波。所以整個系統(tǒng)是個非線系統(tǒng)。而本來功率因數(shù)是針對線系統(tǒng)定義的，而且要求輸入輸出電壓電流都是同頻率的正弦形，否則的話無法采用Cosφ。但是在非正弦系統(tǒng)中，因為電壓電流波形都不是正弦波，是沒有什么相位角可以說的。所以非線系統(tǒng)中的功率因數(shù)必須重新定義。

圖3. LED燈具的等效電路

圖4. 橋式整流加電容濾波后的電壓電流波形

如前所述功率因數(shù)的另個定義是有功功率和視在功率之比。有功功率是指實際輸出的功率，而視在功率是指輸入電壓值和輸入電流值的乘積。這個在正弦波系統(tǒng)里是可以和Cosφ等效的，所以是沒有問題的。但是在非線系統(tǒng)里，什么是有功功率什么是視在功率就很值得探討的了。

因為在非線系統(tǒng)里，其電流波形有很多次諧波（見圖5），

圖5. 普通橋式整流器的電流次諧波

所以到底拿什么來作為其視在功率，就是個很大的問題。現(xiàn)在有做法。

1.將電流的基波值和正弦電壓值相乘來作為其視在功率，或是把基波電流相位的余弦作為功率因數(shù)，或是把電流波形的過零點相位的余弦作為功率因素。有些儀器就是這樣來測量的。由這個電流的波形圖中就可以看出，這種波形的次諧波豐富，其基波很小，如果用基波電流來乘基波電壓，那么是得到的功率相比有功功率就很小，這樣它的功率因數(shù)就會很甚至有可能大于1。

例如在些指針式的功率因素計就是如此。

2.采用電壓的值和電流的值相乘來作為視在功率。

現(xiàn)在很多數(shù)字式功率因數(shù)儀是采用電壓值和電流值的乘積來作為視在功率的。

對于非正弦波電流的值可以用各次諧波電流的均方根值來表示：

如果定義功率因數(shù)等于實際功率和視在功率之比

通常把諧波失真定義為：

現(xiàn)在的很多數(shù)字式功率因素計基本上都是用這種方法來定義的。

但是功率的定義必須是相同頻率正弦波的電壓值和電流值的乘積。電流次諧波值和基波電壓值的乘積不能認(rèn)為是功率，因為其頻率不樣，所以是沒有意義的數(shù)字。所以用這種方法來定義視在功率是有問題的。遺憾的是，現(xiàn)在很多數(shù)字儀表都是這樣來測量的。

實際上，這個問題在學(xué)術(shù)界是直存在爭議的，所以美國的碩士論文和瑞典的博士論文都還在研究這個問題。

例如瑞典的Stefan Svensson在他的博士論文里就指出，在非線的情況下，現(xiàn)在對于功率因數(shù)就已經(jīng)有人提出了7種不同的定義，同樣個非線系統(tǒng)在不同的定義下，就可能得出不同的功率因數(shù)值。而且不管是哪種定義它都不當(dāng)初在線系統(tǒng)里提出功率因數(shù)的初衷。例如。在線系統(tǒng)里，只要采用純電容或純電感就可以補償感或容的負(fù)載。這在非線系統(tǒng)里顯然是無效的。所以這些定義的功率因數(shù)失去了原來功率因數(shù)的含義。

其實，在非線負(fù)載時，zui大的問題是諧波電流，因為雖然諧波電流不能和基波電壓形成視在功率，但是諧波電流的平方乘以線路電阻就會引起熱損耗。而且這種諧波電流是無法采用簡單的電容或電感加以補償?shù)摹Ｋ哉嬲枰氖侵C波電流值。而不是所謂的“功率因數(shù)”。

現(xiàn)在的有關(guān)規(guī)定是否合理

就算我們接受現(xiàn)有的普通功率因數(shù)測量儀所測得的LED燈具的功率因數(shù)值，但是到底是多少是允許的。按照美國能源之星規(guī)定凡是功率小于5瓦的LED燈具不要求功率因數(shù)。而大于5瓦則要求功率因數(shù)必須于0.7。中國現(xiàn)在采用和美國樣的規(guī)定。但深圳市LED產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的規(guī)定<10W, PF>0.7；功率在10W-30W之間，PF>0.85；功率>30W，PF>0.9。比國家規(guī)定還要。

但是這個規(guī)定顯然是不合理的。

1. 為什么對于含汞的“燈”規(guī)定15瓦以上才有功率因數(shù)的要求，反而對于既又環(huán)保的LED燈具提出為嚴(yán)格的要求。這顯然是對于減排促進(jìn)LED燈具的推廣是有害而無益的。這使人不得不懷疑其中涉及某些大公司的利益。

2. 大多數(shù)的LED燈具的功率因數(shù)都是負(fù)值，也就是容負(fù)載。而絕大多數(shù)的家電都是感負(fù)載，本來電業(yè)局都需要采用大型壓電容在變壓器的次加以補償，現(xiàn)在有了LED燈具可以在負(fù)載端就加以補償，這顯然是好事，為什么還要加以。

3. 雖然現(xiàn)在很多LED驅(qū)動電源都加上了功率因數(shù)校正使其接近于1。但是具有諷刺意味的是，當(dāng)初之所以很多LED驅(qū)動芯片公司力開發(fā)功率因數(shù)芯片的主要原因是為了能夠和可控硅調(diào)光器（Triac）相配合。因為原來的可控硅調(diào)光器只能用于功率因數(shù)為1的純阻白熾燈。現(xiàn)在LED燈具提了功率因數(shù)所以就可以和可控硅調(diào)光器相配合了。但是采用可控硅調(diào)光器以后整體的功率因數(shù)卻隨著光線調(diào)暗而越來越差，直到小于0.5。而且整體的效率也越來越低，失去了LED的的優(yōu)點。下面是作者實測的可控硅調(diào)光系統(tǒng)的功率因數(shù)值：

由表中可見，即使是功率因數(shù)已經(jīng)改進(jìn)至于0.96的LED燈具，但是在和可控硅配合在起進(jìn)行調(diào)光時，當(dāng)輸入功率從9.4W調(diào)到6W時，其整體的功率因數(shù)就從0.96降低到0.635.而無法>0.7的要求了。何況其整體的效率也低下。失去LED燈具的的優(yōu)點了。

實際上LED的zui大特點就是它很實現(xiàn)低功率模擬調(diào)光甚至無需功率的數(shù)字PWM調(diào)光。難以理解的是有關(guān)當(dāng)局對于可控硅這樣個幾十年以前的落后的調(diào)光器件卻沒有功率因數(shù)的，而且還對其去配合的LED使用熟視無睹。這種配合美其名曰“與現(xiàn)存設(shè)備兼容”。而實際上是任意遷就落后！

zui近我們從日本買來些日本本國使用的LED球泡燈，并且測量了它的功率因數(shù)，所得結(jié)果如下：

由此看來，日本對于至少15W以下的球泡燈都沒有功率因數(shù)的要求。這對于LED燈具在日本的迅速推廣起了很大的促進(jìn)作用。

結(jié)束語

科學(xué)發(fā)展觀中zui重要的就是可持續(xù)發(fā)展。而其中重中之重就是減排。對于切減排的新生科技國家都應(yīng)該加以扶植。LED就是其中zui重要的項。想當(dāng)初國家還曾經(jīng)免費發(fā)送每家每戶個燈以取代白熾燈。但燈存在著光效不夠、有汞污染、易碎等很多問題。遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法和LED相比。現(xiàn)在LED已經(jīng)日趨成熟，國家應(yīng)該以大的力度從各方面來加以扶植并力推廣！不應(yīng)該設(shè)置比燈嚴(yán)格的功率因數(shù)的指標(biāo)要求，來LED的發(fā)展！