功率因数基础知识与功率因数变送器测试应用

功率因数基础知识以及功率因数变送器测试应用

功率因数（PF ：power factor）又称功率因子，是交流电力系统中特有的物理量，是负载所消耗的有效功率与其视在功率的比值，即cosΦ=P/S，是0到1之间的无因次量。功率因数既然表示了总功率中有功功率所占的比例，显然在任何情况下功率因数都不可能大于1。

电气领域有三种基本负载——电阻、电容和电感

电阻 - 消耗功率，电容和电感 - 储存功率。相位功率因数变送器选型

有功功率是纯电阻负载吸收的功率，功率消耗在电阻元件上不可逆转地转换为热能、光能或机械能。

无功功率是感应和容性负载产生磁场和电场所需的功率，它不是真实的功率，它随交流电的周期在电源和负载之间不停交换能量，但它并没有消耗能量。

当电势加在电阻两端，电荷在电势差作用下流动——形成了电流，在电阻或导体内碰撞产生更多热量。

当电势加在电感两端，在充磁过程中，充磁电流的变化引起磁链的变化，而磁链的变化又产生感应电动势和感应电流。根据楞次定律，感应电流方向与充磁电流相反，延缓了充磁电流的变化，使得充磁电流相位落后于感应电压。

当电势加在电容两端，在充电过程中，总是先有流动电荷（即电流）的积累才有电容上的电压变化，即电流总是超前于电压，或者说电压总是落后于电流。

电阻上电压v（t）=R*i（t），若i（t）=sin（ωt+θ），则v（t）=R* sin（ωt+θ）。所以，电阻上电压与电流同相位。

电容上电流i（t）=C*dv（t）/dt，若v（t）=sin（ωt+θ），则i（t）=L*cos（ωt+θ）。所以，电容上电流超前电压90°相位，或者说电压落后电流90°相位。

电感上感应电压v（t）=L*di（t）/dt，若i（t）=sin（ωt+θ），则v（t）=L*cos（ωt+θ）。 所以，电感上电流落后感应电压90°相位，或者说感应电压超前电流90°相位。

在交流电路中，电压与电流之间的相位差（Φ）的余弦叫做功率因数，用符号cosΦ表示：相位功率因数变送器选型

交流电在纯电阻负载上的电压和电流同相位（相位差φ= 0°），功率因数PF=cosφ= cos0°=1；

交流电在纯电容负载上的电压和电流关系是电流超前电压90°（φ=-90°），功率因数PF=0；

交流电在纯电感负载上的电压和电流关系是电流滞后电压90°（φ= 90°），功率因数PF=0。

英语系的电力电子工程师有以下的口诀可以记忆电容器及电感器对应的电流/电压相位关系：

ELI the ICE man或ELI on ICE：在电感器（L）中电压（E）相位领先电流（I）， 在电容器（C）中电流相位领先电压（E）。

或

CIVIL：在电容器（C）中电流（I）相位领先电压（V），电压（V）相位领先电流（I）是电感器（L）的特性。相位功率因数变送器选型

根据上述的功率因数基础知识，在容性（cap.）电路中电流的相位总是超前于电压，这时-90°《φ《0°，称电路中有“超前”的cosφ，相位差φ从-90°~0°对应功率因数PF从0~1；而感性（ind.）电路中电流的相位总是滞后于电压，此时0°《φ《90°，此时称电路中有“滞后”的cosφ，相位差φ从0°~90°对应功率因数PF从1~0。

三相功率因数变送器量程

德国GMC-I集团CAMILLE BAUER电量变送器广泛用于国内外各种发电站，可用于精确测量发电机组出口位置关键电气参数，诸如电压、电流、功率和功率因数等参数。最为常用的一款可编程的多功能电量变送器SINEAX DM5S，可通过编程实现上述电参数的测量并转换为过程信号输出。而对于发电站的功率因数测量，一般需要测量的相位差φ的区间是-90°~0°~90°，此范围对应的功率因数PF是0~1~0。而对变送器的功率因数编程时，输入需要从大到小（-1~0~1，或0~1等），或从小到大（1~0~-1，或1~0等）设置。三相功率因数变送器量程

为了解决此问题，SINEAX DM5S引入了负载系数LF，LF是从PF推导的参数，可以用来表示负载类型。

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

abs（PF）为功率因数的绝对值

sign为符号函数，Q为无功功率。

因此可以看出，相位差φ的范围-90°~0°~90°，对应的负载功率因数LF为-1~0~1，只有这样才能以准确的方式测量此范围相角差φ的变化，从而得到对应的例如4~20mA输出。三相功率因数变送器量程

发电机或者说发电厂设计的基准功率因数一般在0.85或者0.9，这是为了保证系统有一定的无功裕度，增强系统稳定性和调节能力。发电机本身要工作在一定的滞后功率因数条件下才具有最佳的性能，进相运行会导致铁芯损耗增加和端部漏磁增加（进一步的端部震动增加），对发电机来说都是不利的，为了克服这些情况，发电机的材料和结构就要加强，成本增加。系统角度，本身电力网传输线路和负荷大多都呈现电感特性，虽然无功的传递会带来额外的损耗，但是无功本身就意味着系统有一定的储备电磁能量，对系统的稳定是有好处的。当系统出现一些波动的时候，能够通过系统和发电机的阻尼去平衡这个波动，从而使系统恢复到平衡状态。如果系统功率因数很高，很接近1，一个小小的负荷切换就有可能导致系统超过稳定极限。

责任编辑：tzh