为什么提高感性负载功率因数要并联电容器而不是串联？

原创面包板社区 2021-08-20 20:00

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日前，EDN小编的邮箱中收到美版知乎Quora发来的一个有趣的话题：为什么提高功率因数都是用的并联电容器而没人用串联呢？今天我们就对这个话题讨论讨论。

在讨论之前首先来了解一下衡量功率因数的意义。

众所周知，我们大部分电气负载都是感性负载。比如，工厂中的各种电动机，家庭中的各种用电器具——电磁炉、洗衣机、冰箱和空调中的压缩机等——都有大量的感性负载，这些负载都需要提供电源才能运转起来。但是电源提供的功率并不能完全被这些感性负载消耗掉，这就牵扯到对电源功率的利用率的问题了，也就是要去衡量功率因数这个指标。

功率因数的大小与电路的负荷性质有关。功率因数低，说明电路用于交变磁场转换的无功功率大，从而降低了设备的利用率，增加了线路供电损失。所以，供电部门对用电单位的功率因数都是有一定的标准要求的。EDN小编还记得当初在电表厂工作时被派去一家供电局出差，正好就遇到了某个工厂功率因数很低的情况。当时供电局的朋友还问我，这是什么原因呢？…

有网友指出，提高功率因数的主要方法是要合理使用各种感性负载，最好不要用大功率的电动机去拖动小功率的负载，这样能够避免“大马拉小车”的情况。然后，最简单的解决方法就是在感性负载两端并联合适的电容器。

下面就回到今天的话题：为什么是并联电容器而不是串联呢？

Quora网友Paschalis Gkaidatzis认为，串联电容器也是可以的，同样可以提高功率因数。电压降不是什么大问题。串联电容器的标称压降范围在标称传输电压的 10-20% 之间。真正的问题是保护和随之而来的成本：在负载发生短路故障的情况下，有可能将整个标称传输电压施加在这些电容器上而引起它们爆炸。当然，可以通过合适的断路开关和隔离间隙火花来防止其产生过压。但这会带来额外的安装和运维成本，而并联电容器却可以避免这个情况。因此，将电容器并联连接，可以为自己或客户节省一笔不小的开支。

此外，并联电容器时，安装是分开的，因此更易于维护。例如，如果需要更改电容器组当中的一部分或添加更多的电容器，并联的方法只需要将电容器组与网络的其余部分断开，而不是将整个设备断开。

网友Fernandez Osmond对此补充说，唯一的原因是成本及其应用的实用性。将任何串联电路连接到电源线后，它会承载总负载电流。因此就需要使用高kVA容量的电容器。如果可以通过连接多个低容量电容器来实现所需的可变电抗，那么从成本和实用性的角度来看，为什么要去用串联呢？

另一位网友Rishab Anand则表示，连接串联电容器实际上会通过补偿传输线电感（串联补偿）来提高用电端的电压。串联使用太小的电容值会导致过度补偿，从而使负载上可能出现大于源电压的电压（费兰蒂效应）。

此外，串联电容器会略微提高发电机所看到的功率因数。然而，它不会像并联电容器那样在本地补偿感性负载的无功功率需求，因此负载的功率因数将保持不变。

因此，串联和并联电容器都可以。串联补偿用于改善负载电压调节，并联补偿用于改善功率因数。

Subodh Mishra也表示，从数学上讲，并联和串联电容器都可以提高功率因数（仅当负载为感性时），但在电力系统中，主要目的是保持恒定的负载电压，而串联电容器会导致负载两端的电压下降。如果并联电容器，则可以确保负载两端的电压恒定，同时可以提高功率因数。

知乎网友Patrick Zhang也一语中的：串联会改变负载的工作电压，使其电压低于额定电压。因而无功补偿必须将补偿电容与负载并联。

SwordLiberty则对此进行了一番数学推导：

对于低压供电系统中无法确定线路中的感性负载的电感量，采用并联方式为最佳选择，并且容易采集电感负载的电感量，利用功率因数来自动调节补偿电容器的容量大小达到补偿的目的。此时，电感负载的端电压与电容端电压大小相等，相位相反，互相补偿，电阻端电压等于电源电压。首先得了解电容补偿的原理。在交流供电系统的电路中，电阻、电感、电容元件的电压、电流的相位特点为：在纯电阻电路中，电流与电压同相位；在纯电容电路中电流超前电压90°；在纯电感电路中电流滞后电压90°。在交流电路中，平均功率P=UIcosΦ，其中cosΦ称为功率因数，也就是电压U与电流I之间的余弦。从物理意义上看，功率因数是有功功率UIcosΦ与视在功率UI的比值。常用的计算公式如下：

当功率与电压为一定值时，并联电容器补偿，功率因数会提高，则需要的电流越小，如果采用串联电容在电路中，电路无法连接在一起，不能够补偿。如果电路呈现电阻性负载，则无需补偿，电流与电压相位相同。另外，电容器串联阻抗最小，电流最大：这时Z=R，则I=U/R。串联谐振时电感（电容）端电压与电源电压的比值称为品质因数Q，也等于感抗（或容抗）和电阻的比值。当Q>>1时，L和C上的电压远大于电源电压（类似于共振），这称为串联谐振，这种方式的谐振常用于信号电压的放大；但在供电电路中串联谐振应该避免。从供电角度，理想的负载是P与S相等，功率因数cosφ为1。此时的供电设备的利用率为最高。而在实际上是不可能的，只有假设系统中的负荷，全部为电阻性才有这种可能。电路中的大多数用电负荷设备的性质都为电感性，这就造成系统总电流滞后电压，使得在功率因数三角形中，无功Q边加大，则功率因数降低，供电设备的效率下降，如下图所示：

功率三角形是一个直角三角形，用cosφ（即φ角的余弦）来反映用电质量的高低。大量的感性负载使得在电力系统中从发电一直到用电的电力设备没有得到充分的应用，相当一部分电能，如果没有采用电容补偿，它将经过输配电系统与用户设备之间进行往返交换，白白浪费了。低压供电系统中的电容电流与电感电流相位差为180°，称作互为反相，可以利用这一互补特性，在配电系统中并联相应数量的电容器。用超前于电压的无功容性电流抵消滞后于电压的无功感性电流，使系统中的有功功率成分增加，cosφ得到提高。