详解led灯具的功率因数.doc

功率因数从来不是什么问题，过去国家有规定，要功率超过 75 瓦才有功率因数的要求(到 现在为止，对于笔记本电脑还是规定 75W 以下无功率因数要求)所以从来没有对灯具提 出过什么功率因数的要求就像日光灯吧，功率因数都是很差的，从来也没有人提出过意 见，国家也没有提出什么要求后来有了节能灯，国家虽然提出了一个要求，但是非常宽 松，对 15 瓦以上才有要求，而节能灯大多数是小于 15 瓦的所以等于没有提出要求唯 独出现 LED 灯具以后反而严格要求起来了，只有在 5 瓦以下才不要求，5W 以上必须要求 功率因数>0.7而 LED 灯具除了很小的 MR16 射灯是 3 瓦以外，绝大多数都是在 5 瓦以上 所以这个规定正好卡住了 LED 的脖子那么，让我们仔细来了解一下有关功率因数的问题 吧!一. 什么是功率因数我们知道所有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 电交流电有一个好处就是通过电磁感应可以用变压器来改变其电压，而且可以升高到几 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，而是有一个 90 度的相角，或者称为相位差 在纯电感负载时，其上的电压是领先电流 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 性负载，领先于电压就是电容性负载图1. 电感性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性负载或者是电容 性负载这时候其交流电压和交流电流之间就有一个夹角 φ，对于电感性负载我们把这个 夹角称为 φL，而对于电容性负载的夹角就称为 φC见图2)交流电压纯电容负载的交流电流纯电感负载的交流电流交流电压实际容性负载的交流电流实际感性负载的交流电流φCφL图2. 电感性负载和电容性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， 而在电感性或电容性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(感性负载)也可能为负数(容性负载)但是当我们用矢量来代表电压和电流时，前提是它们的频率必须是完全相同的 而且是在一个线性系统里性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有效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有效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二. 各种家用电器的功率因数有人测试了各种家用电器的功耗和功率因数，其结果如下：序号 名称 设备容量(W) 功率因数 无功功率(var) 视在功率(VA)1 照明 200 0.90 96.86 222.222 空调 3000 0.80 2250.00 3750.003 电冰箱 150 0.60 200.00 250.004 微波炉 1000 0.90 484.32 1111.115 电热水器 2000 1.00 0.00 2000.006 电饭煲 1000 1.00 0.00 1000.007 计算机 300 0.80 225.00 375.008 打印机 250 0.80 187.50 312.509 电视机 200 0.80 150.00 250.0010 洗衣机 200 0.60 266.67 333.3311 抽油烟机 50 0. 80 37.50 62.5012 音响 300 0.60 400.00 500.0013 饮水机 600 1.00 0.00 600.0014 卫生设备 1000 1.00 0.00 1000.0015 保健设备 600 0.80 450.00 750.0016 录象机 200 0.90 96.86 222.2217 DVD\VCD 100 0.90 48.43 111.11这些数据当然仅供参考而已。

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)都是感性负载3. 凡是带变压器的家用电器(电视机、音响)也都是感性负载4. 24 小时连续工作的电冰箱是一个耗电很大、功率因数很低的感性负载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 1三. 各种灯具的功率因数我们知道白炽灯因为是一个纯电阻，它的功率因数当然等于 1但是使用越来越 多的日光灯和最近国家大力推广的节能灯就不是这样了长期以来，日光灯都是用一个大 电感和一个起辉器来启动点亮以后大电感就串联在电路里，所以它基本上是一个感性负 载，它的功率因数只有 0.51-0.56以后改用电子镇流器，功率因数要好一些，但是因为电 子镇流器很容易烧毁，所以用得最多的还是电感镇流器而节能灯的功率因数也是只有 0.54 左右，而且也是感性负载四. LED 灯具的功率因数因为 LED 是一个半导体二极管，它需要直流供电，如果用市电供电的话，就一定 会有一个整流器，通常是二极管整流桥为了得到尽可能平滑的直流避免出现纹波闪烁， 通常都需要加上一个大电解电容而后面的 LED 可以近似为一个电阻，所以整个电路如图 3 所示。

图3. LED 灯具的等效电路其各种电流电压如图4所示图 4. 桥式整流加电容滤波后的电压电流波形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一个非线性系统而本来功率因数是针对线 性系统定义的，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 的所以非线性系统中的功率因数必须重新定义如前所述功率因数的另一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有效值和输入电流有效值的乘积这个在正弦波系 统里是完全可以和 Cosφ 等效的，所以是没有问题的但是在非线性系统里，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性系统里，其电流波形有很多高次谐波(见图 5)，图5. 普通桥式整流器的电流高次谐波所以到底拿什么来作为其视在功率，就是一个很大的问题现在有各种做法1. 将电流的基波有效值和正弦电压有效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，这种波形的高次谐波非常丰富，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高甚至有可能大于1例如在一些指针式的功率因素计就是如此2. 采用电压的有效值和电流的有效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有效值和电流有效值的乘积来作为视在功率的对于非正弦波电流的有效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有效值和电流有效值的乘积电流高次 谐波有效值和基波电压有效值的乘积不能认为是功率，因为其频率不一样，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一直存在争议的，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，在非线性的情况下，现在对于 功率因数就已经有人提出了 7 种不同的定义，同样一个非线性系统在不同的定义下，就可 能得出完全不同的功率因数值。

而且不管是哪种定义它都不符合当初性系统里提出功 率因数的初衷性系统里，只要采用纯电容或纯电感就可以补偿感性或容性的 负载这在非线性系统里显然是无效的所以这些定义的功率因数完全失去了原来功率因 数的含义其实，在非线性负载时，最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限制的是谐波电流值而不是 所谓的“功率因数”五. 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高于 0.7中国现在采用和美国一样的规定但深圳市 LED 产业标准联盟的标准规定0.7;功率在 10W-30W 之间，PF>0.85;功率> 30W，PF>0.9比国家规定还要高但是这个规定显然是不合理的1. 为什么对于含汞的“节能灯”规定 15 瓦以上才有功率因数的要求，反而对于既 节能又环保的 LED 灯具提出更为严格的要求。

这显然是对于节能减排促进 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，也就是容性负载而绝大多数的家 电都是感性负载，本来电业局都需要采用大型高压电容在变压器的次级加以补偿，现在有 了 LED 灯具可以在负载端就加以补偿，这显然是好事，为什么还要加以限制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 驱动芯片公司全力开发高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 灯具提高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，完全失去了 LED 的高效节能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高于0.96的 LED 灯具，但是在和可控硅配合 在一起进行调光时，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.而无法满足>0.7的要求了。

更何况其整体的效率也非常低下完全失去 LED 灯具的 高效节能的优点了实际上 LED 的最大特点就是它很容易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一个几十年以前的非常落后的调光器件却没有 任何功率因数的限制，而且还对其去配合最先进的 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!最近我们从日本买来一些日本本国使用的 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最重要的就是可持续发展而其中重中之重就是节能减排对于一切有 助于节能减排的新生科技国家都应该加以扶植LED 就是其中最重要的一项想当初国家 还曾经免费发送每家每户一个节能灯以取代白炽灯但节能灯存在着光效不够高、有汞污 染、易碎等很多问题远远无法和 LED 相比现在 LED。