功率因数及负载类型

功率因数（Power Factor）是交流电路中衡量电气设备效率高低的一个系数。它的大小与电路的负荷性质有关， 如白炽灯泡、电炉等阻性负载的功率因数为1，一般具有感性负载或容性负载的电路功率因数都小于1。功率因数低，说明无功功率大， 从而降低了设备的利用率，增加了线路供电损失。

由此，想要了解功率因数，需要先了解什么是阻性负载，什么是感性负载，什么又是容性负载。

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负载类型

在电气领域的负载有三种：电阻、电容和电感。电阻是消耗功率的器件，电容和电感是储存功率的器件。这里引用一下百度百科的定义：

• 阻性负载指的是通过电阻类的元件进行工作的纯阻性负载。
• 容性负载一般是指带电容参数的负载，即符合电流超前电压特性的负载。
• 感性负载是指带有电感参数的负载。确切讲，应该是负载电流滞后负载电压一个相位差特性的为感性负载，如变压器，电动机等。

我们可以总结出以下几点：

• 阻性负载中负载电流与负载电压没有相位差，现实中的阻性负载有白炽灯、电炉等；
• 容性负载中负载电流超前负载电压一个相位；
• 感性负载中负载电流滞后负载电压一个相位，通俗地说，即应用电磁感应原理制作的大功率电器产品。

1、阻性负载

这个没什么好说的。

2、容性负载

可以简单理解为电容。当电容两端产生电势差时，电容两极之间会形成相同方向的电场，如下图：

而正是由于这个电场的存在，会抑制交流电中电压的变化，故负载电流超前负载电压一个相位。

在纯容性负载中，这个相位差刚好就是90°，记为Φ=-90°如下图：

3、感性负载

可以简单理解为电感。当电感中通过电流时，因为电磁感应的原因，电感中会产生磁场，如下图：

而正是由于这个磁场的存在，会抑制交流电中电流的变化，故负载电流滞后负载电压一个相位。

在纯感性负载中，这个相位差刚好就是90°，记为Φ=+90°如下图：

功率因数

功率因数就是上文提到的相位差Φ的余弦值，即cosΦ。

于是不难得到如下结论：

• 阻性负载的功率因数为cos(0°) = 1;
• 纯感性负载的功率因数为cos(90°) = 0；
• 纯容性负载的功率因数为cos(-90°) = 0。

就这？如果只是这样为什么会经常要用到呢？

是的，不只如此。下面就让我们有请今天的主角吧！

功率三角形

在介绍功率三角形之前，我们需要先来了解一下有功功率、无功功率和视在功率。

• 有功功率：在交流电路中，凡是消耗在电阻元件上，功率不可逆转换的那部分功率（如转变成热能，光能，或机械能），称为有功功率；
• 无功功率：电路中，电感元件建立磁场、电容元件建立电场所消耗的功率称为无功功率，这个功率是随交流电的周期，与电源不断地进行能量转换，而并不消耗能量；
• 视在功率：交流电源所能提供的总功率，称为视在功率，在数值上是电压与电流的乘积，单位VA，视在功率即是交流电源的容量；

由以上定义可知，有功功率描述的是通过阻性负载转换成其他形式能量的不可逆过程的，而无功功率描述的是通过容性负载和感性负载储存能量及反馈电源的过程。
而功率三角形反映的恰恰就是有功功率、无功功率和视在功率之间的数学关系，如下图：

其中，P 表示有功功率，Q表示无功功率，S表示视在功率，三者数值满足S² = P² + Q²。
P与S之间的夹角φ与上文提到的相位差Φ相等，也就是说，P与S的比值（cosφ）就等于功率因数！

这样看的话，功率因数的好处就显而易见了，它直接就能表征有功功率（P）所占的权重，即能量的利用率。

正如上文中说的，Φ有正有负，可能下图更符合实际：