LED灯具的功率因数

1、【特约】茅于海：LED灯具的功率因数摘要：功率因数从来不是什么问题，过去国家有规定，要功率超过75瓦才有功率因数的要求到现在为止，对于笔记本电脑还是规定 75W以下无功率因数要 求。所以从来没有对灯具提出过什么功率因数的要求。就像日光灯吧，功率因 数都是很差的，从来也没有人提出过意见，国家也没有提出什么要求。后来有了 节能灯，国家虽然提出了一个要求，但是非常宽松，对15瓦以上才有要求，而节能灯大多数是小于15瓦的。所以等于没有提出要求。唯独出现 LED灯具以后 反而严格要求起来了，只有在5瓦以下才不要求，5W以上必须要求功率因数>0.7 < 而LED灯具除了很小的MR16射灯是3瓦

2、以外，绝大多数都是在5瓦以上。所以 这个规定正好卡住了 LED的脖子。那么，让我们仔细来了解一下有关功率因数的 问题吧！10514_75功率因数从来不是什么问题，过去国家有规定，要功率超过75瓦才有功率因数的要求到现在为止，对于笔记本电脑还是规定 75W以下无功率因数要求。所以从来没有对灯具提 出过什么功率因数的要求。 就像日光灯吧，功率因数都是很差的，从来也没有人提出过意见， 国家也没有提出什么要求。后来有了节能灯，国家虽然提出了一个要求，但是非常宽松，对15瓦以上才有要求，而节能灯大多数是小于 15瓦的。所以等于没有提出要求。 唯独出现LED 灯具以后反而严格要求起来了，只有在5瓦以下才不

3、要求，5W以上必须要求功率因数 >0.7。而LED灯具除了很小的 MR16射灯是3瓦以外，绝大多数都是在 5瓦以上。所以这个规定正 好卡住了 LED的脖子。那么，让我们仔细来了解一下有关功率因数的问题吧！什么是功率因数我们知道所有发电机都是旋转机械，产生的电压就是正弦波， 这就是我们所谓的交流电。交流电有一个好处就是通过电磁感应可以用变压器来改变其电压，而且可以升高到几十万伏进行远距离传输以减小传输中的损耗，到目的地以后再降下来变成我们常用的市电。我们现在的市电就是220V, 50Hz的交流电。而在电工学里交流电是可以用矢量来表示的。矢量可 以表示电压也可以表示电流。对于纯电阻的负载，

4、电压和电流是同相的，而对于纯电容负载或纯电感负载，电流和电压就不同相，而是有一个90度的相角，或者称为相位差。在纯电感负载时，其上的电压是领先电流90度，而纯电容负载时，其上的电压落后于电流90度。如果我们用波形表示时， 通常把电压表现为余弦波，如果电流落后于电压， 就是电感性 负载，领先于电压就是电容性负载。图1.电感性负载的交流电压和交流电流之间的关系因为实际上纯电感和纯电容都不存在的，实际的负载只能称为电感性负载或者是电容性负载。这时候其交流电压和交流电流之间就有一个夹角0,对于电感性负载我们把这个夹角称为0 L,而对于电容性负载的夹角就称为0 Co 见图2纯电容烦载前交流电瀟,A1II

5、实际容性负载的交流电泥.*d交流电压审/交流电11勺7k1111i|i丿©片*T1纯电感負载 的交流电瀟实际彌性负載的交流电流卄图2.电感性负载和电容性负载电压和电流的矢量表示法功率等于电压和电流的乘积， 但是只有在纯阻负载的时候 电压和电流同相是这样，而 在电感性或电容性负载的时候就要把电流的矢量投影到电压矢量水平轴上去，也就是要乘以cos 0L或者cos 0 C。我们通常就把这个 cos 0L或者cos 0C称为功率因数。但是由于这个夹角可以是正的，也可以是负的，所以功率因数也是可能为正数感性负 载也可能为负数容性负载。但是当我们用矢量来代表电压和电流时，前提是它们的频率必须是完

6、全相同的。而且是在一个线性系统里。是和电流同相的那局部电压和电流的有效值的乘积。而视在功率就是不考虑其间的相位差而将电压和电流的有效值直接相乘所得到的“功率。而这二者之比显然就是前面所说的相角所谓有功功率就在线性系统里我们也会把功率因数用有功功率和视在功率之比来表示。的余弦COS 0。各种家用电器的功率因数有人测试了各种家用电器的功耗和功率因数，其结果如下:宇号名祢设备容量歳功率圉数无功功曹卿视左功寧VA.1頤明2000.9096.86J" " J2空调3000询2250,003750DO *>3电冰箱1500.60200,0C250.00 <4徴波炉10(00

7、.904S4.32UlLll5电热水器20001.000.002000.00 *6电礙堤1000LOO0.001000 W 7计算机3000.80225W3_5.00 -8打印机2500.80187.50312J0 9电視机2000.80150.00250.00 10进衣机2000.60266.6733333 -11抽油進机闕37.50S2.?012音响3000.60400.00500.00 *13认水机6001.000,00600,00 »14乍生设备1000LOO0.001000.00 -15保健设备600O.SO4<0.00"50.00 h16录象机200fl

8、.9096.861"DT> VCRJ op0.9048.43111,11 H这些数据当然仅供参考而已。需要说明的是：1. 但凡电热电器功率因数都是等于1,因为它们都是电阻负载。2. 但凡带马达的家用电器 大多数白色家电 都是感性负载。3. 但凡带变压器的家用电器 电视机、音响 也都是感性负载。4. 24 小时连续工作的电冰箱是一个耗电很大、功率因数很低的感性负载。5. 其中的照明灯具因为主要是白炽灯，所以功率因数才会接近 1。三 . 各种灯具的功率因数我们知道白炽灯因为是一个纯电阻，它的功率因数当然等于1。但是使用越来越多的日光灯和最近国家大力推广的节能灯就不是这样了。 长期以

9、来， 日光灯都是用一个大电感和一 个起辉器来启动。 点亮以后大电感就串联在电路里， 所以它根本上是一个感性负载， 它的功 率因数只有 0.51-0.56 。以后改用电子镇流器，功率因数要好一些，但是因为电子镇流器很 容易烧毁，所以用得最多的还是电感镇流器。而节能灯的功率因数也是只有 0.54 左右，而且也是感性负载。四. LED 灯具的功率因数因为LED是一个半导体二极管， 它需要直流供电，如果用市电供电的话， 就一定会有一 个整流器， 通常是二极管整流桥。 为了得到尽可能平滑的直流防止出现纹波闪烁， 通常都需 要加上一个大电解电容。而后面的 LED可以近似为一个电阻，所以整个电路如图 3所示

10、。> RTN+'图3. LED灯具的等效电路其各种电流电压如图 4所示。Rectified I ix HWtaeI 7Mains InputCunvb(iirCfrerri i亠 IA图4.桥式整流加电容滤波后的电压电流波形整流后的电压电流波形都不是正弦波，而且虽然整流前的电压波形是正弦波，但是其电流波形也不是正弦波。所以整个系统是一个非线性系统。而本来功率因数是针对线性系统定 义的，而且要求输入输出电压电流都是同频率的正弦形，否那么的话无法采用Cos©。但是在非正弦系统中，因为电压电流波形都不是正弦波，是没有什么相位角可以说的。所以非线性系统中的功率因数必须重新定义。

11、如前所述功率因数的另一个定义是有功功率和视在功率之比。 有功功率是指实际输出的 功率，而视在功率是指输入电压有效值和输入电流有效值的乘积。 这个在正弦波系统里是完 全可以和Cos©等效的，所以是没有问题的。 但是在非线性系统里， 什么是有功功率什么是 视在功率就很值得探讨的了。 Convniional Rectifior中令疔夕空冷於念够髀鈕Frequency / Hz图5.普通桥式整流器的电流高次谐波因为在非线性系统里，其电流波形有很多高次谐波 见图 5 ，所以到底拿什么来作为其 视在功率，就是一个很大的问题。现在有各种做法。1. 将电流的基波有效值和正弦电压有效值相乘来作为其视在

12、功率，或是把基波电流相 位的余弦作为功率因数， 或是把电流波形的过零点相位的余弦作为功率因素。 有些仪器就是 这样来测量的。 由这个电流的波形图中就可以看出， 这种波形的高次谐波非常丰富， 其基波 很小， 如果用基波电流来乘基波电压， 那么是得到的功率相比有功功率就很小， 这样它的功 率因数就会很高甚至有可能大于 1。例如在一些指针式的功率因素计就是如此。2. 采用电压的有效值和电流的有效值相乘来作为视在功率。现在很多数字式功率因数仪是采用电压有效值和电流有效值的乘积来作为视在功率的。对于非正弦波电流的有效值可以用各次谐波电流的均方根值来表示：iH +於十卡如果定义功率因数等于实际功率和视在功

13、率之比*.£1U丿l8姣卬Zi 小 “ 小PF =厂二r. T= T cos9?= )co sV?S0 II其中J- 称为谐波因素.co称为相位因素。d通常把谐波失真定义为：X 100%但是功率的定义必须是相同频率正弦波的电压有效值和电流有效值的乘积。电流咼次谐因为其频率不一样，所以是没有意义的遗憾的是，现在很多数字仪表都是这样所以美国的硕士论文和瑞典的博士论文现在的很多数字式功率因素计根本上都是用这种方法来定义的。波有效值和基波电压有效值的乘积不能认为是功率， 数字。所以用这种方法来定义视在功率是有问题的。 来测量的。实际上，这个问题在学术界是一直存在争议的, 都还在研究这个问题。

14、例如瑞典的Stefan Svensson在他的博士论文里就指出，在非线性的情况下，现在对于功率因数就已经有人提出了7种不同的定义，同样一个非线性系统在不同的定义下，就可能得出完全不同的功率因数值。而且不管是哪种定义它都不符合当初在线性系统里提出功率因 数的初衷。例如。在线性系统里，只要采用纯电容或纯电感就可以补偿感性或容性的负载。 这在非线性系统里显然是无效的。 所以这些定义的功率因数完全失去了原来功率因数的含义。其实， 在非线性负载时， 最大的问题是谐波电流， 因为虽然谐波电流不能和基波电压形 成视在功率， 但是谐波电流的平方乘以线路电阻就会引起热损耗。 而且这种谐波电流是无法 采用简单的电

15、容或电感加以补偿的。 所以真正需要限制的是谐波电流值。 而不是所谓的“功 率因数。五. 现在的有关规定是否合理就算我们接受现有的普通功率因数测量仪所测得的LED灯具的功率因数值，但是到底是多少是允许的。按照美国能源之星规定但凡功率小于 5瓦的LED灯具不要求功率因数。 而大 于5瓦那么要求功率因数必须高于 0.7。中国现在采用和美国一样的规定。但深圳市LED产业标准联盟的标准规定 <10W, PF>0.7;功率在10W-30W之间，PF>0.85;功率>30V，PF>0.9。比 国家规定还要高。但是这个规定显然是不合理的。1. 为什么对于含汞的“节能灯规定 15瓦

16、以上才有功率因数的要求， 反而对于既节能 又环保的LED灯具提出更为严格的要求。这显然是对于节能减排促进 LED灯具的推广是有害 而无益的。这使人不得不疑心其中涉及某些大公司的利益。2. 大多数的LED灯具的功率因数都是负值，也就是容性负载。而绝大多数的家电都是感性负载，本来电业局都需要采用大型高压电容在变压器的次级加以补偿，现在有了LED灯具可以在负载端就加以补偿，这显然是好事，为什么还要加以限制。3. 虽然现在很多LED驱动电源都加上了功率因数校正使其接近于1。但是具有挖苦意味的是，当初之所以很多LED驱动芯片公司全力开发高功率因数芯片的主要原因是为了能够 和可控硅调光器Triac相配合。

17、因为原来的可控硅调光器只能用于功率因数为1的纯阻白炽灯。现在LED灯具提高了功率因数所以就可以和可控硅调光器相配合了。但是采用可控硅调光器以后整体的功率因数却随着光线调暗而越来越差，直到小于0.5。而且整体的效率也越来越低，完全失去了 LED的高效节能的优点。下面是作者实测的可控硅调光系统的功率因 数值：带功率因数校正的LED球泡灯 采用可控硅调光屮白炽灯用可控硅调光j输入功率。功率因熱输入功率功率因数19.4W0.9623.5W.0.999*8JW+0J69>20Wp0,899.0.7030,747.»0上31OW.0.573k0.5159.9W0.48*.a1由表中可见，即

18、使是功率因数已经改进至高于0.96的LED灯具，但是在和可控硅配合在一起进行调光时，当输入功率从9.4W调到6W寸，其整体的功率因数就从0.96降低到0.635.而无法满足0.7的要求了。更何况其整体的效率也非常低下。完全失去LED灯具的高效节能的优点了。实际上LED的最大特点就是它很容易实现低功率模拟调光甚至无需功率的数字PW调光。难以理解的是有关当局对于可控硅这样一个几十年以前的非常落后的调光器件却没有任何功率因数的限制，而且还对其去配合最先进的 LED使用熟视无睹。这种配合美其名曰“与现 存设备兼容。而实际上是任意迁就落后最近我们从日本买来一些日本本国使用的LED球泡灯，并且测量了它的功率因数，所得 结果如下:就芝三憂枪下DL*LA4 砾DL-LA6JN.LDA7N* Q.LDaWDLDA11DLDA15D .功執628.SW.J。.际1 UW-15W-0.5 S+