關鍵字：LED燈具 功率因數
什么是功率因數
我們知道發電機都是旋轉機械，產生的電壓就是正弦波，這就是我們所謂的交流電。交流電有個好處就是通過電磁感應可以用變壓器來改變其電壓，而且可以升到幾十萬伏進行遠距離傳輸以減小傳輸中的損耗，到目的地以后再降下來變成我們常用的市電。我們現在的市電就是220V，50Hz的交流電。而在電工學里交流電是可以用矢量來表示的。矢量可以表示電壓也可以表示電流。對于純電阻的負載，電壓和電流是同相的，而對于純電容負載或純電感負載，電流和電壓就不同相，而是有個90度的相角，或者稱為相位差。在純電感負載時，其上的電壓是電流90度，而純電容負載時，其上的電壓落后于電流90度。
如果我們用波形表示時，通常把電壓表現為余弦波，如果電流落后于電壓，就是電感負載，于電壓就是電容負載。
圖1. 電感負載的交流電壓和交流電流之間的關系
因為實際上純電感和純電容都不存在的，實際的負載只能稱為電感負載或者是電容負載。這時候其交流電壓和交流電流之間就有個夾角φ，對于電感負載我們把這個夾角稱為φL，而對于電容負載的夾角就稱為φC。（見圖2）
圖2. 電感負載和電容負載電壓和電流的矢量表示法
功率等于電壓和電流的乘積，但是只有在純阻負載的時候（電壓和電流同相）是這樣，而在電感或電容負載的時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cosφL或者cosφC稱為功率因數。
但是由于這個夾角可以是正的，也可以是負的，所以功率因數也是可能為正數（感負載）也可能為負數（容負載）。
但是當我們用矢量來電壓和電流時，前提是它們的頻率必須是相同的。而且是在個線系統里。
在線系統里我們也會把功率因數用有功功率和視在功率之比來表示。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的相角的余弦cosφ。
家用電器的功率因數
有人測試了家用電器的功耗和功率因數，其結果如下。
這些數據當然供參考而已。
需要說明的是：
1.凡是電熱電器功率因數都是等于1，因為它們都是電阻負載。
2.凡是帶馬達的家用電器（大多數白色家電）都是感負載。
3.凡是帶變壓器的家用電器（電視機、音響）也都是感負載。
4.24小時連續工作的電冰箱是個耗電很大、功率因數很低的感負載。
5.其中的照明燈具因為主要是白熾燈，所以功率因數才會接近1。
燈具的功率因數
我們知道白熾燈因為是個純電阻，它的功率因數當然等于1。但是使用越來越多的日光燈和zui近國家大力推廣的燈就不是這樣了。長期以來，日光燈都是用個大電感和個起輝器來啟動。點亮以后大電感就串聯在電路里，所以它基本上是個感負載，它的功率因數只有0.51-0.56。以后改用電子鎮流器，功率因數要好些，但是因為電子鎮流器很燒毀，所以用得zui多的還是電感鎮流器。
而燈的功率因數也是只有0.54左右，而且也是感負載。
LED燈具的功率因數
因為LED是個半導體二管，它需要直流供電，如果用市電供電的話，就會有個整流器，通常是二管整流橋。為了得到盡可能平滑的直流避免出現紋波閃爍，通常都需要加上個大電解電容。而后面的LED可以近似為個電阻，所以整個電路如圖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。所以整個系統是個非線系統。而本來功率因數是針對線系統定義的，而且要求輸入輸出電壓電流都是同頻率的正弦形，否則的話無法采用Cosφ。但是在非正弦系統中，因為電壓電流波形都不是正弦波，是沒有什么相位角可以說的。所以非線系統中的功率因數必須重新定義。
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
如前所述功率因數的另個定義是有功功率和視在功率之比。有功功率是指實際輸出的功率，而視在功率是指輸入電壓值和輸入電流值的乘積。這個在正弦波系統里是可以和Cosφ等效的，所以是沒有問題的。但是在非線系統里，什么是有功功率什么是視在功率就很值得探討的了。
因為在非線系統里，其電流波形有很多次諧波（見圖5），
圖5. 普通橋式整流器的電流次諧波
所以到底拿什么來作為其視在功率，就是個很大的問題。現在有做法。
1.將電流的基波值和正弦電壓值相乘來作為其視在功率，或是把基波電流相位的余弦作為功率因數，或是把電流波形的過零點相位的余弦作為功率因素。有些儀器就是這樣來測量的。由這個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，這樣它的功率因數就會很甚至有可能大于1。
例如在些指針式的功率因素計就是如此。
2.采用電壓的值和電流的值相乘來作為視在功率。
現在很多數字式功率因數儀是采用電壓值和電流值的乘積來作為視在功率的。
對于非正弦波電流的值可以用各次諧波電流的均方根值來表示：
如果定義功率因數等于實際功率和視在功率之比
通常把諧波失真定義為：
現在的很多數字式功率因素計基本上都是用這種方法來定義的。
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為是功率，因為其頻率不樣，所以是沒有意義的數字。所以用這種方法來定義視在功率是有問題的。遺憾的是，現在很多數字儀表都是這樣來測量的。
實際上，這個問題在學術界是直存在爭議的，所以美國的碩士論文和瑞典的博士論文都還在研究這個問題。
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，現在對于功率因數就已經有人提出了7種不同的定義，同樣個非線系統在不同的定義下，就可能得出不同的功率因數值。而且不管是哪種定義它都不當初在線系統里提出功率因數的初衷。例如。在線系統里，只要采用純電容或純電感就可以補償感或容的負載。這在非線系統里顯然是無效的。所以這些定義的功率因數失去了原來功率因數的含義。
其實，在非線負載時，zui大的問題是諧波電流，因為雖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引起熱損耗。而且這種諧波電流是無法采用簡單的電容或電感加以補償的。所以真正需要的是諧波電流值。而不是所謂的“功率因數”。
現在的有關規定是否合理
就算我們接受現有的普通功率因數測量儀所測得的LED燈具的功率因數值，但是到底是多少是允許的。按照美國能源之星規定凡是功率小于5瓦的LED燈具不要求功率因數。而大于5瓦則要求功率因數必須于0.7。中國現在采用和美國樣的規定。但深圳市LED產業聯盟的規定<10W, PF>0.7；功率在10W-30W之間，PF>0.85；功率>30W，PF>0.9。比國家規定還要。
但是這個規定顯然是不合理的。
1. 為什么對于含汞的“燈”規定15瓦以上才有功率因數的要求，反而對于既又環保的LED燈具提出為嚴格的要求。這顯然是對于減排促進LED燈具的推廣是有害而無益的。這使人不得不懷疑其中涉及某些大公司的利益。
2. 大多數的LED燈具的功率因數都是負值，也就是容負載。而絕大多數的家電都是感負載，本來電業局都需要采用大型壓電容在變壓器的次加以補償，現在有了LED燈具可以在負載端就加以補償，這顯然是好事，為什么還要加以。
3. 雖然現在很多LED驅動電源都加上了功率因數校正使其接近于1。但是具有諷刺意味的是，當初之所以很多LED驅動芯片公司力開發功率因數芯片的主要原因是為了能夠和可控硅調光器（Triac）相配合。因為原來的可控硅調光器只能用于功率因數為1的純阻白熾燈。現在LED燈具提了功率因數所以就可以和可控硅調光器相配合了。但是采用可控硅調光器以后整體的功率因數卻隨著光線調暗而越來越差，直到小于0.5。而且整體的效率也越來越低，失去了LED的的優點。下面是作者實測的可控硅調光系統的功率因數值：
由表中可見，即使是功率因數已經改進至于0.96的LED燈具，但是在和可控硅配合在起進行調光時，當輸入功率從9.4W調到6W時，其整體的功率因數就從0.96降低到0.635.而無法>0.7的要求了。何況其整體的效率也低下。失去LED燈具的的優點了。
實際上LED的zui大特點就是它很實現低功率模擬調光甚至無需功率的數字PWM調光。難以理解的是有關當局對于可控硅這樣個幾十年以前的落后的調光器件卻沒有功率因數的，而且還對其去配合的LED使用熟視無睹。這種配合美其名曰“與現存設備兼容”。而實際上是任意遷就落后！
zui近我們從日本買來些日本本國使用的LED球泡燈，并且測量了它的功率因數，所得結果如下：
由此看來，日本對于至少15W以下的球泡燈都沒有功率因數的要求。這對于LED燈具在日本的迅速推廣起了很大的促進作用。
結束語
科學發展觀中zui重要的就是可持續發展。而其中重中之重就是減排。對于切減排的新生科技國家都應該加以扶植。LED就是其中zui重要的項。想當初國家還曾經免費發送每家每戶個燈以取代白熾燈。但燈存在著光效不夠、有汞污染、易碎等很多問題。遠遠無法和LED相比。現在LED已經日趨成熟，國家應該以大的力度從各方面來加以扶植并力推廣！不應該設置比燈嚴格的功率因數的指標要求，來LED的發展！
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