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

功率因數(shù)（PF ：power factor）又稱(chēng)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(wú)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(chǔ)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(wú)功功率是感應(yīng)和容性負(fù)載產(chǎn)生磁場(chǎng)和電場(chǎng)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(méi)有消耗能量。

當(dāng)電勢(shì)加在電阻兩端，電荷在電勢(shì)差作用下流動(dòng)——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(shì)加在電感兩端，在充磁過(guò)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(dòng)勢(shì)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(shì)加在電容兩端，在充電過(guò)程中，總是先有流動(dòng)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(shuō)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(shuō)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(shuō)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(hào)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(yǔ)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(duì)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(shí)，在容性（cap.）電路中電流的相位總是超前于電壓，這時(shí)-90°《φ《0°，稱(chēng)電路中有“超前”的cosφ，相位差φ從-90°~0°對(duì)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(shí)0°《φ《90°，此時(shí)稱(chēng)電路中有“滯后”的cosφ，相位差φ從0°~90°對(duì)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(guó)GMC-I集團(tuán)CAMILLE BAUER電量變送器廣泛用于國(guó)內(nèi)外各種發(fā)電站，可用于精確測(cè)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(guò)編程實(shí)現(xiàn)上述電參數(shù)的測(cè)量并轉(zhuǎn)換為過(guò)程信號(hào)輸出。而對(duì)于發(fā)電站的功率因數(shù)測(cè)量，一般需要測(cè)量的相位差φ的區(qū)間是-90°~0°~90°，此范圍對(duì)應(yīng)的功率因數(shù)PF是0~1~0。而對(duì)變送器的功率因數(shù)編程時(shí)，輸入需要從大到?。?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(wèn)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(lái)表示負(fù)載類(lèi)型。

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

abs（PF）為功率因數(shù)的絕對(duì)值

sign為符號(hào)函數(shù)，Q為無(wú)功功率。

因此可以看出，相位差φ的范圍-90°~0°~90°，對(duì)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(cè)量此范圍相角差φ的變化，從而得到對(duì)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(shuō)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(wú)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(huì)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(dòng)增加），對(duì)發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)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(wú)功的傳遞會(huì)帶來(lái)額外的損耗，但是無(wú)功本身就意味著系統(tǒng)有一定的儲(chǔ)備電磁能量，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定是有好處的。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)一些波動(dòng)的時(shí)候，能夠通過(guò)系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)的阻尼去平衡這個(gè)波動(dòng)，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(gè)小小的負(fù)荷切換就有可能導(dǎo)致系統(tǒng)超過(guò)穩(wěn)定極限。

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