近期一位师傅在检修电磁炉时,在220V交流电源中串联了一只电流表,发现电磁炉待机电流居然达到0.5A,难道该电磁炉待机功率达到110W?这个问题牵涉到电学里的一个术语一功率因数。功率因数可以理解为设施对电源的借助率。大伙了解,交流电源的电压值不是固定的,其大小和极性是伴随时间的变化而变化的,国内市电的波形如图1所示,周期是20ms,频率是50Hz。
另外,电感和电容一样,在充电时储存能量,放电时释放能量。对于理想的电感或电容,放电产生的能量等于充电的能量,可以如此理解:当电源电压上升期间,电源向电感或电容充电;在电源电压降低期间,电感或电容向电网放电。在此过程中,电感或电容本身并不消耗电能,但充放电电流却一直存在,所以,在计算实质功率时,还需乘以功率因数。
功率因数对电网的运行效率影响非常大,如某电器的功率为220W,当该电器功率因数为1时,220V市电提供1A电流就能了;假如该电器的功率因数为0.5,则220V市电需提供2A电流,但其中1A电流是电器中的电感和电容充放电引起的,并没真的消耗的功率,因此这种功率称为“无功功率”,虽然无功功率并没消耗电能,电度表上也反映不出来,但会大大减少电网的运行效率。因此,国家对用电器的功率因数有肯定的需要,一般高于0.9。
电磁炉是功率比较大的电器,其主要负载是一个电感线圈。为了提升功率因数和防止高频脉冲干扰电网,在电源输入端都并联有一只3uF~6uF的电容,以提升功率因数。因为此电容的存在,即便在待机时也会有一个较大的电流,但该电流是电容充放电形成的,不是实质消耗的电流,而电容本身的损耗是非常小的,这个时候所消耗的功率是一个无功功率,实质消耗的有功功率只有几瓦。
在电子设施中,一般安装有整流电路,把交流电转变成直流电,最简单的半波整流,只用一只二极管,其输出波形如图2所示,在一个市电周期内,只有一半时间内二极管才导通,电源的借助率非常低,功率因数约为0.45。在由4只二极管组成的全桥整流电路中,其输出波形如图3所示,由于把交流电源的负半周也进行了借助,功率因数达到0.9左右。
另外,在整流电路后一般安装有一只或几只大容量的滤波电容,依赖电容的储能功能使脉动直流电变得平滑。因为滤波电容的存在,减少了电源的借助率。为此,电气设施一般使用以下两种办法来提升功率因数:
一种是无源电路,即在交流供电回路中串联-个大电感,借助电感和电容的互补用途提升功率因数;
另一种就是平板电视和变频空调等电器中广泛使用的有源PFC电路和,先把整流器输出的脉动直流电变换成一个高频、高压脉冲,然后再整流滤波后供给负载,从而大幅度提升功率因数。
值得一提的是,市场上有-种所谓的节电器,宣称插在家任何一个插座上都可以节电10%~20%。其实,节电器内部就是一个大容量的电容。虽然冰箱、空调、洗衣机等家电都是电感性负载,在供电电源中并联一个电容确实可以提升功率因数,但家庭用电负载变化非常大,用一个固定容量的电容并不可以使功率因数时刻高于0.9,反而在负载较大时因电容容量不够而欠补偿,负载非常小的时候因电容容量过大而出现过补偿状况,从而形成更大的无功电流,所以达不到节电的目的。