容、电感、或电容和电感的一些组合的电抗性负载不损耗供应至负载的所有电 力。在交流电周期的一个周期中电抗性组件存储能量，然后在交流周期的下一个周期释放 能量。电容存储电场中的能量，而电感存储磁场中的能量。被释放的能量沿着电线被反射 回电力网。由此，反射的能量不得不被不必要地传输至负载，且不必要地被反射回电力网， 在两个方向上的传输损耗都浪费能量。如果观测电线225上的电压和电流，则纯电容性或 电感性负载的功率因数是电线225中电压与电流之间相位角的余弦。如果电压和电流正好 同相，则功率因数是1，并且流入负载的功率是RMS电压乘以RMS电流。如果电压和电流异 相90°或270°，则功率因数是0,并且没有平均功率供应至负载。如果电压和电流正好异 相，则功率从负载流至电网。对于纯电感性负载和纯电容性负载的上述组合，由下式给出供 应给负载的RMS功率P
[0062] IP I = I S I I cos Θ
[0063] 其中，S是通过RMS电压乘以RMS电流而测量到的视在功率，并且Θ是电线225上 电压与电流之间的相位角。许多不同的负载（包括电动机、变压器、电磁铁和螺线管）可以 具有显著的电感。具有显著电容的负载并不很常见。如果电感性负载被耦合到恰当大小的 电容性负载，则电感性负载和电容性负载通过在电容性负载和电感性负载之间来回地传递 能量而抵消了彼此的效应。这防止将能量反射回电力网。电容器的大小被确定为使得电压 与电流之间的相位角接近零。电容值取决于负载的电感以及负载的电阻和负载的电容。对 于一些负载，电容值、电阻值和电感值是不变的，但对于大多数负载，电阻和电感是变化的。 例如，当转子转动时，由于电动机产生的反电动势（EMF)，无负载电动机具有高电感、高视在 电阻。当电动机被加以负载时，随着反EMF减小，视在电阻减小。由此，当电动机上的负载 改变时，所需的电容器的值也改变。尽管可以为稳态条件设置电容器的大小，但是如果条件 改变了则电容器的大小将是不合适的。
[0064] 图3示出根据示例性实施例自动地调节功率因数的系统300。系统300包括负载 305、功率因数调节器单元310和功率因数测量单元315。功率因数调节单元310和功率因 数测量单元315可以被包括在功率因数调节器307中。功率因数测量单元315测量输入线 路320上的功率因数。可以以许多方式来执行测量。例如，可以对电流和电压波形进行采 样，并且可以计算电流和电压的相位角。然后基于电压与电流相位角之间的差值，计算电流 与电压之间的相位角。功率因数是差角的余弦。可替代地，可以对电流和电压进行采样、相 乘、并进行平均以得出被传输至负载的功率。然后可以由实际功率（real power)除以视在 功率S来得出功率因数。基于该测量到的功率因数，功率因数测量单元315产生功率因数 校正信号以校正功率因数。
[0065] 如图3所示，功率因数测量单元315被连接至功率因数调节器单元310,且将功率 因数校正信号发送至功率因数调节器单元310。功率因数调节器单元310调节该功率因数 调节器单元310的电容以减小负载305的功率因数。
[0066] 功率因数测量单元315可以被适配为以多种方式来调节被发送至功率因数调节 器单元310的信号。在一些实施例中，功率因数测量单元315被配置为测量输入线路320 上的功率因数，并计算校正功率因数所需的准确电容。在一些实施例中，功率因数测量单元 315和功率因数调节器单元310形成控制系统。功率因数测量单元315测量功率因数，并计 算由功率因数调节器单元310提供的当前电容是否太高或太低。基于上述计算，功率因数 测量单元315将信号发送至功率因数调节器单元，以便（a)如果电容太低则该功率因数调 节器单元增大由功率因数调节器单元310提供的电容，或者（b)如果电容太高则该功率因 数调节器单元减小由功率因数调节器单元310提供的电容。以这种方式，控制系统300连 续地适配于改变功率因数和负载。当调节功率因数时，控制系统300可以被设计为稳定的。 使用例如主极点补偿可以提供稳定性。
[0067] 在一些实施例中，可以由分立电子组件来形成功率因数测量单元315。在其他实施 例中，可以由ASIC装置、可编程微型计算机芯片或专用电子芯片来形成功率因数测量单元 315〇
[0068] 图4示出根据示例性实施例的功率因数调节单元405。在一些实施例中，功率因数 调节单元405包含类似于功率因数测量单元315的功率因数测量单元410。在其他实施例 中，功率因数测量单元410在功率因数调节单元405的外部。在另外的实施例中，由手动开 关和调节旋钮来手动地控制功率因数调节单元405,并且不需要功率因数测量单元410。
[0069] 功率因数调节单元405包括固定电容器415和可调元件420。尽管在该示例性实 施例中绘示了两个电容器，但是一个或多个固定电容器415中的每个可以具有相同或不同 的电容，使得固定电容器的切换可以为相等增量或其他大小的增量。每个固定电容器415 与至少一个开关425和至少一个可选保险丝430串联连接，跨接在连接至负载的供电线路 440上。可调元件420也与开关425和可选保险丝430串联连接。开关425允许固定电容 器415和可调元件420被切换在电路中和切换出电路。保险丝430保护电容器415、连接至 电力输入电线450的电源、以及负载免受电流浪涌的影响。
[0070] 在一些实施例中，开关425是机械开关，例如继电器开关、振簧继电器开关、带有 螺线管驱动器（solenoid actuator)的机械开关、或带有机动化驱动器的机械开关。在其他 实施例中，开关425是固态开关，例如晶体管、晶闸管、三端双向可控硅元件或固态继电器。
[0071] 另外的保险丝435保护所有的电容器415、可调元件420以及负载免受电流浪涌 的影响。在一些实施例中，开关425被手动地控制。在其他实施例中，由功率因数测量单元 410经由电线445来控制开关425。在一些实施例中，可调元件420被手动地控制。在其他 实施例中，由功率因数测量单元410经由电线445来控制可调元件420。
[0072] 可选的指示器455可以被连接在供给线路440与功率因数调节单元405的输出之 间。可选指示器455允许操作者查看调节单元405是否仍在操作或者保险丝435是否已经 熔断。额外的可选指示器还可以与电容器415和可调元件420并联放置。额外的可选指示 器允许操作者查看哪个开关425闭合了以及哪个保险丝430可能被熔断了。指示器435和 额外的指示器被安装在功率因数调节单元405中，使得从功率因数调节单元405的任何外 壳外部是可以看见它们的。可选的指示器455、435可以是LED灯、计量器，根据触发因素改 变颜色的装置、根据触发因素物理地移动的装置、根据触发因素延伸的装置、或者用于显示 调节单元或保险丝的状态的其他指示器装置。在另一个实施例中，显示单元可以代替指示 器455、435。通过将功率因数调节单元405连接至负载，显示单元可以显示由功率因数调节 单元405节省的安培、电压和瓦特的数量。显示单元还可以显示关于功率因数调节单元405 的其他重要信息，诸如功率因数调节单元405在任何时刻的功率因数校正值。显示单元还 可以报告功率因数调节单元405的状态，包括在功率因数调节单元405内发生的故障或误 差。
[0073] 可选电源开关460可以与一个或多个输入电力电线450串联布置，从而允许手动 地将电力切断。
[0074] 根据开关425中的哪个是闭合还是打开的，可以改变功率因数调节单元405的电 容。可调元件420允许调节功率因数调节单元405以提供由电容器415的组合可得的电容 值之间的电容值。在该示例性实施例中，电容器415的值范围为大约I yF到100 yF。然 而，与本公开的实施例兼容的任何电容值均在本公开的范围内。
[0075] 在一些实施例中，功率因数调节单元405不包含任何固定电容器415,而仅仅依赖 于可调元件420的电容。
[0076] 在一些实施例中，可调元件420是可变电容器。在其他实施例中，可调元件420是 可变电感器或可变电阻器。在另其他实施例中，可调元件420是具有可调节的电阻、电容和 电感的元件。在又其他实施例中，可调元件420是具有可调节的非线性特性并且可以包括 其特性以与可调元件两端的电压或通过可调元件的电流改变的非线性方式一样改变的元 件。可调元件420的可调节的非线性特性还可以展示滞后作用，其中可调元件420的瞬时 特性取决于通过可调元件420的电流和可调元件420两端的电压的历史过程（history)。 可调元件420在每端处具有被连接至电极421之间的材料422的电极421。材料422影响 可调元件420的电气特性。
[0077] 在操作中，功率因数测量单元410切换电容器415的开关425近似地调节功率因 数。然后，如果必要，使用上述方法之一来微调调节单元405,功率因数测量单元410引起对 调元件420的调节。如果例如连接到供电线路440的负载不需要任何负载因数校正，则与 可调元件420串联的开关425允许防止可调元件420影响电路。
[0078] 图5示出根据示例性实施例的功率因数调节单元405的外壳505。输入电力电线 510对应于电力输入电线450。输出电线515对应于连接至负载的供电线路440。指示器 520对应于供电线路440两端的指示器455。指示器525对应于放置在电容器415和可调 元件420两端的可选指示器以指示开关425是否闭合和保险丝430是否没有被熔断。用于 易于替换的保险丝支架530包含保险丝430、435。开关535对应于可选的主电源开关460。
[0079] 图6示出不包含功率因数测量单元410的功率因数调节单元的外壳605。输入电 力电线610对应于电力输入电线450。输出电线615对应于连接至负载的供电线路440。指 示器620对应于供电线路440两端的指示器455。指示器625对应于放置在电容器415和 可调元件420两端的可选指示器以指示开关425是否闭合和保险丝430是否没有被熔断。 用于易于替换的保险丝支架630包含保险丝430、435。开关635对应于可选的主电源开关 460。在外壳605中，开关425对应于外壳605外部的手动机械开关640。由可调旋钮645 来控制可调元件420。
[0080] 调节旋钮645可以被直接连接到可调元件420并且可以被用于机械地调节可调元 件420的参数。可替代地，调节旋钮645可以被连接至电子调节电路。电子调节电路可以 将调节旋钮645的位置转换为施加到可调元件420的电压或电流。调节电路还可以将信号 提供给机械地调节可调元件420的参数的驱动器。
[0081] 功率因数调节器可以被放置在设施的电力系统的多个位置中。图7示出根据示例 性实施例的几个功率因数调节器的示例性安装。由电力网705为设施710供给电力。仪表 715计量流入设施710的负载720-740的电力。功率因数调节器745接近负载720安装且 将负载720的功率因数校正为接近于一（unity)。功率因数调节器750接近负载725安装 且将负载725的功率因数校正为接近于一。功率因数调节器755接近负载730和735安装。 功率因数调节器755将组合负载730和735的功率因数校正为接近于一。因此，因为校正 了负载720-735中的每一个，所以仪表715所显示的总功率因数接近于一。如图7所示，功 率因数调节器可以被连接在负载与剩余电力系统（例如，负载720、725)之间。可替代地， 由单个功率因数调节器例如功率因数调节器750可以来同时校正多于一个的负载（例如负 载730、735)。一些负载例如负载740具有已经接近于一的功率因数，因此，不需要功率因数 调节器。一般地，由一个或多个功率因数调节器可以来校正负载的任何组合，在一些示例中 功率因数调节器接近于单个负载放置并且在其他示例中功率因数调节器校正多个负载。
[0082] 功率因数调节器745-755可以被物理地放置在相应负载720-735的箱子或外壳 中、相应负载720-735的开关箱中、或者沿着到相应负载720-735的电线的任何位置处。功 率因数调节器可以是单独组件、与原始设备制造商组件整合、或者被添加作为零件市场组 件。
[0083] 功率因数调节器745-755的每个可以被配置为监控相应负载720-735的电力、电 压和安培的量。功率因数调节器745-755可以被编程为对于相应负载720-735中的每个可 接受的范围。可接受的范围可以是正常操作条件下负载720-735的电压、安培或瓦特值的 低和高阈值。如果负载720-735不在可接受的范围内操作，则负载可能出故障。功率因数 调节器745-755还可以包括通信装置，该通信装置可以被配置为当相应负载720-735没有 在可接受的范围内操作时将消息发送至另一个装置。通信设备可以通过有线或无线通信方 法（例如WiFi、蓝牙、无线电频率、红外线）来传输消息，或者通过任何其他通信方法来发送 消息。
[0084] 图8示出根据实施例用于多个负载的单个功率因数调节器的示例性使用。由电力 网805来驱动设施810。仪表815可以计量流入设施810的负载820-840的电力。功率因 数调节器845校正组合负载820-835的功率因数。负载840具有已经接近于一的功率因数， 因此不需要功率因数调节器且被直接连接至仪表815。
[0085] 功率因数调节器845可以被物理地放置在任何负载820-835的箱子或外壳中、任 何负载820-835的开关箱中、或者沿着到任何负载820-835的电线的任何位置处。功率因 数调节器可以是单独组件、与原始设备制造商组件整合、或者被添加作为零件市场组件。
[0086] 除了功率因数调节，功率因数调节845可以被用作断路器。功率因数调节845可 以被配置为检测故障条件，并且当检测到故障条件时立即中止到负载820-835的电流。
[0087] 此外，功率因数调节器845可以调节接收三相功率的负载的功率因数。为了解释 三相功率，功率因数调节器845包括三个功率因数调节器，每个被连接至携带三相功率的 三个相位的三个电路导体中的一个。使用三个功率因数调节器，功率因数调节器845可以 从电力网805接收高达480V的三相功率。
[0088] 图9示出根据示例性实施例的可调元件900。可调元件900可以被用作图4所示 的可调元件420且可以被配置为不使用固定电容器415来操作。可调元件900包括容器 905。容器905可以由非导电材料（例如，尼龙、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、氧化 铝、玻璃、树脂、玻璃纤维树脂、酚醛树脂、或与本公开的实施例兼容的任何其他绝缘材料） 制成。容器905具有在其每端处放置的电极910、915。在一些实施例中，两个电极910、915 都是固定的。在其他实施例中，