為什么功率因數(shù)會(huì)出現(xiàn)負(fù)值？

概要：功率因數(shù)是衡量電氣設(shè)備用電效率的一個(gè)重要參數(shù)，功率因數(shù)低說明電路用于交變磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換的無功功率大，電氣設(shè)備的電能利用效率低，線路的供電損耗大，常見都是正值，但現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，會(huì)遇到功率因數(shù)出現(xiàn)負(fù)值或正負(fù)跳變，本文就和大家聊聊功率因數(shù)為負(fù)的常見工況。

參考功率分析儀手冊(cè)，可參閱到有功功率P計(jì)算是瞬時(shí)的電壓電流相乘后求平均

，n為采樣點(diǎn)數(shù)，由測(cè)量區(qū)間決定）。功率因數(shù)PF=P/S。其中S為視在功率，且一直為正值，所儀功率因數(shù)PF的正負(fù)跟隨P的變化，當(dāng)P為負(fù)時(shí)，PF也就是負(fù)了。

1.發(fā)電系統(tǒng)

參考IEC60375標(biāo)準(zhǔn)，功率因數(shù)PF=P/S，正負(fù)號(hào)由有功功率的方向決定。有功功率P和功率因數(shù)PF處于四象限運(yùn)行，指示了測(cè)評(píng)點(diǎn)的發(fā)電/用電特性。當(dāng)被測(cè)負(fù)載是發(fā)電的，按照IEC標(biāo)準(zhǔn)，位于第二、第三象限時(shí)，此時(shí)功率因數(shù)PF為負(fù)值。

圖 1 IEC四象限

2.接線錯(cuò)誤

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)時(shí)，若線路電流超過測(cè)量儀器本身最大允許的rms和峰值，需要外接傳感器或者電流鉗等擴(kuò)展測(cè)量范圍，傳感器、電流鉗的方向一定要和我們的接線示意圖的方向一致，按照電流從源流向設(shè)備，是從源電壓的正極流出，負(fù)極流入來接線。若接線人員操作疏忽，接線時(shí)電壓或者電流有線接反，就會(huì)導(dǎo)致有功功率為負(fù)值，功率因數(shù)PF也就出現(xiàn)負(fù)值了。注意：不外接傳感器，直接測(cè)量時(shí)，也需注意電壓電流方向，接錯(cuò)方向也會(huì)出現(xiàn)負(fù)值。

圖 2 帶電流方向標(biāo)識(shí)傳感器

3. 被測(cè)信號(hào)本身特性

電壓U、電流I基波頻率不相關(guān)時(shí)，長期累計(jì)平均功率P趨于0，短期內(nèi)受不同更新周期計(jì)算起點(diǎn)影響，累積平均功率不能抵消，不同計(jì)算起點(diǎn)累計(jì)的正負(fù)會(huì)有所不同，P會(huì)出現(xiàn)正負(fù)跳動(dòng)。PF正負(fù)跟隨P，此時(shí)PF也會(huì)出現(xiàn)正負(fù)跳變。U、I波形圖舉例下圖。

圖 3 U和I波形舉例

4.負(fù)載因素

負(fù)載接近純感性或者純?nèi)菪?，由于儀器本身精度或者外界噪聲會(huì)引起U、I相位角在90°附近變化，從而出現(xiàn)P正負(fù)跳變。PF正負(fù)跟隨P，此時(shí)PF也會(huì)出現(xiàn)正負(fù)跳變。

圖 4 正負(fù)跳變

5.接線方式選擇3P3W（3V3A）時(shí)，某些相是負(fù)值

圖 5 3V3A接線示意圖

3V3A實(shí)質(zhì)為兩瓦特計(jì)法，三相總功率為P1+P2（相關(guān)推導(dǎo)不在本文講解，可參考往期微信文章《測(cè)量三相三線系統(tǒng)的三大誤區(qū)》）。

本文以Y型負(fù)載為例（針對(duì)測(cè)量儀器，負(fù)載看作一個(gè)整體，不論是△或星型都是三根線進(jìn)去，總功率也是P=P1+P2）,如圖 5 3V3A接線方式，測(cè)試的是線電壓和相電流，所以每個(gè)輸入單元的電壓和電流的相位角與實(shí)際負(fù)載的相位角不同。R相電流I1和R-T電壓U13接到一個(gè)功率測(cè)量單元，計(jì)算的功率記為P1=I1?U13；S相電流I2和S-T電壓U23接到一個(gè)功率測(cè)量單元，功率記為P2=I2?U23；T相電流I3和R-S電壓U12接到一個(gè)功率測(cè)量單元，計(jì)算的功率記為P3=I3?U12。

結(jié)合圖7，在三相平衡系統(tǒng)中，電壓為基準(zhǔn)，電流超前電壓為正（﹢），電流滯后電壓為負(fù)（-）。

l當(dāng)阻性平衡負(fù)載時(shí)，U13（URT）和I1（IR）的夾角﹢30°，此時(shí)P1＞0；U23（UST）和I2（IS）的夾角-30°，此時(shí)P2＞0；U12（URS）和I3（IT）的夾角+90°，P3=0。

l感性平衡負(fù)載時(shí)，相比阻性電壓超前電流，電壓將逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)一定角度α，P3＞0，當(dāng)α大于60°時(shí)加上純阻性時(shí)UST超前I2的 30°夾角，共大于90°，則P2＜0。

l容性平衡負(fù)載時(shí)，相比阻性電壓落后電流，電壓將順時(shí)針旋轉(zhuǎn)一定角度α，P3＜0，當(dāng)α大于60°時(shí)加上純阻性時(shí)URT落后I1的 30°夾角，共大于90°，則P1＜0。

圖6 三個(gè)線電壓向量由來

圖7三相平衡系統(tǒng)阻性負(fù)載向量圖

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，遇到有功功率為負(fù)、功率因數(shù)為負(fù)、效率為負(fù)等情況時(shí)，不一定是測(cè)量儀器出現(xiàn)了問題，可能和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工況和被測(cè)信號(hào)等有關(guān)。本文幾種常見的功率因數(shù)為負(fù)情況已和大家分享（現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況不局限以上），希望給您測(cè)試測(cè)量帶來幫助。