關(guān)鍵字：LED燈具 功率因數(shù)
什么是功率因數(shù)
我們知道發(fā)電機(jī)都是旋轉(zhuǎn)機(jī)械，產(chǎn)生的電壓就是正弦波，這就是我們所謂的交流電。交流電有個(gè)好處就是通過(guò)電磁感應(yīng)可以用變壓器來(lái)改變其電壓，而且可以升到幾十萬(wàn)伏進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸以減小傳輸中的損耗，到目的地以后再降下來(lái)變成我們常用的市電。我們現(xiàn)在的市電就是220V，50Hz的交流電。而在電工學(xué)里交流電是可以用矢量來(lái)表示的。矢量可以表示電壓也可以表示電流。對(duì)于純電阻的負(fù)載，電壓和電流是同相的，而對(duì)于純電容負(fù)載或純電感負(fù)載，電流和電壓就不同相，而是有個(gè)90度的相角，或者稱為相位差。在純電感負(fù)載時(shí)，其上的電壓是電流90度，而純電容負(fù)載時(shí)，其上的電壓落后于電流90度。
如果我們用波形表示時(shí)，通常把電壓表現(xiàn)為余弦波，如果電流落后于電壓，就是電感負(fù)載，于電壓就是電容負(fù)載。
圖1. 電感負(fù)載的交流電壓和交流電流之間的關(guān)系
因?yàn)閷?shí)際上純電感和純電容都不存在的，實(shí)際的負(fù)載只能稱為電感負(fù)載或者是電容負(fù)載。這時(shí)候其交流電壓和交流電流之間就有個(gè)夾角φ，對(duì)于電感負(fù)載我們把這個(gè)夾角稱為φL，而對(duì)于電容負(fù)載的夾角就稱為φC。（見(jiàn)圖2）
圖2. 電感負(fù)載和電容負(fù)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(fù)載的時(shí)候（電壓和電流同相）是這樣，而在電感或電容負(fù)載的時(shí)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(gè)cosφL或者cosφC稱為功率因數(shù)。
但是由于這個(gè)夾角可以是正的，也可以是負(fù)的，所以功率因數(shù)也是可能為正數(shù)（感負(fù)載）也可能為負(fù)數(shù)（容負(fù)載）。
但是當(dāng)我們用矢量來(lái)電壓和電流時(shí)，前提是它們的頻率必須是相同的。而且是在個(gè)線系統(tǒng)里。
在線系統(tǒng)里我們也會(huì)把功率因數(shù)用有功功率和視在功率之比來(lái)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(shuō)的相角的余弦cosφ。
家用電器的功率因數(shù)
有人測(cè)試了家用電器的功耗和功率因數(shù)，其結(jié)果如下。
這些數(shù)據(jù)當(dāng)然供參考而已。
需要說(shuō)明的是：
1.凡是電熱電器功率因數(shù)都是等于1，因?yàn)樗鼈兌际请娮柝?fù)載。
2.凡是帶馬達(dá)的家用電器（大多數(shù)白色家電）都是感負(fù)載。
3.凡是帶變壓器的家用電器（電視機(jī)、音響）也都是感負(fù)載。
4.24小時(shí)連續(xù)工作的電冰箱是個(gè)耗電很大、功率因數(shù)很低的感負(fù)載。
5.其中的照明燈具因?yàn)橹饕前谉霟?，所以功率因?shù)才會(huì)接近1。
燈具的功率因數(shù)
我們知道白熾燈因?yàn)槭莻€(gè)純電阻，它的功率因數(shù)當(dāng)然等于1。但是使用越來(lái)越多的日光燈和zui近國(guó)家大力推廣的燈就不是這樣了。長(zhǎng)期以來(lái)，日光燈都是用個(gè)大電感和個(gè)起輝器來(lái)啟動(dòng)。點(diǎn)亮以后大電感就串聯(lián)在電路里，所以它基本上是個(gè)感負(fù)載，它的功率因數(shù)只有0.51-0.56。以后改用電子鎮(zhèn)流器，功率因數(shù)要好些，但是因?yàn)殡娮渔?zhèn)流器很燒毀，所以用得zui多的還是電感鎮(zhèn)流器。
而燈的功率因數(shù)也是只有0.54左右，而且也是感負(fù)載。
LED燈具的功率因數(shù)
因?yàn)長(zhǎng)ED是個(gè)半導(dǎo)體二管，它需要直流供電，如果用市電供電的話，就會(huì)有個(gè)整流器，通常是二管整流橋。為了得到盡可能平滑的直流避免出現(xiàn)紋波閃爍，通常都需要加上個(gè)大電解電容。而后面的LED可以近似為個(gè)電阻，所以整個(gè)電路如圖3所示。
其電流電壓如圖4所示。
整流后的電壓電流波形都不是正弦波，而且雖然整流前的電壓波形是正弦波，但是其電流波形也不是正弦波。所以整個(gè)系統(tǒng)是個(gè)非線系統(tǒng)。而本來(lái)功率因數(shù)是針對(duì)線系統(tǒng)定義的，而且要求輸入輸出電壓電流都是同頻率的正弦形，否則的話無(wú)法采用Cosφ。但是在非正弦系統(tǒng)中，因?yàn)殡妷弘娏鞑ㄐ味疾皇钦也?，是沒(méi)有什么相位角可以說(shuō)的。所以非線系統(tǒng)中的功率因數(shù)必須重新定義。
圖3. LED燈具的等效電路
圖4. 橋式整流加電容濾波后的電壓電流波形
如前所述功率因數(shù)的另個(gè)定義是有功功率和視在功率之比。有功功率是指實(shí)際輸出的功率，而視在功率是指輸入電壓值和輸入電流值的乘積。這個(gè)在正弦波系統(tǒng)里是可以和Cosφ等效的，所以是沒(méi)有問(wèn)題的。但是在非線系統(tǒng)里，什么是有功功率什么是視在功率就很值得探討的了。
因?yàn)樵诜蔷€系統(tǒng)里，其電流波形有很多次諧波（見(jiàn)圖5），
圖5. 普通橋式整流器的電流次諧波
所以到底拿什么來(lái)作為其視在功率，就是個(gè)很大的問(wèn)題。現(xiàn)在有做法。
1.將電流的基波值和正弦電壓值相乘來(lái)作為其視在功率，或是把基波電流相位的余弦作為功率因數(shù)，或是把電流波形的過(guò)零點(diǎn)相位的余弦作為功率因素。有些儀器就是這樣來(lái)測(cè)量的。由這個(gè)電流的波形圖中就可以看出，這種波形的次諧波豐富，其基波很小，如果用基波電流來(lái)乘基波電壓，那么是得到的功率相比有功功率就很小，這樣它的功率因數(shù)就會(huì)很甚至有可能大于1。
例如在些指針式的功率因素計(jì)就是如此。
2.采用電壓的值和電流的值相乘來(lái)作為視在功率。
現(xiàn)在很多數(shù)字式功率因數(shù)儀是采用電壓值和電流值的乘積來(lái)作為視在功率的。
對(duì)于非正弦波電流的值可以用各次諧波電流的均方根值來(lái)表示：
如果定義功率因數(shù)等于實(shí)際功率和視在功率之比
通常把諧波失真定義為：
現(xiàn)在的很多數(shù)字式功率因素計(jì)基本上都是用這種方法來(lái)定義的。
但是功率的定義必須是相同頻率正弦波的電壓值和電流值的乘積。電流次諧波值和基波電壓值的乘積不能認(rèn)為是功率，因?yàn)槠漕l率不樣，所以是沒(méi)有意義的數(shù)字。所以用這種方法來(lái)定義視在功率是有問(wèn)題的。遺憾的是，現(xiàn)在很多數(shù)字儀表都是這樣來(lái)測(cè)量的。
實(shí)際上，這個(gè)問(wèn)題在學(xué)術(shù)界是直存在爭(zhēng)議的，所以美國(guó)的碩士論文和瑞典的博士論文都還在研究這個(gè)問(wèn)題。
例如瑞典的Stefan Svensson在他的博士論文里就指出，在非線的情況下，現(xiàn)在對(duì)于功率因數(shù)就已經(jīng)有人提出了7種不同的定義，同樣個(gè)非線系統(tǒng)在不同的定義下，就可能得出不同的功率因數(shù)值。而且不管是哪種定義它都不當(dāng)初在線系統(tǒng)里提出功率因數(shù)的初衷。例如。在線系統(tǒng)里，只要采用純電容或純電感就可以補(bǔ)償感或容的負(fù)載。這在非線系統(tǒng)里顯然是無(wú)效的。所以這些定義的功率因數(shù)失去了原來(lái)功率因數(shù)的含義。
其實(shí)，在非線負(fù)載時(shí)，zui大的問(wèn)題是諧波電流，因?yàn)殡m然諧波電流不能和基波電壓形成視在功率，但是諧波電流的平方乘以線路電阻就會(huì)引起熱損耗。而且這種諧波電流是無(wú)法采用簡(jiǎn)單的電容或電感加以補(bǔ)償?shù)?。所以真正需要的是諧波電流值。而不是所謂的“功率因數(shù)”。
現(xiàn)在的有關(guān)規(guī)定是否合理
就算我們接受現(xiàn)有的普通功率因數(shù)測(cè)量?jī)x所測(cè)得的LED燈具的功率因數(shù)值，但是到底是多少是允許的。按照美國(guó)能源之星規(guī)定凡是功率小于5瓦的LED燈具不要求功率因數(shù)。而大于5瓦則要求功率因數(shù)必須于0.7。中國(guó)現(xiàn)在采用和美國(guó)樣的規(guī)定。但深圳市LED產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的規(guī)定<10W, PF>0.7；功率在10W-30W之間，PF>0.85；功率>30W，PF>0.9。比國(guó)家規(guī)定還要。
但是這個(gè)規(guī)定顯然是不合理的。
1. 為什么對(duì)于含汞的“燈”規(guī)定15瓦以上才有功率因數(shù)的要求，反而對(duì)于既又環(huán)保的LED燈具提出為嚴(yán)格的要求。這顯然是對(duì)于減排促進(jìn)LED燈具的推廣是有害而無(wú)益的。這使人不得不懷疑其中涉及某些大公司的利益。
2. 大多數(shù)的LED燈具的功率因數(shù)都是負(fù)值，也就是容負(fù)載。而絕大多數(shù)的家電都是感負(fù)載，本來(lái)電業(yè)局都需要采用大型壓電容在變壓器的次加以補(bǔ)償，現(xiàn)在有了LED燈具可以在負(fù)載端就加以補(bǔ)償，這顯然是好事，為什么還要加以。
3. 雖然現(xiàn)在很多LED驅(qū)動(dòng)電源都加上了功率因數(shù)校正使其接近于1。但是具有諷刺意味的是，當(dāng)初之所以很多LED驅(qū)動(dòng)芯片公司力開(kāi)發(fā)功率因數(shù)芯片的主要原因是為了能夠和可控硅調(diào)光器（Triac）相配合。因?yàn)樵瓉?lái)的可控硅調(diào)光器只能用于功率因數(shù)為1的純阻白熾燈?，F(xiàn)在LED燈具提了功率因數(shù)所以就可以和可控硅調(diào)光器相配合了。但是采用可控硅調(diào)光器以后整體的功率因數(shù)卻隨著光線調(diào)暗而越來(lái)越差，直到小于0.5。而且整體的效率也越來(lái)越低，失去了LED的的優(yōu)點(diǎn)。下面是作者實(shí)測(cè)的可控硅調(diào)光系統(tǒng)的功率因數(shù)值：
由表中可見(jiàn)，即使是功率因數(shù)已經(jīng)改進(jìn)至于0.96的LED燈具，但是在和可控硅配合在起進(jìn)行調(diào)光時(shí)，當(dāng)輸入功率從9.4W調(diào)到6W時(shí)，其整體的功率因數(shù)就從0.96降低到0.635.而無(wú)法>0.7的要求了。何況其整體的效率也低下。失去LED燈具的的優(yōu)點(diǎn)了。
實(shí)際上LED的zui大特點(diǎn)就是它很實(shí)現(xiàn)低功率模擬調(diào)光甚至無(wú)需功率的數(shù)字PWM調(diào)光。難以理解的是有關(guān)當(dāng)局對(duì)于可控硅這樣個(gè)幾十年以前的落后的調(diào)光器件卻沒(méi)有功率因數(shù)的，而且還對(duì)其去配合的LED使用熟視無(wú)睹。這種配合美其名曰“與現(xiàn)存設(shè)備兼容”。而實(shí)際上是任意遷就落后！
zui近我們從日本買(mǎi)來(lái)些日本本國(guó)使用的LED球泡燈，并且測(cè)量了它的功率因數(shù)，所得結(jié)果如下：
由此看來(lái)，日本對(duì)于至少15W以下的球泡燈都沒(méi)有功率因數(shù)的要求。這對(duì)于LED燈具在日本的迅速推廣起了很大的促進(jìn)作用。
結(jié)束語(yǔ)
科學(xué)發(fā)展觀中zui重要的就是可持續(xù)發(fā)展。而其中重中之重就是減排。對(duì)于切減排的新生科技國(guó)家都應(yīng)該加以扶植。LED就是其中zui重要的項(xiàng)。想當(dāng)初國(guó)家還曾經(jīng)免費(fèi)發(fā)送每家每戶個(gè)燈以取代白熾燈。但燈存在著光效不夠、有汞污染、易碎等很多問(wèn)題。遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法和LED相比。現(xiàn)在LED已經(jīng)日趨成熟，國(guó)家應(yīng)該以大的力度從各方面來(lái)加以扶植并力推廣！不應(yīng)該設(shè)置比燈嚴(yán)格的功率因數(shù)的指標(biāo)要求，來(lái)LED的發(fā)展！
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