什麼是功率因數

交流電路中,有效功率(實際消耗的功率)除以視在功率(電壓有效值 × 電流有效值)的值。數值介於0到1之間,電壓與電流為正弦波時,等於其相位差φ的 cos φ。功率因數低時,傳送相同的有效功率需要較大的電流,配線與變壓器的損失會增加。

日文名稱: 力率

「功率因數」出現在4領域的12道練習題中(電路與電磁學基礎, 電路分析(交流電路、線性電路與暫態現象), 電力電子電路等)。

以電容器改善電感性負載的功率因數 V C R L 負載 I IC IL
以電容器改善電感性負載的功率因數 · 在圖解集中查看

這個名詞所屬的領域: 電力電子電路

相位差造成的功率因數

在馬達這類電感性負載中,電流落後於電壓,功率因數下降。例如視在功率1 kVA、功率因數0.8的負載,有效功率為800 W,此外還有在電源與負載之間來回流動的無效功率。在負載上並聯電容,可以抵消落後的無效功率,使功率因數接近1。

波形失真造成的功率因數

電流不是正弦波時,與電壓頻率不同的諧波電流不傳送平均功率,卻會使電流的有效值增加。因此功率因數為基本波相位差造成的 cos φ,與 基本波有效值 ÷ 全電流有效值 的乘積。以電容平滑的整流電路,即使電流的相位偏移很小,電流也會成為脈衝狀,因此功率因數低。

提高功率因數的理由

以100 V使用800 W的負載,功率因數0.8時需要10 A,功率因數1時只需8 A的電流。配線的損失與電流的平方成正比,因此功率因數0.8時約為功率因數1時的1.56倍。IEC 61000-3-2等標準對設備輸入電流的諧波訂有限值,這也是電源要改善功率因數的理由。

練習功率因數的題目

在交流電路中,設有效功率為P [W]、視在功率為S [VA],表示功率因數的式子是哪一個?

  1. AP / S
  2. BS / P
  3. CP × S
查看答案與解析

正確答案:A. P / S

功率因數是有效功率P與視在功率S(電壓有效值 × 電流有效值)之比 P/S。正弦波時,可用電壓與電流的相位差φ表示為 cos φ。例如 S = 2000 VA、P = 1800 W 時,功率因數為0.9。功率因數低時,傳送相同的有效功率需要較大的電流,配線與變壓器的損失會增加。

為了改善含有馬達等電感性負載電路的功率因數,一般採用的方法是哪一個?

  1. A在負載並聯電容器
  2. B在負載並聯電感器
  3. C提高電源的頻率
查看答案與解析

正確答案:A. 在負載並聯電容器

電感性負載的電流比電壓落後,產生落後的虛功率。電容器會產生相反(超前)的虛功率,因此並聯在負載上可抵銷虛功率,減少從電源流出的電流,使功率因數接近1。負載上的電壓與負載消耗的有效功率不變。工廠等受電設備會使用功率因數改善用的電容器(進相電容器),但加得太多會變成超前功率因數,造成電壓上升。

常見問題

功率因數與效率一樣嗎?

不一樣。效率是 輸出功率 ÷ 輸入功率,表示損失的比例。功率因數是 輸入的有效功率 ÷ 視在功率,表示流動的電流中有多少有助於傳送功率。即使效率高,也有功率因數低的設備。

功率因數會超過1嗎?

不會。有效功率不會超過視在功率,因此功率因數介於0到1之間。電流落後或超前於電壓,則分別稱為落後功率因數與超前功率因數。

解析中的「功率因數」

出現「功率因數」的題目(12題)

  1. 在交流電路中,設有效功率為P [W]、視在功率為S [VA],表示功率因數的式子是哪一個?
  2. 為了改善含有馬達等電感性負載電路的功率因數,一般採用的方法是哪一個?
  3. 平衡三相負載的線電壓為200 V、線電流為10 A、功率因數為0.8時,負載的有效功率(三相合計)最接近下列哪一個?
  4. 如圖,在有效功率8 kW、功率因數0.8(落後)的電感性負載上並聯電容器C,想使從電源看的功率因數成為1。電容器應供給的虛功率大小為下列哪一項?
  5. 如圖,在有效功率8 kW、功率因數0.8(落後)的電感性負載上並聯電容器C,想把從電源看的功率因數改善為0.96(落後)。電容器應供給的虛功率最接近下列哪一項?
  6. 在輸入電流不是正弦波而含有大量諧波的電源裝置中,即使電流的基本波與電壓同相,功率因數也不為1,其理由正確的是下列何者?
  7. 電阻R = 30 Ω與電抗XL = 40 Ω的線圈串聯的電路,其阻抗大小是多少?(忽略線圈的電阻成分)
  8. 有效功率800 W、視在功率1000 VA的交流負載,其虛功率是多少?(電壓、電流為正弦波)
  9. 某負載的電壓與電流相量(有效值)為 V = 100∠0° V、I = 5∠−30° A。此負載的虛功率大小為下列哪一項?
  10. 在電阻 R = 8 Ω 與電抗 X = 6 Ω 的線圈串聯而成的負載上,加上有效值100 V的正弦波電壓。負載的有效功率為下列哪一項?
  11. 在線電壓200 V(有效值)的平衡三相電源上,如圖(a)連接每相阻抗為 Z = 8 + j6 Ω 的Y接負載。三相合計的有效功率最接近下列哪一項?
  12. 關於電源電路所使用的功率因數校正(PFC)電路之目的,下列何者正確?

相關名詞

虛功率 有效值 變壓器 三相交流 整流電路 功率因數校正 電抗 阻抗 相量 升壓轉換器

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