LED燈具的功率因數(shù)

1、【特約】茅于海：LED燈具的功率因數(shù)摘要：功率因數(shù)從來不是什么問題，過去國家有規(guī)定，要功率超過75瓦才有功率因數(shù)的要求到現(xiàn)在為止，對于筆記本電腦還是規(guī)定 75W以下無功率因數(shù)要 求。所以從來沒有對燈具提出過什么功率因數(shù)的要求。就像日光燈吧，功率因 數(shù)都是很差的，從來也沒有人提出過意見，國家也沒有提出什么要求。后來有了 節(jié)能燈，國家雖然提出了一個要求，但是非常寬松，對15瓦以上才有要求，而節(jié)能燈大多數(shù)是小于15瓦的。所以等于沒有提出要求。唯獨出現(xiàn) LED燈具以后 反而嚴格要求起來了，只有在5瓦以下才不要求，5W以上必須要求功率因數(shù)>0.7 < 而LED燈具除了很小的MR16射燈是3瓦

2、以外，絕大多數(shù)都是在5瓦以上。所以 這個規(guī)定正好卡住了 LED的脖子。那么，讓我們仔細來了解一下有關(guān)功率因數(shù)的 問題吧！10514_75功率因數(shù)從來不是什么問題，過去國家有規(guī)定，要功率超過75瓦才有功率因數(shù)的要求到現(xiàn)在為止，對于筆記本電腦還是規(guī)定 75W以下無功率因數(shù)要求。所以從來沒有對燈具提 出過什么功率因數(shù)的要求。 就像日光燈吧，功率因數(shù)都是很差的，從來也沒有人提出過意見， 國家也沒有提出什么要求。后來有了節(jié)能燈，國家雖然提出了一個要求，但是非常寬松，對15瓦以上才有要求，而節(jié)能燈大多數(shù)是小于 15瓦的。所以等于沒有提出要求。 唯獨出現(xiàn)LED 燈具以后反而嚴格要求起來了，只有在5瓦以下才不

3、要求，5W以上必須要求功率因數(shù) >0.7。而LED燈具除了很小的 MR16射燈是3瓦以外，絕大多數(shù)都是在 5瓦以上。所以這個規(guī)定正 好卡住了 LED的脖子。那么，讓我們仔細來了解一下有關(guān)功率因數(shù)的問題吧！什么是功率因數(shù)我們知道所有發(fā)電機都是旋轉(zhuǎn)機械，產(chǎn)生的電壓就是正弦波， 這就是我們所謂的交流電。交流電有一個好處就是通過電磁感應(yīng)可以用變壓器來改變其電壓，而且可以升高到幾十萬伏進行遠距離傳輸以減小傳輸中的損耗，到目的地以后再降下來變成我們常用的市電。我們現(xiàn)在的市電就是220V, 50Hz的交流電。而在電工學里交流電是可以用矢量來表示的。矢量可 以表示電壓也可以表示電流。對于純電阻的負載，

4、電壓和電流是同相的，而對于純電容負載或純電感負載，電流和電壓就不同相，而是有一個90度的相角，或者稱為相位差。在純電感負載時，其上的電壓是領(lǐng)先電流90度，而純電容負載時，其上的電壓落后于電流90度。如果我們用波形表示時， 通常把電壓表現(xiàn)為余弦波，如果電流落后于電壓， 就是電感性 負載，領(lǐng)先于電壓就是電容性負載。圖1.電感性負載的交流電壓和交流電流之間的關(guān)系因為實際上純電感和純電容都不存在的，實際的負載只能稱為電感性負載或者是電容性負載。這時候其交流電壓和交流電流之間就有一個夾角0,對于電感性負載我們把這個夾角稱為0 L,而對于電容性負載的夾角就稱為0 Co 見圖2純電容煩載前交流電瀟,A1II

5、實際容性負載的交流電泥.*d交流電壓審/交流電11勺7k1111i|i丿©片*T1純電感負載 的交流電瀟實際彌性負載的交流電流卄圖2.電感性負載和電容性負載電壓和電流的矢量表示法功率等于電壓和電流的乘積， 但是只有在純阻負載的時候 電壓和電流同相是這樣，而 在電感性或電容性負載的時候就要把電流的矢量投影到電壓矢量水平軸上去，也就是要乘以cos 0L或者cos 0 C。我們通常就把這個 cos 0L或者cos 0C稱為功率因數(shù)。但是由于這個夾角可以是正的，也可以是負的，所以功率因數(shù)也是可能為正數(shù)感性負 載也可能為負數(shù)容性負載。但是當我們用矢量來代表電壓和電流時，前提是它們的頻率必須是完

6、全相同的。而且是在一個線性系統(tǒng)里。是和電流同相的那局部電壓和電流的有效值的乘積。而視在功率就是不考慮其間的相位差而將電壓和電流的有效值直接相乘所得到的“功率。而這二者之比顯然就是前面所說的相角所謂有功功率就在線性系統(tǒng)里我們也會把功率因數(shù)用有功功率和視在功率之比來表示。的余弦COS 0。各種家用電器的功率因數(shù)有人測試了各種家用電器的功耗和功率因數(shù)，其結(jié)果如下:宇號名禰設(shè)備容量歳功率圉數(shù)無功功曹卿視左功寧VA.1頤明2000.9096.86J" " J2空調(diào)3000詢2250,003750DO *>3電冰箱1500.60200,0C250.00 <4徴波爐10(00

7、.904S4.32UlLll5電熱水器20001.000.002000.00 *6電礙堤1000LOO0.001000 W 7計算機3000.80225W3_5.00 -8打印機2500.80187.50312J0 9電視機2000.80150.00250.00 10進衣機2000.60266.6733333 -11抽油進機闕37.50S2.?012音響3000.60400.00500.00 *13認水機6001.000,00600,00 »14乍生設(shè)備1000LOO0.001000.00 -15保健設(shè)備600O.SO4<0.00"50.00 h16錄象機200fl

8、.9096.861"DT> VCRJ op0.9048.43111,11 H這些數(shù)據(jù)當然僅供參考而已。需要說明的是：1. 但凡電熱電器功率因數(shù)都是等于1,因為它們都是電阻負載。2. 但凡帶馬達的家用電器 大多數(shù)白色家電 都是感性負載。3. 但凡帶變壓器的家用電器 電視機、音響 也都是感性負載。4. 24 小時連續(xù)工作的電冰箱是一個耗電很大、功率因數(shù)很低的感性負載。5. 其中的照明燈具因為主要是白熾燈，所以功率因數(shù)才會接近 1。三 . 各種燈具的功率因數(shù)我們知道白熾燈因為是一個純電阻，它的功率因數(shù)當然等于1。但是使用越來越多的日光燈和最近國家大力推廣的節(jié)能燈就不是這樣了。 長期以

9、來， 日光燈都是用一個大電感和一 個起輝器來啟動。 點亮以后大電感就串聯(lián)在電路里， 所以它根本上是一個感性負載， 它的功 率因數(shù)只有 0.51-0.56 。以后改用電子鎮(zhèn)流器，功率因數(shù)要好一些，但是因為電子鎮(zhèn)流器很 容易燒毀，所以用得最多的還是電感鎮(zhèn)流器。而節(jié)能燈的功率因數(shù)也是只有 0.54 左右，而且也是感性負載。四. LED 燈具的功率因數(shù)因為LED是一個半導(dǎo)體二極管， 它需要直流供電，如果用市電供電的話， 就一定會有一 個整流器， 通常是二極管整流橋。 為了得到盡可能平滑的直流防止出現(xiàn)紋波閃爍， 通常都需 要加上一個大電解電容。而后面的 LED可以近似為一個電阻，所以整個電路如圖 3所示

10、。> RTN+'圖3. LED燈具的等效電路其各種電流電壓如圖 4所示。Rectified I ix HWtaeI 7Mains InputCunvb(iirCfrerri i亠 IA圖4.橋式整流加電容濾波后的電壓電流波形整流后的電壓電流波形都不是正弦波，而且雖然整流前的電壓波形是正弦波，但是其電流波形也不是正弦波。所以整個系統(tǒng)是一個非線性系統(tǒng)。而本來功率因數(shù)是針對線性系統(tǒng)定 義的，而且要求輸入輸出電壓電流都是同頻率的正弦形，否那么的話無法采用Cos©。但是在非正弦系統(tǒng)中，因為電壓電流波形都不是正弦波，是沒有什么相位角可以說的。所以非線性系統(tǒng)中的功率因數(shù)必須重新定義。

11、如前所述功率因數(shù)的另一個定義是有功功率和視在功率之比。 有功功率是指實際輸出的 功率，而視在功率是指輸入電壓有效值和輸入電流有效值的乘積。 這個在正弦波系統(tǒng)里是完 全可以和Cos©等效的，所以是沒有問題的。 但是在非線性系統(tǒng)里， 什么是有功功率什么是 視在功率就很值得探討的了。 Convniional Rectifior中令疔夕空冷於念夠髀鈕Frequency / Hz圖5.普通橋式整流器的電流高次諧波因為在非線性系統(tǒng)里，其電流波形有很多高次諧波 見圖 5 ，所以到底拿什么來作為其 視在功率，就是一個很大的問題。現(xiàn)在有各種做法。1. 將電流的基波有效值和正弦電壓有效值相乘來作為其視在

12、功率，或是把基波電流相 位的余弦作為功率因數(shù)， 或是把電流波形的過零點相位的余弦作為功率因素。 有些儀器就是 這樣來測量的。 由這個電流的波形圖中就可以看出， 這種波形的高次諧波非常豐富， 其基波 很小， 如果用基波電流來乘基波電壓， 那么是得到的功率相比有功功率就很小， 這樣它的功 率因數(shù)就會很高甚至有可能大于 1。例如在一些指針式的功率因素計就是如此。2. 采用電壓的有效值和電流的有效值相乘來作為視在功率。現(xiàn)在很多數(shù)字式功率因數(shù)儀是采用電壓有效值和電流有效值的乘積來作為視在功率的。對于非正弦波電流的有效值可以用各次諧波電流的均方根值來表示：iH +於十卡如果定義功率因數(shù)等于實際功率和視在功

13、率之比*.£1U丿l8姣卬Zi 小 “ 小PF =廠二r. T= T cos9?= )co sV?S0 II其中J- 稱為諧波因素.co稱為相位因素。d通常把諧波失真定義為：X 100%但是功率的定義必須是相同頻率正弦波的電壓有效值和電流有效值的乘積。電流咼次諧因為其頻率不一樣，所以是沒有意義的遺憾的是，現(xiàn)在很多數(shù)字儀表都是這樣所以美國的碩士論文和瑞典的博士論文現(xiàn)在的很多數(shù)字式功率因素計根本上都是用這種方法來定義的。波有效值和基波電壓有效值的乘積不能認為是功率， 數(shù)字。所以用這種方法來定義視在功率是有問題的。 來測量的。實際上，這個問題在學術(shù)界是一直存在爭議的, 都還在研究這個問題。

14、例如瑞典的Stefan Svensson在他的博士論文里就指出，在非線性的情況下，現(xiàn)在對于功率因數(shù)就已經(jīng)有人提出了7種不同的定義，同樣一個非線性系統(tǒng)在不同的定義下，就可能得出完全不同的功率因數(shù)值。而且不管是哪種定義它都不符合當初在線性系統(tǒng)里提出功率因 數(shù)的初衷。例如。在線性系統(tǒng)里，只要采用純電容或純電感就可以補償感性或容性的負載。 這在非線性系統(tǒng)里顯然是無效的。 所以這些定義的功率因數(shù)完全失去了原來功率因數(shù)的含義。其實， 在非線性負載時， 最大的問題是諧波電流， 因為雖然諧波電流不能和基波電壓形 成視在功率， 但是諧波電流的平方乘以線路電阻就會引起熱損耗。 而且這種諧波電流是無法 采用簡單的電

15、容或電感加以補償?shù)摹?所以真正需要限制的是諧波電流值。 而不是所謂的“功 率因數(shù)。五. 現(xiàn)在的有關(guān)規(guī)定是否合理就算我們接受現(xiàn)有的普通功率因數(shù)測量儀所測得的LED燈具的功率因數(shù)值，但是到底是多少是允許的。按照美國能源之星規(guī)定但凡功率小于 5瓦的LED燈具不要求功率因數(shù)。 而大 于5瓦那么要求功率因數(shù)必須高于 0.7。中國現(xiàn)在采用和美國一樣的規(guī)定。但深圳市LED產(chǎn)業(yè)標準聯(lián)盟的標準規(guī)定 <10W, PF>0.7;功率在10W-30W之間，PF>0.85;功率>30V，PF>0.9。比 國家規(guī)定還要高。但是這個規(guī)定顯然是不合理的。1. 為什么對于含汞的“節(jié)能燈規(guī)定 15瓦

16、以上才有功率因數(shù)的要求， 反而對于既節(jié)能 又環(huán)保的LED燈具提出更為嚴格的要求。這顯然是對于節(jié)能減排促進 LED燈具的推廣是有害 而無益的。這使人不得不疑心其中涉及某些大公司的利益。2. 大多數(shù)的LED燈具的功率因數(shù)都是負值，也就是容性負載。而絕大多數(shù)的家電都是感性負載，本來電業(yè)局都需要采用大型高壓電容在變壓器的次級加以補償，現(xiàn)在有了LED燈具可以在負載端就加以補償，這顯然是好事，為什么還要加以限制。3. 雖然現(xiàn)在很多LED驅(qū)動電源都加上了功率因數(shù)校正使其接近于1。但是具有挖苦意味的是，當初之所以很多LED驅(qū)動芯片公司全力開發(fā)高功率因數(shù)芯片的主要原因是為了能夠 和可控硅調(diào)光器Triac相配合。

17、因為原來的可控硅調(diào)光器只能用于功率因數(shù)為1的純阻白熾燈?，F(xiàn)在LED燈具提高了功率因數(shù)所以就可以和可控硅調(diào)光器相配合了。但是采用可控硅調(diào)光器以后整體的功率因數(shù)卻隨著光線調(diào)暗而越來越差，直到小于0.5。而且整體的效率也越來越低，完全失去了 LED的高效節(jié)能的優(yōu)點。下面是作者實測的可控硅調(diào)光系統(tǒng)的功率因 數(shù)值：帶功率因數(shù)校正的LED球泡燈 采用可控硅調(diào)光屮白熾燈用可控硅調(diào)光j輸入功率。功率因熱輸入功率功率因數(shù)19.4W0.9623.5W.0.999*8JW+0J69>20Wp0,899.0.7030,747.»0上31OW.0.573k0.5159.9W0.48*.a1由表中可見，即

18、使是功率因數(shù)已經(jīng)改進至高于0.96的LED燈具，但是在和可控硅配合在一起進行調(diào)光時，當輸入功率從9.4W調(diào)到6W寸，其整體的功率因數(shù)就從0.96降低到0.635.而無法滿足0.7的要求了。更何況其整體的效率也非常低下。完全失去LED燈具的高效節(jié)能的優(yōu)點了。實際上LED的最大特點就是它很容易實現(xiàn)低功率模擬調(diào)光甚至無需功率的數(shù)字PW調(diào)光。難以理解的是有關(guān)當局對于可控硅這樣一個幾十年以前的非常落后的調(diào)光器件卻沒有任何功率因數(shù)的限制，而且還對其去配合最先進的 LED使用熟視無睹。這種配合美其名曰“與現(xiàn) 存設(shè)備兼容。而實際上是任意遷就落后最近我們從日本買來一些日本本國使用的LED球泡燈，并且測量了它的功率因數(shù)，所得 結(jié)果如下:就芝三憂槍下DL*LA4 礫DL-LA6JN.LDA7N* Q.LDaWDLDA11DLDA15D .功執(zhí)628.SW.J。.際1 UW-15W-0.5 S+