功率因數(shù)基礎(chǔ)知識以及功率因數(shù)變送器測試應(yīng)用

功率因數(shù)（PF ：power factor）又稱功率因子，是交流電力系統(tǒng)中特有的物理量，是負(fù)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(shù)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(shù)都不可能大于1。

電氣領(lǐng)域有三種基本負(fù)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(shù)變送器選型

有功功率是純電阻負(fù)載吸收的功率，功率消耗在電阻元件上不可逆轉(zhuǎn)地轉(zhuǎn)換為熱能、光能或機(jī)械能。

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

當(dāng)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?qū)w內(nèi)碰撞產(chǎn)生更多熱量。

當(dāng)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(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流。根據(jù)楞次定律，感應(yīng)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(yīng)電壓。

當(dāng)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(yīng)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(yīng)電壓90°相位，或者說感應(yīng)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(shù)，用符號cosΦ表示：相位功率因數(shù)變送器選型

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

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

交流電在純電感負(fù)載上的電壓和電流關(guān)系是電流滯后電壓90°（φ= 90°），功率因數(shù)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(yīng)的電流/電壓相位關(guān)系：

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

或

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

根據(jù)上述的功率因數(shù)基礎(chǔ)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(yīng)功率因數(shù)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(yīng)功率因數(shù)PF從1~0。

三相功率因數(shù)變送器量程

德國GMC-I集團(tuán)CAMILLE BAUER電量變送器廣泛用于國內(nèi)外各種發(fā)電站，可用于精確測量發(fā)電機(jī)組出口位置關(guān)鍵電氣參數(shù)，諸如電壓、電流、功率和功率因數(shù)等參數(shù)。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(shí)現(xiàn)上述電參數(shù)的測量并轉(zhuǎn)換為過程信號輸出。而對于發(fā)電站的功率因數(shù)測量，一般需要測量的相位差φ的區(qū)間是-90°~0°~90°，此范圍對應(yīng)的功率因數(shù)PF是0~1~0。而對變送器的功率因數(shù)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(shè)置。三相功率因數(shù)變送器量程

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

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

abs（PF）為功率因數(shù)的絕對值

sign為符號函數(shù)，Q為無功功率。

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

發(fā)電機(jī)或者說發(fā)電廠設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)功率因數(shù)一般在0.85或者0.9，這是為了保證系統(tǒng)有一定的無功裕度，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)能力。發(fā)電機(jī)本身要工作在一定的滯后功率因數(shù)條件下才具有最佳的性能，進(jìn)相運(yùn)行會導(dǎo)致鐵芯損耗增加和端部漏磁增加（進(jìn)一步的端部震動增加），對發(fā)電機(jī)來說都是不利的，為了克服這些情況，發(fā)電機(jī)的材料和結(jié)構(gòu)就要加強(qiáng)，成本增加。系統(tǒng)角度，本身電力網(wǎng)傳輸線路和負(fù)荷大多都呈現(xiàn)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(tǒng)有一定的儲備電磁能量，對系統(tǒng)的穩(wěn)定是有好處的。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)一些波動的時候，能夠通過系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)的阻尼去平衡這個波動，從而使系統(tǒng)恢復(fù)到平衡狀態(tài)。如果系統(tǒng)功率因數(shù)很高，很接近1，一個小小的負(fù)荷切換就有可能導(dǎo)致系統(tǒng)超過穩(wěn)定極限。

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