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日前，EDN小編的郵箱中收到美版知乎Quora發(fā)來的一個有趣的話題：為什么提高功率因數(shù)都是用的并聯(lián)電容器而沒人用串聯(lián)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(shù)的意義。
      眾所周知，我們大部分電氣負(fù)載都是感性負(fù)載。比如，工廠中的各種電動機(jī)，家庭中的各種用電器具——電磁爐、洗衣機(jī)、冰箱和空調(diào)中的壓縮機(jī)等——都有大量的感性負(fù)載，這些負(fù)載都需要提供電源才能運(yùn)轉(zhuǎn)起來。但是電源提供的功率并不能完全被這些感性負(fù)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(shù)這個指標(biāo)。
     功率因數(shù)的大小與電路的負(fù)荷性質(zhì)有關(guān)。功率因數(shù)低，說明電路用于交變磁場轉(zhuǎn)換的無功功率大，從而降低了設(shè)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(shù)都是有一定的標(biāo)準(zhǔn)要求的。EDN小編還記得當(dāng)初在電表廠工作時被派去一家供電局出差，正好就遇到了某個工廠功率因數(shù)很低的情況。當(dāng)時供電局的朋友還問我，這是什么原因呢？…
     有網(wǎng)友指出，提高功率因數(shù)的主要方法是要合理使用各種感性負(fù)載，最好不要用大功率的電動機(jī)去拖動小功率的負(fù)載，這樣能夠避免“大馬拉小車”的情況。然后，最簡單的解決方法就是在感性負(fù)載兩端并聯(lián)合適的電容器。
      下面就回到今天的話題：為什么是并聯(lián)電容器而不是串聯(lián)呢？
      Quora網(wǎng)友Paschalis Gkaidatzis認(rèn)為，串聯(lián)電容器也是可以的，同樣可以提高功率因數(shù)。電壓降不是什么大問題。串聯(lián)電容器的標(biāo)稱壓降范圍在標(biāo)稱傳輸電壓的 10-20% 之間。真正的問題是保護(hù)和隨之而來的成本：在負(fù)載發(fā)生短路故障的情況下，有可能將整個標(biāo)稱傳輸電壓施加在這些電容器上而引起它們爆炸。當(dāng)然，可以通過合適的斷路開關(guān)和隔離間隙火花來防止其產(chǎn)生過壓。但這會帶來額外的安裝和運(yùn)維成本，而并聯(lián)電容器卻可以避免這個情況。因此，將電容器并聯(lián)連接，可以為自己或客戶節(jié)省一筆不小的開支。
      此外，并聯(lián)電容器時，安裝是分開的，因此更易于維護(hù)。例如，如果需要更改電容器組當(dāng)中的一部分或添加更多的電容器，并聯(lián)的方法只需要將電容器組與網(wǎng)絡(luò)的其余部分?jǐn)嚅_，而不是將整個設(shè)備斷開。
網(wǎng)友Fernandez Osmond對此補(bǔ)充說，唯一的原因是成本及其應(yīng)用的實(shí)用性。 將任何串聯(lián)電路連接到電源線后，它會承載總負(fù)載電流。因此就需要使用高kVA容量的電容器。如果可以通過連接多個低容量電容器來實(shí)現(xiàn)所需的可變電抗，那么從成本和實(shí)用性的角度來看，為什么要去用串聯(lián)呢？
另一位網(wǎng)友Rishab Anand則表示，連接串聯(lián)電容器實(shí)際上會通過補(bǔ)償傳輸線電感（串聯(lián)補(bǔ)償）來提高用電端的電壓。串聯(lián)使用太小的電容值會導(dǎo)致過度補(bǔ)償，從而使負(fù)載上可能出現(xiàn)大于源電壓的電壓（費(fèi)蘭蒂效應(yīng)）。
此外，串聯(lián)電容器會略微提高發(fā)電機(jī)所看到的功率因數(shù)。然而，它不會像并聯(lián)電容器那樣在本地補(bǔ)償感性負(fù)載的無功功率需求，因此負(fù)載的功率因數(shù)將保持不變。
因此，串聯(lián)和并聯(lián)電容器都可以。串聯(lián)補(bǔ)償用于改善負(fù)載電壓調(diào)節(jié)，并聯(lián)補(bǔ)償用于改善功率因數(shù)。
      Subodh Mishra也表示，從數(shù)學(xué)上講，并聯(lián)和串聯(lián)電容器都可以提高功率因數(shù)（僅當(dāng)負(fù)載為感性時），但在電力系統(tǒng)中，主要目的是保持恒定的負(fù)載電壓，而串聯(lián)電容器會導(dǎo)致負(fù)載兩端的電壓下降。如果并聯(lián)電容器，則可以確保負(fù)載兩端的電壓恒定，同時可以提高功率因數(shù)。
      知乎網(wǎng)友Patrick Zhang也一語中的：串聯(lián)會改變負(fù)載的工作電壓，使其電壓低于額定電壓。因而無功補(bǔ)償必須將補(bǔ)償電容與負(fù)載并聯(lián)。
SwordLiberty則對此進(jìn)行了一番數(shù)學(xué)推導(dǎo)：
     對于低壓供電系統(tǒng)中無法確定線路中的感性負(fù)載的電感量，采用并聯(lián)方式為最佳選擇，并且容易采集電感負(fù)載的電感量，利用功率因數(shù)來自動調(diào)節(jié)補(bǔ)償電容器的容量大小達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康摹４藭r，電感負(fù)載的端電壓與電容端電壓大小相等，相位相反，互相補(bǔ)償，電阻端電壓等于電源電壓。首先得了解電容補(bǔ)償?shù)脑怼Ｔ诮涣鞴╇娤到y(tǒng)的電路中，電阻、電感、電容元件的電壓、電流的相位特點(diǎn)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后電壓90°。在交流電路中，平均功率P=UIcosΦ，其中cosΦ稱為功率因數(shù)，也就是電壓U與電流I之間的余弦。從物理意義上看，功率因數(shù)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(dāng)功率與電壓為一定值時，并聯(lián)電容器補(bǔ)償，功率因數(shù)會提高，則需要的電流越小，如果采用串聯(lián)電容在電路中，電路無法連接在一起，不能夠補(bǔ)償。如果電路呈現(xiàn)電阻性負(fù)載，則無需補(bǔ)償，電流與電壓相位相同。另外，電容器串聯(lián)阻抗最小，電流最大：這時Z=R，則I=U/R。串聯(lián)諧振時電感（電容）端電壓與電源電壓的比值稱為品質(zhì)因數(shù)Q，也等于感抗（或容抗）和電阻的比值。當(dāng)Q>>1時，L和C上的電壓遠(yuǎn)大于電源電壓（類似于共振），這稱為串聯(lián)諧振，這種方式的諧振常用于信號電壓的放大；但在供電電路中串聯(lián)諧振應(yīng)該避免。從供電角度，理想的負(fù)載是P與S相等，功率因數(shù)cosφ為1。此時的供電設(shè)備的利用率為最高。而在實(shí)際上是不可能的，只有假設(shè)系統(tǒng)中的負(fù)荷，全部為電阻性才有這種可能。電路中的大多數(shù)用電負(fù)荷設(shè)備的性質(zhì)都為電感性，這就造成系統(tǒng)總電流滯后電壓，使得在功率因數(shù)三角形中，無功Q邊加大，則功率因數(shù)降低，供電設(shè)備的效率下降，如下圖所示：

功率三角形是一個直角三角形，用cosφ（即φ角的余弦）來反映用電質(zhì)量的高低。大量的感性負(fù)載使得在電力系統(tǒng)中從發(fā)電一直到用電的電力設(shè)備沒有得到充分的應(yīng)用，相當(dāng)一部分電能，如果沒有采用電容補(bǔ)償，它將經(jīng)過輸配電系統(tǒng)與用戶設(shè)備之間進(jìn)行往返交換，白白浪費(fèi)了。低壓供電系統(tǒng)中的電容電流與電感電流相位差為180°，稱作互為反相，可以利用這一互補(bǔ)特性，在配電系統(tǒng)中并聯(lián)相應(yīng)數(shù)量的電容器。用超前于電壓的無功容性電流抵消滯后于電壓的無功感性電流，使系統(tǒng)中的有功功率成分增加，cosφ得到提高。