定义
负载功率因数(Power Factor,PF)是交流电路中有功功率(P)与视在功率(S)的比值,即。有功功率是电路中实际用于做功的功率,比如使灯泡发光、电机转动等实际消耗的功率,单位是瓦特(W)。视在功率是电压有效值(U)与电流有效值(I)的乘积,即,单位是伏安(VA)。
物理意义
功率因数反映了交流电路中电源功率被有效利用的程度。功率因数的取值范围是到。当功率因数等于时,说明电源输出的功率全部是有功功率,电能得到了最有效的利用。例如,纯电阻电路(如电阻丝加热设备),电流和电压同相位,其功率因数为。
当功率因数小于时,电路中存在无功功率(Q)。无功功率是用于电路中电场和磁场交换能量,而不对外做功的功率。它会导致电源容量不能被充分利用,并且增加线路损耗。例如,在含有电感(如电动机、变压器等)或电容的电路中,电流和电压存在相位差,就会产生无功功率。
计算公式推导(以 RL 串联电路为例)
设交流电路中电压,对于 RL 串联电路,电流,其中是电压和电流的相位差。
瞬时功率。
根据三角函数的积化和差公式,可得。
有功功率,又因为,,所以。而视在功率,所以功率因数。
实际应用中的重要性
在电力系统中,低功率因数会使发电机、变压器等设备的容量不能得到充分利用。例如,一台额定容量为的变压器,如果负载功率因数为,那么它实际输出的有功功率只有,没有充分发挥其容量。
同时,低功率因数会增加输电线路的损耗。线路损耗(是线路电阻),当功率因数低时,为了输送相同的有功功率,电流会增大,从而导致线路损耗增大。所以,在工业和民用电力系统中,往往需要采取措施提高功率因数,如采用无功补偿装置等。