為什麼提高感性負載功率因數要並聯電容而非串聯？
2021-08-30
作者
趙明燦，EDN China
日前，EDN小編的郵箱中收到美版知乎Quora發來的一個有趣的話題：為什麼提高功率因數都是用的並聯電容器而沒人用串聯呢？
日前，EDN小編的郵箱中收到美版知乎Quora發來的一個有趣的話題：為什麼提高功率因數都是用的並聯電容而沒人用串聯呢？今天我們就對這個話題討論討論。
在討論之前首先來了解一下衡量功率因數的意義。
眾所周知，大部份電氣負載都是感性負載。比如，工廠中的各種馬達，家庭中的各種用電器具——電磁爐、洗衣機、冰箱，以及空調中的壓縮機等——都有大量的感性負載，這些負載都需要提供電源才能運轉。但是電源提供的功率並不能完全被這些感性負載消耗掉，這就牽扯到對電源功率的利用率的問題了，也就是要去衡量功率因數這個指標。
功率因數的大小與電路的負荷性質有關。功率因數低，說明電路用於交變磁場轉換的無功功率大，從而降低了設備的利用率，增加了線路供電損失。所以，供電部門對用電單位的功率因數都是有一定的標準要求的。
EDN小編還記得當初在電表廠工作時曾經被派去一家供電局出差，正好就遇到了某個工廠功率因數很低的情況。當時供電局的朋友還問我，這是什麼原因呢？
有網友指出，提高功率因數的主要方法是要合理使用各種感性負載，最好不要用大功率的馬達去拖動小功率的負載，這樣能夠避免「大馬拉小車」的情況。然後，最簡單的解決方法就是在感性負載兩端並聯合適的電容器。
接下來回到今天的話題：為什麼是並聯電容而不是串聯呢？
Quora網友Paschalis Gkaidatzis認為，串聯電容也是可以，同樣可以提高功率因數。電壓降不是什麼大問題。串聯電容的標稱壓降範圍在標稱傳輸電壓的10~20%之間。真正的問題是保護和隨之而來的成本：在負載發生短路故障的情況下，有可能將整個標稱傳輸電壓施加在這些電容器上而引起它們爆炸。
當然，可以透過合適的斷路開關和隔離間隙火花來防止其產生過壓。但這會帶來額外的安裝和維運成本，而並聯電容卻可以避免這個情況。因此，將電容並聯連接，可以為自己或客戶節省一筆不小的開支。
此外，並聯電容時，安裝是分開的，因此更易於維護。例如，如果需要更改電容器組當中的一部份或添加更多的電容器，並聯的方法只需要將電容組與網路的其餘部份斷開，而不是將整個設備斷開。
網友Fernandez Osmond對此補充說，唯一的原因是成本及其應用的實用性。將任何串聯電路連接到電源線後，它會承載總負載電流。因此就需要使用高kVA容量的電容。如果可以透過連接多個低容量電容來實現所需的可變電抗，那麼從成本和實用性的角度來看，為什麼要去用串聯呢？
另一位網友Rishab Anand則表示，連接串聯電容實際上會透過補償傳輸線電感(串聯補償)來提高用電端的電壓。串聯使用太小的電容值會導致過度補償，從而使負載上可能出現大於來源電壓的電壓──費蘭蒂效應(Ferranti Effect)。
此外，串聯電容會略微提高發電機所看到的功率因數。然而，它不會像並聯電容那樣在本地補償感性負載的無功功率需求，因此負載的功率因數將保持不變。
因此，串聯和並聯電容器都可以。串聯補償用於改善負載電壓調節，並聯補償用於改善功率因數。
Subodh Mishra也表示，從數學上講，並聯和串聯電容都可以提高功率因數(僅當負載為感性時)，但在電力系統中，主要目的是保持恆定的負載電壓，而串聯電容會導致負載兩端的電壓下降。如果並聯電容，則可以確保負載兩端的電壓恆定，同時可以提高功率因數。
知乎網友Patrick Zhang也一語中的：串聯會改變負載的工作電壓，使其電壓低於額定電壓。因而無功補償必須將補償電容與負載並聯。
SwordLiberty則對此進行了一番數學推導：
對於低壓供電系統中無法確定線路中的感性負載的電感量，採用並聯方式為最佳選擇，並且容易採集電感負載的電感量，利用功率因數來自動調節補償電容的容量大小達到補償的目的。此時，電感負載的端電壓與電容端電壓大小相等，相位相反，互相補償，電阻端電壓等於電源電壓。
首先得了解電容補償的原理。在交流供電系統的電路中，電阻、電感、電容元件的電壓、電流的相位特點為：在純電阻電路中，電流與電壓同相位；在純電容電路中電流超前電壓90°；在純電感電路中電流滯後電壓90°。在交流電路中，平均功率P=UIcosΦ，其中cosΦ稱為功率因數，也就是電壓U與電流I之間的餘弦。從物理意義上看，功率因數是有功功率UIcosΦ與視在功率UI的比值。常用的計算公式如下：
當功率與電壓為一定值時，並聯電容器補償，功率因數會提高，則需要的電流越小，如果採用串聯電容在電路中，電路無法連接在一起，不能夠補償。如果電路呈現電阻性負載，則無需補償，電流與電壓相位相同。另外，電容器串聯阻抗最小，電流最大：這時Z=R，則I=U/R。串聯諧振時電感(電容)端電壓與電源電壓的比值稱為品質因數Q，也等於感抗(或容抗)和電阻的比值。當Q>>1時，L和C上的電壓遠大於電源電壓(類似於共振)，這稱為串聯諧振，這種方式的諧振常用於訊號電壓的放大；但在供電電路中串聯諧振應該避免。從供電角度，理想的負載是P與S相等，功率因數cosφ為1。此時的供電設備的利用率為最高。而在實際上是不可能的，只有假設系統中的負荷，全部為電阻性才有這種可能。電路中的大多數用電負荷設備的性質都為電感性，這就造成系統總電流滯後電壓，使得在功率因數三角形中，無功Q邊加大，則功率因數降低，供電設備的效率下降，如下圖所示：
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