功率因数的测量1
功率因素
功率因素功率因数是指交流电路有功功率对视在功率的比值。
用户电器设备在一定电压和功率下，该值越高效益越好，发电设备越能充分利用。
常用cosΦ表示 [1]。
中文名功率因数外文名Power Factor别称功率相位差因数表达式cosΦ=P/S应用学科物理学适用领域范围电学适用领域范围热学学科电力工程目录.1简介.2计算.3要求.▪最基本分析.▪基本分析.▪高级分析.4非线性负载.▪非弦波成份.▪畸变功率因子.▪开关电源.5改善.6内容.▪好处.▪改善电能.▪如何提高.▪功率因素.▪功率因数.▪视在功率.▪无功功率.7家电简介功率因数（Power Factor）的大小与电路的负荷性质有关，如白炽灯泡、电阻炉等电阻负荷的功率因数为1，一般具有电感性负载的电路功率因数都小于1。
功率因数是电力系统的一个重要的技术数据。
功率因数是衡量电气设备效率高低的一个系数。
功率因数低，说明电路用于交变磁场转换的无功功率大，从而降低了设备的利用率，增加了线路供电损失。
在交流电路中，电压与电流之间的相位差(Φ)的余弦叫做功率因数，用符号cosΦ表示，在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值，即cosΦ=P/S。
计算功率因数低的根本原因是电感性负载的存在。
例如，生产中最常见的交流异步电动机在额定负载时的功率因数一般为0.7--0.9,如果在轻载时其功率因数就更低。
其它设备如工频炉、电焊变压器以及日光灯等，负载的功率因数也都是较低的。
从功率三角形及其相互关系式中不难看出，在视在功率不变的情况下，功率因数越低（角越大），有功功率就越小，同时无功功率却越大。
这种使供电设备的容量不能得到充分利用，例如容量为1000kVA的变压器，如果cos=1,即能送出1000kW的有功功率；而在cos=0.7时，则只能送出700kW的有功功率。
功率因数低不但降低了供电设备的有效输出，而且加大了供电设备及线路中的损耗，因此，必须采取并联电容器等补偿无功功率的措施，以提高功率因数。
功率因数详解
功率因数功率因数（Power Factor是衡量电气设备效率高低的一个系数。
它的大小与电路的负荷性质有关， 如白炽灯泡、电阻炉等电阻负荷的功率因数为1，一般具有电感性负载的电路功率因数都小于1。
功率因数低，说明无功功率大， 从而降低了设备的利用率，增加了线路供电损失。
关于功率因数的讨论网上也有不少文章，但很多人仍然对一些概念存有误解，这将为系统的设计带来诸多危害，有必要在此再加以澄清。
一、功率因数的由来和含义在电子领域的负载有三个基本品种：电阻、电容和电感。
电阻是消耗功率的器件，电容和电感是储存功率的器件。
日常所用的交流电在纯电阻负载上的电压和电流是同相位的，即相位差q = 0°，如图1(a)所示;交流电在纯电容负载上的电压和电流关系是电流超前电压90°(q =90°)，如图1(b)所示;交流电在纯电感负载上的电压和电流关系是电流滞后电压90°(q = -90°)，如图1(c)所示。
图1 不同性质负载上的电流电压关系功率因数的定义是：(1)在电阻负载上的有功功率就是视在功率，即二者相等，所以功率因数F=1。
而在纯电容和纯电感负载上的电流和电压相位差90°，所以所以功率因数F=cosq = cos90°=0，即在纯电容和纯电感负载上的有功功率为零。
从这里可以看出一个问题，同样是一个电源，对于不同性质的负载其输出的功率的大小和性质也不同，因此可以说负载的性质决定着电源的输出。
换言之，电源的输出不取决于电源的本身，就像一座水塔的供水水流取决于水龙头的开启程度。
从上面的讨论可以看出，功率因数是表征负载性质和大小的一个参数。
而且一般说一个负载只有一种性质，就像一个人只有一个身份证号码一样。
这种性质的确定是从负载的输入端看进去，称为负载的输入功率因数。
一个负载电路完成了，它的输入功率因数也就定了。
比如UPS作为前面市电或发电机的负载而言，比如六脉冲整流输入的UPS，其输入功率因数就是0.8，不论前面是市电电网还是发电机，比如要求输入100kVA的视在功率，都需要向前面的电源索取80kW的有功功率和60kvar的无功功率。
供电系统的功率因数总小于1的原因
供电系统的功率因数总小于1的原因1. 介绍功率因数的概念功率因数是指电路中的有功功率和无功功率之间的关系，通常用来衡量电路中有用功率和无用功率之间的比例。
功率因数的取值范围在0到1之间，而当功率因数等于1时，表示电路中的有功功率和无功功率完美匹配，这是电路运行的理想状态。
然而，在实际的供电系统中，功率因数往往小于1，这给供电系统的稳定运行带来了一定的影响。
2. 过载运行供电系统的功率因数总小于1的原因之一是由于过载运行所致。
在供电系统中，当负载电流超出额定容量时，电路中会产生一定的无功功率，使得功率因数降低。
尤其是在高峰时段，供电系统所承载的负载较大，容易导致功率因数下降。
3. 电感负载电感负载也是造成供电系统功率因数小于1的重要原因之一。
电感负载在电路中会产生一定的感应电流和感应电压，使得电路中的有功功率和无功功率之间的比例发生变化。
特别是在长距离输电线路中，电感负载会更加明显，导致供电系统的功率因数下降。
4. 非线性负载供电系统中的非线性负载也是功率因数小于1的重要原因之一。
非线性负载在电路中会产生谐波电流和谐波电压，导致电路中有用功率和无用功率之间的关系发生变化，使得功率因数下降。
5. 电压波动电压波动也会导致供电系统的功率因数小于1。
在供电系统中，当电压波动较大时，负载电路中的有用功率和无用功率之间的比例会发生变化，使得功率因数下降。
尤其是在电力系统中存在较大负载波动时，功率因数会更加不稳定。
6. 其他因素除上述因素外，供电系统功率因数小于1的原因还可能包括负载变动、电压不平衡等因素。
这些因素都是导致供电系统功率因数下降的重要原因。
供电系统的功率因数总小于1的原因是多方面的，包括过载运行、电感负载、非线性负载、电压波动等多种因素的综合作用。
为了提高供电系统的功率因数，可采取合理控制负载容量、增加功率因数校正装置等措施，以保障供电系统的稳定运行和能效提升。
供电系统的功率因数总小于1的原因是一个复杂的问题，其中涉及到多种因素的综合作用。
DVT 功率因数控制器-1
DVT 功率因数控制器安装及操作手册北京京闰电气有限公司版本：V1.0目录前言 (3)操作手册简介 (3)安全 (3)电磁兼容性 (3)1. 描述 (4)1.1.DVT 特性 (4)1.2 前视图 (5)1.3 全屏显示和键区说明 (6)2．安装 (7)2.1．装备 (7)2.2 后视图 (8)2.3 端子的连接方法 (8)2.4 接线图 (9)3. 简单启动 (10)3.1 菜单指南 (10)3.2 启动DVT 控制器 (10)3.3 试运行 (10)3.3.1 描述 (10)3.3.2 参数 (11)3.3.3 自动运行 (12)4．菜单图表 (13)5．测量 (14)5.1 测量描述 (14)5.2 Overview (16)5.3 System values (16)5.4 Event logging (17)5.4.1 描述 (17)5.4.2 记录数值 (18)5.4.3 实例.................................................................................................................................. .185.5 Measurements printing (18)6. 设置 (19)6.1 更改模式（AUTO-MAN-SET） (19)6.1.1 保护设置 (19)6.1.2 自动模式（AUTO） (20)6.1.3 手动模式（MAN） (20)6.1.4 设置模式（SET） (21)6.2 运行（SET 模式） (21)6.2.1 自动：请查阅详细描述在 3.3 节。
(21)6.2.2 向导 (21)6.3 手动设置（SET 模式） (23)6.3.1 参数描述 (23)6.3.2 闭环控制模式(Closed loop) (24)6.3.3 开环控制模式（open loop） (28)6.3.4 外触发控制模式（external trigger） (32)6.3.5 恢复默认设置（Restore default set） (38)6.4 输入/输出配置（input/output） (39)6.6 打印设置 (41)7 Bank monitoring (42)附录 (43)前言操作手册简介编写本操作手册是为了快速的安装和操作DVT 控制器。
功率因数方法
交流试验电路的电流及电压波形为正弦时，其功率因数为试验电源电压U(空载)与试验电流I 之间的夹角ϕ的余弦。
功率因数的测量方法有很多种，其中较为常见的有以下五种测量方法。
(1)测量全阻抗法测量全阻抗法是在冲击变压器的一次侧施加一低电压，用电压表、电流表和瓦特表直接测量功率因数。
测量时，外施低电压电源的电压应尽可能高，以消除附加的测量误差。
该方法实质上忽略了电网部分的阻抗，只适用于电网短路容量与试验容量之比大于10的情况。
(2)直读法直读法其实是将全阻抗法的测量仪表全部移到变压器二次侧，使得该方法测得的cos ϕ实际上只是负载电路的功率因数，而不是全电路的功率因数。
另外，当试验电流较大时，负载阻抗和连接导线严重发热，导致负载阻抗增大。
故此方法只能在试验电流不大的情况下使用。
(3)相角差法相角差法是通过测定电源的空载电压与电流的周期分量之间的相角差来确定功率因数。
该方法的优点是电路的功率因数在很大的范围内都能测量；缺点是未计入电网部分的阻抗对功率因数的影响，所测得的功率因数不是全电路功率因数。
但是如果电网短路容量比试验容量大10倍以上，该影响可以忽略不计。
(4)直流分量法预期电流i 由周期分量(交流分量)和 非周期分量d I (衰减的直流分量)两部分 组成。
其中非周期分量电流d I 在理论上 可用下列式子表示：0tTd d I Ie -= （5-1）式中 0d I ——d I 的初始值；T ——试验电路全电路的时间常数。
图5-1 通断能力试验电路功率因数测量根据全电流波形，分别量取第一个与第二个电流峰值(1a I 和2a I )和相应的时间(1t 和2t )以及电流周期分量(即达到稳态的电流)峰值m I 。
对应于时间1t 和2t 的直流分量1d I 和2d I 为：11d a m I I I =- 22d a m I I I =-由式(5-1)可得到下列二式：110t T d d I I e-=220t Td d I I e-=将上述二式相除并变化可得：2112()ln d d t t T I I -=(5-2)式中 T ——试验电路的时间常数(即/T L R =)。
功率因数cosφ
功率因数cosφ功率因数cosφ是一个十分重要的参数，它关系到整个电力系统的运行。
本文综述了功率因数cosφ的概念、测量和控制等内容，以便于更好地了解这一重要参数。
1.率因数cosφ的概念功率因数cosφ的核心概念是物理量的位相处理，功率因数cosφ是一种表征位相处理的指标，它用来表示相位和电流、电压之间的处理。
一般来说，功率因数cosφ是指用以衡量电力系统功率因数的一个指标，它表示电压和电流之间的处理是有效的还是无效的，通常它的取值范围是从-1到1。
如果功率因数cosφ的值为1，则表示电压和电流之间的处理是有效的，功率因数cosφ的值越接近1，电力系统的运行效率就越高。
反之，如果功率因数cosφ的值为-1，则表示电压和电流之间的处理是无效的，功率因数cosφ的值越接近-1，电力系统的运行效率就越低。
2.率因数cosφ的测量功率因数cosφ可以通过多种方法进行测量，其中最常用的方法是功率因数仪和示波器。
功率因数仪是一种仪器，它可以看到电流和电压位相之间的处理，并可以直接测量功率因数cosφ的值，这样可以更容易直观地得到功率因数cosφ的结果。
示波器也是一种用于测量功率因数cosφ的仪器，它可以把电压和电流在时间上的变化情况表示出来，结合电压与电流的峰值值和位置，也可以得出功率因数cosφ的值。
另外，也可以通过直流滤波器的方法来测量功率因数cosφ，它可以通过滤除周期外的电流和电压波形来测量功率因数cosφ的值，从而更准确地测量功率因数cosφ。
3.率因数cosφ的控制由于功率因数cosφ是衡量电力系统运行效率的一个重要参数，所以在电力系统的运行过程中，功率因数cosφ的控制就成为了重中之重。
常见的功率因数cosφ的控制方式有电容器补偿、调压器补偿、抵消变压器以及变频器补偿等。
电容器补偿是通过改变电源电容器的容量来改变功率因数cosφ的值，从而改善功率因数cosφ，提高电力系统的效率。
调压器补偿是通过在电源电路中添加调压器来实现功率因数cos φ的控制，调压器可以调整电源电压的值，从而改变功率因数cosφ的值，提高电力系统的效率。
功率因数的测量1
功率因数的测量1.引言功率因数是供用电网络的一个重要参数，它是衡量电力系统是否经济运行的一个重要指标，所以准确测量功率因数在电力系统中具有重要的意义.在正弦电路中，可以通过测量电压、电流间的相位差，计算出功率因数，并根据电流滞后或者超前电压,判断出负载是感性还是电容性的，但在波形严重失真的电力系统或非正弦电路中，由于电压、电流波形发生畸变，谐波电压、电流间也产生无功功率，因此用测量相位差的方法无法准确地测量功率因数。
所以，功率因数的精确测量在电力系统的运行、调度中是非常重要的。
2.功率因数的定义在交流电路中，电压与电流之间的相位差（Φ）的余弦叫做功率因数，用符号 cosΦ表示，在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值，即cosΦ=P/S3。
测量原理系统电路的功率因数测量主要有两种方式：一、通过搭建电路，采样获取负载的有功功率和无功功率，再用勾股定理或三角函数计算功率因数完成.二.对于某一正弦信号，周期性地出现过零点，测出过零点的时间即可以测出该信号的相角。
通过变压器和电流互感器得到低压交流信号，然后通过整形电路将交流信号转换为TTL方波脉冲。
相位差的计算原理是利用输入两路信号过零点的时间差，以及信号的频率来计算2路信号的相位差。
本实验介绍的是利用8051单片机进行电机功率因数测量的方法，具有硬件简单、测量快速、实现方便的特点。
4。
系统硬件设计下图是以STC—51单片机为核心的功率因数测量系统硬件结构图。
该测量系统主要由电流互感器、变压器(电压互感器）、整形修正电路、单片机、LED显示器和通信接口等组成。
图1电流互感器：在测量交变电流的大电流时,为便于二次仪表测量需要转换为比较统一的电流（我国规定电流互感器的二次额定为5A）,另外线路上的电压都比较高如直接测量是非常危险的。
电流互感器就起到变流和电气隔离作用，电流互感器就是升压（降流)变压器. 它是电力系统中测量仪表、继电保护等二次设备获取电气一次回路电流信息的传感器，电流互感器将高电流按比例转换成低电流，电流互感器一次侧接在一次系统，二次侧接测量仪表、继电保护等。
功率因数计算方式
功率因数计算方式功率因数是指交流电中的有功功率与视在功率之比，用数值表示，其范围在-1到1之间。
在交流电路中，电能由电压和电流共同传输，有功功率是电能的实际传输功率，而视在功率是电能的总传输功率。
功率因数的计算方式主要有以下几种：1.直接测量法：功率因数可以通过直接测量电压和电流的相位差来计算。
首先，使用示波器等工具测量电压和电流的波形，并确定相位差的大小。
然后，根据相位差的余弦值即可计算功率因数。
2.乘积计算法：功率因数也可以通过直接计算有功功率和视在功率的乘积来得出。
有功功率可以通过测量电流的有效值，再乘以电压的有效值和功率因数的绝对值得到。
视在功率可以通过测量电流的有效值，再乘以电压的有效值得到。
最终，将有功功率与视在功率的乘积除以它们的绝对值，即可计算功率因数。
3.功率三角计算法：功率三角可以通过绘制一个由有功功率、无功功率和视在功率构成的三角形来计算功率因数。
首先，测量电流的有效值和电压的有效值，再测量电流和电压的相位差。
然后，使用标量法或矢量法将电流和电压的相位差转换为角度量，并根据三角函数的定义计算出有功功率、无功功率和视在功率。
最后，功率因数等于有功功率除以视在功率的绝对值。
4.智能电力仪表法：现代电力仪表通常配备了功率因数测量功能，通过仪表可以直接读取功率因数的数值。
这种方法较为简便，适用于需要经常监测功率因数的场合。
功率因数是衡量电路工作效率的重要指标。
功率因数越接近1，说明电能传输效率越高；功率因数越小于1，说明电能传输效率越低，且可能造成电能的浪费。
因此，合理计算和优化功率因数对于节能减排和电能质量提升具有重要意义。
功率表的使用方法
电动式功率表的使用方法一、电动式功率表的结构及工作原理电动式功率表的结构如图2-1所示。
它的固定部分是由两个平行对称的线圈1组成，这两个线圈可以彼此串联或并联连接，从而可得到不同的量限。
可动部分主要有转轴和装在轴上的可动线圈2，指针3，空气阻尼器4，产生反抗力矩和将电流引入动圈的游线5组成。
电动式功率表的接线如图2-2所示，图中固定线圈串联在被测电路中，流过的电流就是负载电流，因此，这个线圈称为电流线圈。
可动线圈在表内串联一个电阻值很大的电阻R 后与负载电流并联，流过线圈的电流与负载的电压成正比，而且差不多与其相同，因而这个线圈称为电压线圈。
固定线圈产生的磁场与负载电流成正比，该磁场与可动线圈中的电流相互作用，使动圈产生一力矩，并带动指针转动。
在任一瞬间，转动力矩的大小总是与负载电流以及电压瞬时值的乘积成正比，但由于转动部分有机械惯性存在，因此偏转角决定于力矩的平均值，也就是电路的平均功率，即有功功率。
图2-1 电动式功率表的结构RI**负载图2-2 功率表的两种接线方式RI**负载(a)(b)由于电动式功率表是单向偏转，偏转方向与电流线圈和电压线圈中的电流方向有关。
为了使指针不反向偏转，通常把两个线圈的始端都标有“*”或“±”符号，习惯上称之为“同名端”或“发电机端”，接线时必须将有相同符号的端钮接在同一根电源线上。
当弄不清电源线在负载哪一边时，针指可能反转，这时只需将电压线圈端钮的接线对调一下，或将装在电压线圈中改换极性的开关转换一下即可。
图2-2（a ）和2-2（b ）的两种接线方式，都包含功率表本身的一部分损耗。
在图2-2（a ）的电流线圈中流过的电流显然是负载电流，但电压线圈两端电压却等于负载电压加上电流线圈的电压降，即在功率表的读数中多出了电流线圈的损耗。
因此，这种接法比较适用于负载电阻远大于电流线圈电阻（即电流小、电压高、功率小的负载）的测量。
如在日光灯实验中镇流器功率的测量，其电流线圈的损耗就要比负载的功率小得多，功率表的读数就基本上等于负载功率。
实验1：功率因数的提高
实验预习思考题要点
1. 功率因素的提高的实验是强电技术基础实验,通过实验 功率因素的提高的实验是强电技术基础实验 通过实验 要掌握日光灯的工作原理,明确镇流器在日光灯起动及 要掌握日光灯的工作原理 明确镇流器在日光灯起动及 工作的作用,起辉器在起动时的作用。 工作的作用 起辉器在起动时的作用。 起辉器在起动时的作用 . 改善电路的功率因素既可以提高供配电系统的设备利 用率,又可以降低线路电能损耗 提高用电效率。 又可以降低线路电能损耗,提高用电效率 用率 又可以降低线路电能损耗 提高用电效率。 通过实验,明确视在功率 有功功率P,无功功率 明确视在功率S,有功功率 无功功率Q以及用 通过实验 明确视在功率 有功功率 无功功率 以及用 电设备的输入功率P1,与额定功率 的关系。 与额定功率P的关系 电设备的输入功率 与额定功率 的关系。
表1-2 并联C 并联
（uf)
提高功率因数的实验记录表
(A)
P (W) COSφ U (V) I
ILR(A)
ห้องสมุดไป่ตู้
IＣ(A) 计算S
（ＶＡ）
0 1.0 2.2 3.2 4.7
根据实验数据,验证电流相量关系并计算相应的视在功率S. 根据实验数据 验证电流相量关系并计算相应的视在功率 验证电流相量关系并计算相应的视在功率 分析电路功率因数提高的原因。 分析电路功率因数提高的原因。 说明：电子镇流器式日光灯的工作原理可另查有关资料。 说明：电子镇流器式日光灯的工作原理可另查有关资料。
2.改善日光灯功率因数的实验 并联电容 改善日光灯功率因数的实验--并联电容 改善日光灯功率因数的实验 在日光灯电路上并联可调电容,提高功率因数的测量 提高功率因数的测量。 在日光灯电路上并联可调电容 提高功率因数的测量。可 用电流表通过电流插座分别测量三条支路的电流 分别测量三条支路的电流。 用电流表通过电流插座分别测量三条支路的电流。改变并联 电容值，分别测量相应的各支路电流 功率因数COS φ . 各支路电流， 电容值，分别测量相应的各支路电流，功率因数 记录在表1-2中 记录在表 中。
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功率因数的测量
1.引言
功率因数是供用电网络的一个重要参数，它是衡量电力系统是否经济运行的一个重要指标，所以准确测量功率因数在电力系统中具有重要的意义。
在正弦电路中，可以通过测量电压、电流间的相位差，计算出功率因数，并根据电流滞后或者超前电压，判断出负载是感性还是电容性的，但在波形严重失真的电力系统或非正弦电路中，由于电压、电流波形发生畸变，谐波电压、电流间也产生无功功率，因此用测量相位差的方法无法准确地测量功率因数。
所以，功率因数的精确测量在电力系统的运行、调度中是非常重要的。
2.功率因数的定义
在交流电路中，电压与电流之间的相位差(Φ)的余弦叫做功率因数，用符号cosΦ表示，在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值，即cosΦ=P/S
3.测量原理
系统电路的功率因数测量主要有两种方式：一、通过搭建电路，采样获取负载的有功功率和无功功率，再用勾股定理或三角函数计算功率因数完成。
二.对于某一正弦信号，
周期性地出现过零点，测出过零点的时间即可以测出该信号的相角。
通过变压器和电流互感器得到低压交流信号，然后通过整形电路将交流信号转换为TTL方波脉冲。
相位差的计算原理是利用输入两路信号过零点的时间差，以及信号的频率来计算2路信号的相位差。
本实验介绍的是利用8051单片机进行电机功率因数测量的方法，具有硬件简单、测量快速、实现方便的特点。
4.系统硬件设计
下图是以STC-51单片机为核心的功率因数测量系统硬件结构图。
该测量系统主要由电流互感器、变压器（电压互感器）、整形修正电路、单片机、LED显示器和通信接口等组成。
图1
电流互感器：在测量交变电流的大电流时,为便于二次仪表测量需要转换为比较统一的电流（我国规定电流互感器的二次额定为5A），另外线路上的电压都比较高如直接测量是非常危险的。
电流互感器就起到变流和电气隔离作用，电流互感器就是升压(降流)变压器. 它是电力系统中测量仪表、继
电保护等二次设备获取电气一次回路电流信息的传感器，电流互感器将高电流按比例转换成低电流，电流互感器一次侧接在一次系统，二次侧接测量仪表、继电保护等。
1次侧只有1到几匝，导线截面积大，串入被测电路。
2次侧匝数多,导线细,与阻抗较小的仪表(电流表/功率表的电流线圈)构成闭路。
5.整体电路设计
输入整形电路如下图3所示，主要功能是完成信号的隔离、波形变换和相角修正。
为了消除测量端电压、电流互感器结构上的差异而产生的输出电压、电流附加移相角，需要采用电压、电流活儿变送器隔离（其跟随电网电压或负载电流的变化时间仅为1us），以保证相角差的实时测量精度。
在LM393或者UA741 的输入端加了两个IN4733（或者其他的5V稳压管）稳压二极管将输入信号控制在-0.7V—+0.7之间，经过零比较器将正弦信号转变成方波，通过74HC14将得到的方波整形成标准的；用C0除高频信号，滤除谐波干扰；通过74HC74施密特整形触发器，得到TTL 方波信号，。
为单片机提取可采取的信号，及提取相位差，整个过程的波形变换如图2所示。
图2
图3
6.功率因数调整方法
（1）采用人工补偿无功功率的方法，在负载两端并联无功补偿电容器。
（2）采用适当的拓扑结构和控制手段,使输入的电流值跟随输入电压波形,并且相位相同,在交流电向直流电转换的过程当中,保证高功率因数和低的总谐波含量。
设计要求：（1）写出相应的单片机程序；
（2）记录过程中的波形变化；
（3）将单片机显示的功率因数记录下，并且和功率因数测试的结果相比较，并分析误差。