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避免出現(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。

其各種電流電壓如圖4所示。

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，否則的話無法采用Cosφ。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。

圖3. LED燈具的等效電路

圖4. 橋式整流加電容濾波后的電壓電流波形

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Cosφ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。

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)，

圖5. 普通橋式整流器的電流高次諧波

所以到底拿什么來作為其視在功率，就是一個很大的問題?，F(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：

如果定義功率因數(shù)等于實際功率和視在功率之比

通常把諧波失真定義為：

現(xiàn)在的很多數(shù)字式功率因素計基本上都是用這種方法來定義的。

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。電流高次諧波有效值和基波電壓有效值的乘積不能認為是功率，因為其頻率不一樣，所以是沒有意義的數(shù)字。所以用這種方法來定義視在功率是有問題的。遺憾的是，現(xiàn)在很多數(shù)字儀表都是這樣來測量的。

實際上，這個問題在學(xué)術(shù)界是一直存在爭議的，所以美國的碩士論文和瑞典的博士論文都還在研究這個問題。

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(dāng)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容或電感加以補償?shù)?。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)”。

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)定凡是功率小于5瓦的LED燈具不要求功率因數(shù)。而大于5瓦則要求功率因數(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(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定<10W, PF>0.7;功率在10W-30W之間，PF>0.85;功率>30W，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(yán)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。這使人不得不懷疑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。但是具有諷刺意味的是，當(dāng)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。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：

由表中可見，即使是功率因數(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(dāng)輸入功率從9.4W調(diào)到6W時，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PWM調(diào)光。難以理解的是有關(guān)當(dāng)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：

由此看來，日本對于至少15W以下的球泡燈都沒有功率因數(shù)的要求。這對于LED燈具在日本的迅速推廣起了很大的促進作用。

結(jié)束語

科學(xué)發(fā)展觀中最重要的就是可持續(xù)發(fā)展。而其中重中之重就是節(jié)能減排。對于一切有助于節(jié)能減排的新生科技國家都應(yīng)該加以扶植。LED就是其中最重要的一項。想當(dāng)初國家還曾經(jīng)免費發(fā)送每家每戶一個節(jié)能燈以取代白熾燈。但節(jié)能燈存在著光效不夠高、有汞污染、易碎等很多問題。遠遠無法和LED相比?，F(xiàn)在LED已經(jīng)日趨成熟，國家完全應(yīng)該以更大的力度從各方面來加以扶植并極力推廣!更不應(yīng)該設(shè)置比節(jié)能燈更嚴(yán)格的功率因數(shù)的指標(biāo)要求，來限制LED的發(fā)展!