茅于海教授為您講解關于LED燈具的功率因數的問題

今天茅于海教授為你帶來關于LED燈具的功率因數的一些探討。功率因數從來不是什么問題，過去國家有規定，要功率超過75瓦才有功率因數的要求(到現在為止，對于筆記本電腦還是規定75W以下無功率因數要求)。所以從來沒有對燈具提出過什么功率因數的要求。就像日光燈吧，功率因數都是很差的，從來也沒有人提出過意見，國家也沒有提出什么要求。后來有了節能燈，國家雖然提出了一個要求，但是非常寬松，對15瓦以上才有要求，而節能燈大多數是小于15瓦的。所以等于沒有提出要求。唯獨出現LED燈具以后反而嚴格要求起來了，只有在5瓦以下才不要求，5W以上必須要求功率因數>0.7。而LED燈具除了很小的MR16射燈是3瓦以外，絕大多數都是在5瓦以上。所以這個規定正好卡住了LED的脖子。那么，讓我們仔細來了解一下有關功率因數的問題吧!

一. 什么是功率因數

我們知道所有發電機都是旋轉機械，產生的電壓就是正弦波，這就是我們所謂的交流電。交流電有一個好處就是通過電磁感應可以用變壓器來改變其電壓，而且可以升高到幾十萬伏進行遠距離傳輸以減小傳輸中的損耗，到目的地以后再降下來變成我們常用的市電。我們現在的市電就是220V，50Hz的交流電。而在電工學里交流電是可以用矢量來表示的。矢量可以表示電壓也可以表示電流。對于純電阻的負載，電壓和電流是同相的，而對于純電容負載或純電感負載，電流和電壓就不同相，而是有一個90度的相角，或者稱為相位差。在純電感負載時，其上的電壓是領先電流90度，而純電容負載時，其上的電壓落后于電流90度。如果我們用波形表示時，通常把電壓表現為余弦波，如果電流落后于電壓，就是電感性負載，領先于電壓就是電容性負載。

圖1. 電感性負載的交流電壓和交流電流之間的關系

因為實際上純電感和純電容都不存在的，實際的負載只能稱為電感性負載或者是電容性負載。這時候其交流電壓和交流電流之間就有一個夾角φ，對于電感性負載我們把這個夾角稱為φL，而對于電容性負載的夾角就稱為φC。(見圖2)

圖2. 電感性負載和電容性負載電壓和電流的矢量表示法功率等于電壓和電流的乘積，但是只有在純阻負載的時候(電壓和電流同相)是這樣，而在電感性或電容性負載的時候就要把電流的矢量投影到電壓矢量(水平軸)上去，也就是要乘以cosφL或者cosφC。我們通常就把這個cosφL或者cosφC稱為功率因數。但是由于這個夾角可以是正的，也可以是負的，所以功率因數也是可能為正數(感性負載)也可能為負數(容性負載)。但是當我們用矢量來代表電壓和電流時，前提是它們的頻率必須是完全相同的。而且是在一個線性系統里。

在線性系統里我們也會把功率因數用有功功率和視在功率之比來表示。所謂有功功率就是和電流同相的那部分電壓和電流的有效值的乘積。而視在功率就是不考慮其間的相位差而將電壓和電流的有效值直接相乘所得到的“功率”。而這二者之比顯然就是前面所說的相角的余弦cosφ。

一. 各種家用電器的功率因數

有人測試了各種家用電器的功耗和功率因數，其結果如下：

這些數據當然僅供參考而已。

需要說明的是：

1. 凡是電熱電器功率因數都是等于1，因為它們都是電阻