探讨LED灯具的功率因数
时间：2013-06-20 阅读：2720
关键字：LED灯具 功率因数
什么是功率因数
我们知道发电机都是旋转机械，产生的电压就是正弦波，这就是我们所谓的交流电。交流电有个好处就是通过电磁感应可以用变压器来改变其电压，而且可以升到几十万伏进行远距离传输以减小传输中的损耗，到目的地以后再降下来变成我们常用的市电。我们现在的市电就是220V，50Hz的交流电。而在电工学里交流电是可以用矢量来表示的。矢量可以表示电压也可以表示电流。对于纯电阻的负载，电压和电流是同相的，而对于纯电容负载或纯电感负载，电流和电压就不同相，而是有个90度的相角，或者称为相位差。在纯电感负载时，其上的电压是电流90度，而纯电容负载时，其上的电压落后于电流90度。
如果我们用波形表示时，通常把电压表现为余弦波，如果电流落后于电压，就是电感负载，于电压就是电容负载。
图1. 电感负载的交流电压和交流电流之间的关系
因为实际上纯电感和纯电容都不存在的，实际的负载只能称为电感负载或者是电容负载。这时候其交流电压和交流电流之间就有个夹角φ，对于电感负载我们把这个夹角称为φL，而对于电容负载的夹角就称为φC。（见图2）
图2. 电感负载和电容负载电压和电流的矢量表示法
功率等于电压和电流的乘积，但是只有在纯阻负载的时候（电压和电流同相）是这样，而在电感或电容负载的时候就要把电流的矢量投影到电压矢量（水平轴）上去，也就是要乘以cosφL或者cosφC。我们通常就把这个cosφL或者cosφC称为功率因数。
但是由于这个夹角可以是正的，也可以是负的，所以功率因数也是可能为正数（感负载）也可能为负数（容负载）。
但是当我们用矢量来电压和电流时，前提是它们的频率必须是相同的。而且是在个线系统里。
在线系统里我们也会把功率因数用有功功率和视在功率之比来表示。所谓有功功率就是和电流同相的那部分电压和电流的值的乘积。而视在功率就是不考虑其间的相位差而将电压和电流的值直接相乘所得到的“功率”。而这二者之比显然就是前面所说的相角的余弦cosφ。
家用电器的功率因数
有人测试了家用电器的功耗和功率因数，其结果如下。
这些数据当然供参考而已。
需要说明的是：
1.凡是电热电器功率因数都是等于1，因为它们都是电阻负载。
2.凡是带马达的家用电器（大多数白色家电）都是感负载。
3.凡是带变压器的家用电器（电视机、音响）也都是感负载。
4.24小时连续工作的电冰箱是个耗电很大、功率因数很低的感负载。
5.其中的照明灯具因为主要是白炽灯，所以功率因数才会接近1。
灯具的功率因数
我们知道白炽灯因为是个纯电阻，它的功率因数当然等于1。但是使用越来越多的日光灯和zui近国家大力推广的灯就不是这样了。长期以来，日光灯都是用个大电感和个起辉器来启动。点亮以后大电感就串联在电路里，所以它基本上是个感负载，它的功率因数只有0.51-0.56。以后改用电子镇流器，功率因数要好些，但是因为电子镇流器很烧毁，所以用得zui多的还是电感镇流器。
而灯的功率因数也是只有0.54左右，而且也是感负载。
LED灯具的功率因数
因为LED是个半导体二管，它需要直流供电，如果用市电供电的话，就会有个整流器，通常是二管整流桥。为了得到尽可能平滑的直流避免出现纹波闪烁，通常都需要加上个大电解电容。而后面的LED可以近似为个电阻，所以整个电路如图3所示。
其电流电压如图4所示。
整流后的电压电流波形都不是正弦波，而且虽然整流前的电压波形是正弦波，但是其电流波形也不是正弦波。所以整个系统是个非线系统。而本来功率因数是针对线系统定义的，而且要求输入输出电压电流都是同频率的正弦形，否则的话无法采用Cosφ。但是在非正弦系统中，因为电压电流波形都不是正弦波，是没有什么相位角可以说的。所以非线系统中的功率因数必须重新定义。
图3. LED灯具的等效电路
图4. 桥式整流加电容滤波后的电压电流波形
如前所述功率因数的另个定义是有功功率和视在功率之比。有功功率是指实际输出的功率，而视在功率是指输入电压值和输入电流值的乘积。这个在正弦波系统里是可以和Cosφ等效的，所以是没有问题的。但是在非线系统里，什么是有功功率什么是视在功率就很值得探讨的了。
因为在非线系统里，其电流波形有很多次谐波（见图5），
图5. 普通桥式整流器的电流次谐波
所以到底拿什么来作为其视在功率，就是个很大的问题。现在有做法。
1.将电流的基波值和正弦电压值相乘来作为其视在功率，或是把基波电流相位的余弦作为功率因数，或是把电流波形的过零点相位的余弦作为功率因素。有些仪器就是这样来测量的。由这个电流的波形图中就可以看出，这种波形的次谐波丰富，其基波很小，如果用基波电流来乘基波电压，那么是得到的功率相比有功功率就很小，这样它的功率因数就会很甚至有可能大于1。
例如在些指针式的功率因素计就是如此。
2.采用电压的值和电流的值相乘来作为视在功率。
现在很多数字式功率因数仪是采用电压值和电流值的乘积来作为视在功率的。
对于非正弦波电流的值可以用各次谐波电流的均方根值来表示：
如果定义功率因数等于实际功率和视在功率之比
通常把谐波失真定义为：
现在的很多数字式功率因素计基本上都是用这种方法来定义的。
但是功率的定义必须是相同频率正弦波的电压值和电流值的乘积。电流次谐波值和基波电压值的乘积不能认为是功率，因为其频率不样，所以是没有意义的数字。所以用这种方法来定义视在功率是有问题的。遗憾的是，现在很多数字仪表都是这样来测量的。
实际上，这个问题在学术界是直存在争议的，所以美国的硕士论文和瑞典的博士论文都还在研究这个问题。
例如瑞典的Stefan Svensson在他的博士论文里就指出，在非线的情况下，现在对于功率因数就已经有人提出了7种不同的定义，同样个非线系统在不同的定义下，就可能得出不同的功率因数值。而且不管是哪种定义它都不当初在线系统里提出功率因数的初衷。例如。在线系统里，只要采用纯电容或纯电感就可以补偿感或容的负载。这在非线系统里显然是无效的。所以这些定义的功率因数失去了原来功率因数的含义。
其实，在非线负载时，zui大的问题是谐波电流，因为虽然谐波电流不能和基波电压形成视在功率，但是谐波电流的平方乘以线路电阻就会引起热损耗。而且这种谐波电流是无法采用简单的电容或电感加以补偿的。所以真正需要的是谐波电流值。而不是所谓的“功率因数”。
现在的有关规定是否合理
就算我们接受现有的普通功率因数测量仪所测得的LED灯具的功率因数值，但是到底是多少是允许的。按照美国能源之星规定凡是功率小于5瓦的LED灯具不要求功率因数。而大于5瓦则要求功率因数必须于0.7。中国现在采用和美国样的规定。但深圳市LED产业联盟的规定<10W, PF>0.7；功率在10W-30W之间，PF>0.85；功率>30W，PF>0.9。比国家规定还要。
但是这个规定显然是不合理的。
1. 为什么对于含汞的“灯”规定15瓦以上才有功率因数的要求，反而对于既又环保的LED灯具提出为严格的要求。这显然是对于减排促进LED灯具的推广是有害而无益的。这使人不得不怀疑其中涉及某些大公司的利益。
2. 大多数的LED灯具的功率因数都是负值，也就是容负载。而绝大多数的家电都是感负载，本来电业局都需要采用大型压电容在变压器的次加以补偿，现在有了LED灯具可以在负载端就加以补偿，这显然是好事，为什么还要加以。
3. 虽然现在很多LED驱动电源都加上了功率因数校正使其接近于1。但是具有讽刺意味的是，当初之所以很多LED驱动芯片公司力开发功率因数芯片的主要原因是为了能够和可控硅调光器（Triac）相配合。因为原来的可控硅调光器只能用于功率因数为1的纯阻白炽灯。现在LED灯具提了功率因数所以就可以和可控硅调光器相配合了。但是采用可控硅调光器以后整体的功率因数却随着光线调暗而越来越差，直到小于0.5。而且整体的效率也越来越低，失去了LED的的优点。下面是作者实测的可控硅调光系统的功率因数值：
由表中可见，即使是功率因数已经改进至于0.96的LED灯具，但是在和可控硅配合在起进行调光时，当输入功率从9.4W调到6W时，其整体的功率因数就从0.96降低到0.635.而无法>0.7的要求了。何况其整体的效率也低下。失去LED灯具的的优点了。
实际上LED的zui大特点就是它很实现低功率模拟调光甚至无需功率的数字PWM调光。难以理解的是有关当局对于可控硅这样个几十年以前的落后的调光器件却没有功率因数的，而且还对其去配合的LED使用熟视无睹。这种配合美其名曰“与现存设备兼容”。而实际上是任意迁就落后！
zui近我们从日本买来些日本本国使用的LED球泡灯，并且测量了它的功率因数，所得结果如下：
由此看来，日本对于至少15W以下的球泡灯都没有功率因数的要求。这对于LED灯具在日本的迅速推广起了很大的促进作用。
结束语
科学发展观中zui重要的就是可持续发展。而其中重中之重就是减排。对于切减排的新生科技国家都应该加以扶植。LED就是其中zui重要的项。想当初国家还曾经免费发送每家每户个灯以取代白炽灯。但灯存在着光效不够、有汞污染、易碎等很多问题。远远无法和LED相比。现在LED已经日趋成熟，国家应该以大的力度从各方面来加以扶植并力推广！不应该设置比灯严格的功率因数的指标要求，来LED的发展！