概要:功率因数是衡量电气设备电效率的一个重要参数,功率因数低说明电路用于交变磁场转换的无功功率大,电气设备的电能利用效率低,线路的供电损耗大,常见都是正值,但现场测试时,会遇到功率因数出现负值或正负跳变,本文就和大家聊聊功率因数为负的常见工况。
 
参考功率分析仪手册,可参阅到有功功率 P 计算是瞬时的电压电流相乘后求平均(,n 为采样点数,由测量区间决定)。功率因数 PF=P/S。其中 S 为视在功率,且一直为正值,所仪功率因数 PF 的正负跟随 P 的变化,当 P 为负时,PF 也就是负了。
 
1. 发电系统
参考 IEC60375 标准,功率因数 PF=P/S,正负号由有功功率的方向决定。有功功率 P 和功率因数 PF 处于四象限运行,指示了测评点的发电 / 用电特性。当被测负载是发电的,按照 IEC 标准,位于第二、第三象限时,此时功率因数 PF 为负值。
 
图 1 IEC 四象限
 
2. 接线错误
现场实测时,若线路电流超过测量仪器本身最大允许的 rms 和峰值,需要外接传感器或者电流钳等扩展测量范围,传感器、电流钳的方向一定要和我们的接线示意图的方向一致,按照电流从源流向设备,是从源电压的正极流出,负极流入来接线。若接线人员操作疏忽,接线时电压或者电流有线接反,就会导致有功功率为负值,功率因数 PF 也就出现负值了。注意:不外接传感器,直接测量时,也需注意电压电流方向,接错方向也会出现负值。
 
 
图 2 带电流方向标识传感器
 
3. 被测信号本身特性
电压 U、电流 I 基波频率不相关时,长期累计平均功率 P 趋于 0,短期内受不同更新周期计算起点影响,累积平均功率不能抵消,不同计算起点累计的正负会有所不同,P 会出现正负跳动。PF 正负跟随 P,此时 PF 也会出现正负跳变。U、I 波形图举例下图。
 
 
图 3 U 和 I 波形举例
 
4. 负载因素
负载接近纯感性或者纯容性,由于仪器本身精度或者外界噪声会引起 U、I 相位角在 90°附近变化,从而出现 P 正负跳变。PF 正负跟随 P,此时 PF 也会出现正负跳变。
 
 
图 4 正负跳变
 
5. 接线方式选择 3P3W(3V3A)时,某些相是负值
 
图 5 3V3A 接线示意图
 
3V3A 实质为两瓦特计法,三相总功率为 P1+P2(相关推导不在本文讲解,可参考往期微信文章《测量三相三线系统的三大误区》)。
 
本文以 Y 型负载为例(针对测量仪器,负载看作一个整体,不论是△或星型都是三根线进去,总功率也是 P=P1+P2),如图 5 3V3A 接线方式,测试的是线电压和相电流,所以每个输入单元的电压和电流的相位角与实际负载的相位角不同。R 相电流 I1 和 R-T 电压 U13 接到一个功率测量单元,计算的功率记为 P1=I1•U13;S 相电流 I2 和 S-T 电压 U23 接到一个功率测量单元,功率记为 P2=I2•U23;T 相电流 I3 和 R-S 电压 U12 接到一个功率测量单元,计算的功率记为 P3=I3•U12。
 
结合图 7,在三相平衡系统中,电压为基准,电流超前电压为正(﹢),电流滞后电压为负(-)。
 
当阻性平衡负载时,U13(URT)和 I1(IR)的夹角﹢30°,此时 P1>0;U23(UST)和 I2(IS)的夹角 -30°,此时 P2>0;U12(URS)和 I3(IT)的夹角+90°,P3=0。
 
感性平衡负载时,相比阻性电压超前电流,电压将逆时针旋转一定角度α,P3>0,当α大于 60°时加上纯阻性时 UST 超前 I2 的 30°夹角,共大于 90°,则 P2<0。
 
容性平衡负载时,相比阻性电压落后电流,电压将顺时针旋转一定角度α,P3<0,当α大于 60°时加上纯阻性时 URT 落后 I1 的 30°夹角,共大于 90°,则 P1<0。
 
图 6 三个线电压向量由来
 
图 7 三相平衡系统阻性负载向量图
 
现场测试时,遇到有功功率为负、功率因数为负、效率为负等情况时,不一定是测量仪器出现了问题,可能和现场测试工况和被测信号等有关。本文几种常见的功率因数为负情况已和大家分享(现场测试情况不局限以上),希望给您测试测量带来帮助。