目前市场上的“节能设备”其实就是连接到主电网的功率因数校正(PFC)设备,可以用来改善电表测出的功率因数。值得注意的是,住宅用户依据实际功率支出的电费账单并没有把功率因数考虑在内,因此这些设备不会真的减少你的月度电费支出。

这种所谓的“节能”设备对工业应用来说也许是有用的,因为其电费是根据PFC而不是实际功率收取的。

功率是如何测量的?

以瓦(W)和伏安(VA)为单位测量的功率通常可以互换,也常被认为是相同的。但从实际使用情况来看远非如此:

实际功率(W)= 电压(V) x 随着时间变化的电流(I)

注意,实际功率的测量单位是瓦(W),表示电流所做的实际功或负载消耗的实际能量。

电子系统通常都包含电感和电容,这些元件被称为电抗元件,它们消耗的功率就是无功功率,单位为伏安电抗(VAR)。实际(有功)功率和无功功率合起来就是视在(或总)功率,单位是伏安(VA)。

何为功率因数?

功率因数(PF)是实际功率与视在功率之比:

功率因数(PF)= 实际功率(W)÷ 视在功率(VA)

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人们经常将W转换为VA(W=VA),这是不准确的,除非设备的功率因数等于1。

对于纯阻性电路来说,比如白炽灯,功率因数为1,因为它的无功功率为0。

在交流电路中功率因数是一个很重要的因素,因为在提供同等真实功率的情况下,任何小于1的功率因数意味着电路的线路必须承载更大的电流。

我们来考虑具有以下特性的两个电机。

电机1:2kW,230V,PF=0.7; 电机2:2kW,230V,PF=1。

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从上述公式可以看出,虽然对两个电机来说总的功耗(2kW)是相等的,但具有较差功率因数的电机1需要承载更大的电流。

通常带有非阻性负载的电子设备的功率因数都小于1。比如紧凑型荧光灯(CFL)的功率因数在0.5到0.7之间,因制造商和额定功率的不同而不同,白炽灯的功率因数始终为1。

值得注意的是,住宅用户是为实际功率而不是作为功率因数结果的无功功率买单,因此纯粹从电力消耗的角度来看,使用荧光灯对消费者来说有好处,家中相同强度的光所耗功率可显著减少。对电力公司而言则没有好处,电力公司必须将电力输送到家中,无功功率越高,意味着输电沿线的线路和变压器等部件中的功率损失就越多。

功率因数小于1的电器有电机、荧光灯、电冰箱、空调和消费电子产品(如电视和电脑),这是因为它们包含某种类型的能量储存元件,比如电容或电感。

功率因数校正

功率因数校正设备一般很简单,就是一个作为额外负载并联的电容。这两种相反电抗的元件并联在一起可以将电路总的无功功率调整到接近于0。

当然,这种校正不会改变负载消耗的实际功率大小,但它会显著减小视在功率,以及从230V电源消耗的总电流。

这是大众市场中大多数节能设备背后的原理。如前所述,它们不会影响实际功率,因为住宅消费者按实际功率付费,所以也不会影响他们的月度账单。

虽然PFC设备不会减少电费,但它确实会使感性负载在经过校正或改善功率因数后工作更有效率,因此也意味着电器设备的磨损折旧变得更少,比如对电机来说消耗的电流降低了,从而能够延长产品寿命。

PFC对住宅特别有用的一种情况是家用逆变器或不间断电源UPS等能量备用系统的设计。将功率因数从0.65校正到1可以使体积减小35%(额定VA值不变),因此在功耗保持不变的情况下可以选择更便宜的逆变器。

在当今的家电市场中,特别是用能源之星来评定家电以来,空调等用电机驱动的电器产品都已集成了大小合适的电容。

能源之星产品不仅定义了一台电器在各种工作模式下可以消耗的最大实际功率,还定义了电器要通过能源之星认证必须满足的最大功率因数。举例来说,针对游戏控制台/计算机推出的能源之星版本5.1要求在满负荷输出时的功率因数大于0.9,或者最大额定输出功率小于75W才能满足要求。

再买一个PFC设备并连到你的电表,不过是在家中增加了一台对家用电器没什么用处的冗余设备,实际上不能帮你省钱,只是一个营销噱头罢了。

技术/工程人员是不是也是这样想的?有没有城市是依据KVA给住宅用户计账并收取他们无功功率的费用?未来是否会出现向住宅用户收取无功功率电费的趋势?

《电子技术设计》2017年11月刊版权所有,转载请注明来源及链接。

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