提高功率因數(shù)的意義和方法分析

1、提高功率因數(shù)的意義和方法1 .功率因數(shù)在交流電路中，電壓與電流之間的相位差(妁余弦叫做功率因數(shù)，用符號(hào)cos表示，在數(shù)值上，功率因數(shù)是有功功率和視在功率的比值，即cos=P/S功率因數(shù)的大小與電路的負(fù)荷性質(zhì)有關(guān)，如白熾燈泡、電阻爐等電阻負(fù)荷的功率因數(shù)為1,一般具有電感負(fù)載的電路功率因數(shù)都小于1。功率因數(shù)是電力系統(tǒng)的一個(gè)重要的技術(shù)數(shù)據(jù)，功率因數(shù)是衡量電氣設(shè)備效率高低的一個(gè)系數(shù)，功率因數(shù)低，說(shuō)明電路用于交變磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換的無(wú)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。電能占企業(yè)成本的5%30%,有些企業(yè)占得更高。因此如何提高電能的利用率和使用效率，保證電能質(zhì)量，是企業(yè)節(jié)能提效的重要手段。絕大多

2、數(shù)企業(yè)是用電動(dòng)機(jī)作為機(jī)械的原動(dòng)機(jī)，而電動(dòng)機(jī)是感性負(fù)載，功率因數(shù)并不高，因此企業(yè)的能源消耗中無(wú)功能源消耗占了很大成份。盡可能的減少無(wú)功能量的消耗，是企業(yè)節(jié)能的頭等大事。對(duì)于企業(yè)而言，供電損耗主要是電動(dòng)機(jī)損耗、低壓線路損耗、高壓線路損耗和變壓器損耗。安裝無(wú)功補(bǔ)償裝置后功率因數(shù)提高，線路電流會(huì)下降，這樣線路損耗降低，變壓器的有功損失也會(huì)降低。電動(dòng)機(jī)損耗(即效率)是電動(dòng)機(jī)本身固有的，目前Y系列的電動(dòng)機(jī)的效率一般都在85%95%。但電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)將影響整個(gè)電網(wǎng)的效率。用電系統(tǒng)裝設(shè)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，提高功率因數(shù)，對(duì)于企業(yè)的降損節(jié)電、用電系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行具有極為重要的意義2 .影響功率因數(shù)的主要因素異步電動(dòng)

3、機(jī)和電力變壓器。異步電動(dòng)機(jī)所耗用的無(wú)功功率是由其空載時(shí)的無(wú)功功率和一定負(fù)載下無(wú)功功率增加值兩部分所組成，改善異步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)就要防止電動(dòng)機(jī)的空載運(yùn)行并盡可能提高負(fù)載率。變壓器消耗無(wú)功的主要成份是它的空載無(wú)功功率，它和負(fù)載率的大小無(wú)關(guān)。因而，為了改善電力系統(tǒng)和企業(yè)的功率因數(shù)，變壓器不應(yīng)空載運(yùn)行或長(zhǎng)其處于低負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)。供電電壓。當(dāng)供電電壓高于額定值的10%寸，由于磁路飽和的影響，無(wú)功功率將增長(zhǎng)得很快，據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，當(dāng)供電電壓為額定值的110%寸，一般工廠的無(wú)功將增加35流右，當(dāng)供電電壓低于額定值時(shí)，無(wú)功功率也相應(yīng)減少而使它們的功率因數(shù)有所提高。但供電電壓降低會(huì)影響電氣設(shè)備的正常工作。3 .

4、提高功率因數(shù)的意義(1)提高功率因數(shù)可以提高設(shè)備的利用率由于有功功率：P=UICOSI)，當(dāng)U和I為定值時(shí)，PooCOa,這就是說(shuō)在電源提供同樣的視在功率ui情況下，有功功率p與功率因數(shù)cos)的大小成正比。我們知道，電源設(shè)備的容量都是根據(jù)額定電壓UNO額定電流IN確定的，因此其額定視在功率為SN=UNN。它表示該設(shè)備允許輸出的最大有功功率，換句話說(shuō)，假如負(fù)載COa=1,P=UNINCOSJ)=UNIN=SN此時(shí)電源的容量全部轉(zhuǎn)換成有功功率，因而電源設(shè)備得到充分利用。如果CO&<1則電源能提供的功率為P=UNINCO&<SN且COS愈小，在同樣UNIN下，提供的有功

5、功率愈小，電源設(shè)備愈不能充分利用。提高功率因數(shù)可以減少線路損耗由有功功率計(jì)算式可推導(dǎo)出電流I=P/UCOS小，當(dāng)U和P一定時(shí)，電流I與COS成反比,即I°°1/COS（|）這就是說(shuō)在電源輸出同樣的有功功率情況下,功率因數(shù)愈低，電流通過(guò)輸電導(dǎo)線，在電線路上的功率損耗愈大，這就意味著輸電線路上傳電能的效率低。提高功率因數(shù)能改善供電質(zhì)量線路上輸送的有功功率為P=UICOa，若要求有功功率P一定和電壓U不變時(shí)，則電流和功率因數(shù)COS）成反比。功率因數(shù)越低，說(shuō)明線路上的無(wú)功功率越大因而通過(guò)線路的電流I也越大，由于線路具有一定的阻抗，必然造成電壓損失，使線路電壓降低。提高功率因數(shù)可以減

6、少企業(yè)電費(fèi)支出為了促進(jìn)用戶提高功率因數(shù)，電力部門對(duì)工業(yè)用戶規(guī)定了按照月平均功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)的辦法。月平均功率因數(shù)的計(jì)算方法為：月平均功率因數(shù)=月有功電度/戶月有功電度十月無(wú)功電度。目前電價(jià)制度規(guī)定：功率因數(shù)低于0.85時(shí)，企業(yè)的全部電費(fèi)相應(yīng)增加，以示懲罰一功率因數(shù)高于0.85者時(shí)企業(yè)的全部電費(fèi)相應(yīng)減少，以資獎(jiǎng)勵(lì)。由下表可見，提高功率因數(shù)減少了企業(yè)電費(fèi)支出，即降低了產(chǎn)品制造成本。0.85為標(biāo)準(zhǔn)值的功率因數(shù)電費(fèi)調(diào)整表M收電費(fèi)增收電費(fèi)，際功率因數(shù)月電費(fèi)減少實(shí)際功率因數(shù)月電費(fèi)增加實(shí)際功率因數(shù)月電費(fèi)增加0.850.00.840.50.707.50.860.10.831.00.698.00.870.20.

7、821.50.688.50.880.30.812.00.679.00.890.40.802.50.669.50.900.50.793.00.6510.00.910.650.783.50.6411.00.920.800.774.00.6312.00.930.950.764.50.6213.00.941.001.100.755.00.6114.00.745.50.6015.00.736.0功率因數(shù)自0.59及以下，每降低0.01電費(fèi)增加0.726.50.717.02%4 .提高負(fù)載功率因數(shù)的方法4.1 提高自然功率因數(shù)的方法提高自然功率因數(shù)，就是不添置任何補(bǔ)償裝置，采取措施來(lái)減少供電系統(tǒng)中無(wú)功功率

8、的需要量。它不需增加投資，是最經(jīng)濟(jì)的提高功率因數(shù)的方法。在不進(jìn)行任何人工補(bǔ)償之前，首先從提高自然功率因數(shù)著手，能收到既節(jié)電又減少開支的效果。其主要有：(1)正確選用異步電動(dòng)機(jī)的型號(hào)與容量合理使用電動(dòng)機(jī)；選擇電動(dòng)機(jī)既要注意機(jī)械性能，又要考慮電器指標(biāo)。若電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期處于低負(fù)載下運(yùn)行，既增大功率損耗，又使功率因數(shù)和效率都顯著惡化。故從節(jié)約電能和提高功率因數(shù)的觀點(diǎn)出發(fā)，必須正確的合理的選擇電動(dòng)機(jī)的容量。提高異步電動(dòng)機(jī)的檢修質(zhì)量。異步電動(dòng)機(jī)定子繞組匝數(shù)變動(dòng)和電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子間的氣隙變動(dòng)時(shí)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)無(wú)功功率的大小有很大的影響。采用同步電動(dòng)機(jī)或異步電動(dòng)機(jī)同步運(yùn)行提高功率因數(shù)。只要調(diào)節(jié)電機(jī)的勵(lì)磁電流，使其處于過(guò)

9、激狀態(tài)，就可以使同步電機(jī)向電網(wǎng)“送出”無(wú)功功率，減少電網(wǎng)輸送給企業(yè)的無(wú)功功率，從而提高企業(yè)的功率因數(shù)。異步電動(dòng)機(jī)同步運(yùn)行就是將異步電動(dòng)機(jī)三相轉(zhuǎn)子繞組適當(dāng)連接并通入直流勵(lì)磁電流，使其呈同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，這就是“異步電動(dòng)機(jī)同步化”。調(diào)節(jié)電機(jī)的直流勵(lì)磁電流，使其呈過(guò)激狀態(tài)，即能向電網(wǎng)輸出無(wú)功，從而達(dá)到提高低壓網(wǎng)功率因數(shù)的目的。合理選擇配變?nèi)萘?，改善配變的運(yùn)行方式。對(duì)負(fù)載率比較低的配變，一般采取“撤、換、并、停”等方法，使其負(fù)載率提高到最佳值，從而改善電網(wǎng)的自然功率因數(shù)。正確選用異步電動(dòng)機(jī)，使其額定容量與所帶負(fù)載相配合，對(duì)于改善功率因數(shù)是十分重要的。在選型方面，要注意選用節(jié)能型，淘汰高能耗的電動(dòng)機(jī)，并依

10、據(jù)電機(jī)機(jī)械工作對(duì)啟動(dòng)力矩、啟動(dòng)次數(shù)、調(diào)速等方面的具體要求，選用不同的型號(hào)。電動(dòng)機(jī)的效率”與功率因數(shù)cos中是反映電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平的主要標(biāo)，都與負(fù)載率P有密切關(guān)系。GB/T12497-90對(duì)三相異步電機(jī)三個(gè)運(yùn)行區(qū)域規(guī)定如下：當(dāng)負(fù)載率P在70%-100%之間時(shí)，為經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)；當(dāng)40%ePW70%時(shí)，為一般運(yùn)行區(qū)；當(dāng)P<40%時(shí)，為非經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)。因此要防止“大馬拉小車”，減少負(fù)載的無(wú)功消耗，使其盡可能在滿載下運(yùn)行，達(dá)到提高自然功率因數(shù)的目的。(2)根據(jù)負(fù)荷選用相匹配的變壓器。電力變壓器一次側(cè)功率因數(shù)不但與負(fù)荷的功率因數(shù)有關(guān)，而且與負(fù)荷率有關(guān)，若變壓器滿載運(yùn)行，一次側(cè)功率因數(shù)僅比二次側(cè)降低約3

11、-5%；若變壓器輕載運(yùn)行，當(dāng)負(fù)荷小于0.6時(shí)，一次側(cè)功率因數(shù)就顯著下降，下降達(dá)11-18%,所以電力變壓器的負(fù)荷率在0.6以上運(yùn)行時(shí)才較經(jīng)濟(jì),一般應(yīng)在60%-70%比較合適。為了充分利用設(shè)備和提高功率因數(shù)，電力變壓器一般不宜作輕載運(yùn)行。當(dāng)電力變壓器負(fù)荷率小于30%寸，應(yīng)當(dāng)更換成容量較小的變壓器。根據(jù)變壓器的最佳負(fù)載系數(shù)合理選用變壓器，將變壓器進(jìn)行更換及調(diào)整，在負(fù)載小的時(shí)候切除部分變壓器，這樣可以減少無(wú)功功率的需求量，使自然功率因數(shù)得到提高。(3)保證電動(dòng)機(jī)的檢修質(zhì)量。異步電動(dòng)機(jī)定子與轉(zhuǎn)子間的氣隙是決定異步電動(dòng)機(jī)需要較多無(wú)功功率的主要因素。當(dāng)定轉(zhuǎn)子間氣隙增大或定子線圈減少時(shí)都會(huì)使勵(lì)磁電流增大，從

12、而增加向電網(wǎng)吸收的無(wú)功功率而使功率因數(shù)降低，因此要提高檢修質(zhì)量，保證電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能參數(shù)。(4)對(duì)于容量較大且又不需要調(diào)速的電動(dòng)機(jī)，應(yīng)盡量選用同步電動(dòng)機(jī)。通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流處于過(guò)勵(lì)狀態(tài)，使其功率因數(shù)cos的相位角變?yōu)槌?即成為感性負(fù)載),這樣同步電動(dòng)機(jī)不僅不會(huì)吸收無(wú)功功率，而且還可向電網(wǎng)輸出無(wú)功功率，以補(bǔ)償其他感性負(fù)載的無(wú)功功率要求，達(dá)到提高功率因數(shù)的目的。通常對(duì)低速、恒速且長(zhǎng)期連續(xù)工作的容量較大的電動(dòng)機(jī)，宜采用同步電動(dòng)機(jī)組，如軋鋼的電動(dòng)機(jī)組、球磨機(jī)、空壓機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備。這些設(shè)備采用同步電動(dòng)機(jī)為原動(dòng)機(jī)時(shí)，其容量一般在250KW以上環(huán)境與啟動(dòng)條件均能滿足同步電動(dòng)機(jī)的要求，而且停歇時(shí)

13、間較少，因此對(duì)改善功率因數(shù)能起很大作用。4.2 功率因數(shù)的人工補(bǔ)償人工補(bǔ)償又稱無(wú)功補(bǔ)償，主要方法是在負(fù)載附近裝設(shè)一些能夠提供無(wú)功功率的設(shè)備，使無(wú)功功率就地得到補(bǔ)償，從而有效地提高功率因數(shù)。最常用的方法是采用電力電容器補(bǔ)償無(wú)功，即在感性負(fù)載上并聯(lián)電容器。具電路圖和相量圖如下圖所示。(a)(b)圖1電容器與電感性負(fù)載并聯(lián)以提高功率因數(shù)(a)電路圖(b)相量圖并聯(lián)電容器以后，電感性負(fù)載的電流l1=%R、x2和功率因數(shù)cos叼=/r2+x2均未變化，這是因?yàn)樗与妷汉拓?fù)載參數(shù)沒有改變。但電壓u和線路電流i之間的相位差邛變小了，即cos中變大了。這里我們所講的提高功率因數(shù)，是指提高電源或電網(wǎng)的功率因數(shù)，

14、而不是指提高某個(gè)電感性負(fù)載的功率因數(shù)。在電感性負(fù)載上并聯(lián)了電容器以后，減少了電源與負(fù)載之間的能量互換。這時(shí)電感性負(fù)載所需的無(wú)功功率，大部分或全部都是就地供給(有電容器供給)，就是說(shuō)能量的互換現(xiàn)在主要或完全發(fā)生在電感性負(fù)載與電容器之間，因而使發(fā)動(dòng)機(jī)容量得到充分利用。其次，由相量圖可見，并聯(lián)電容器以后線路電流也減少了(電流相量相加)，因而減小了功率損耗。對(duì)于采用并聯(lián)電容器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，按其在供電系統(tǒng)中安裝的位置來(lái)分，可分為集中補(bǔ)償、分組補(bǔ)償和就地補(bǔ)償三種。(1)集中補(bǔ)償：即在高、低壓配電所內(nèi)設(shè)置若干組電容器組，電容器接在配電母線上，補(bǔ)償該配電所供電范圍內(nèi)的無(wú)功功率，并使總功率因數(shù)達(dá)到所規(guī)定的值以上。如果電容器組容量較大，可采用電容器柜，如果企業(yè)配電容量大，需大量采用電容器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，則另外建造電容器室。(2)分組補(bǔ)償：有的企業(yè)小功率異步電動(dòng)機(jī)較少，不可能都裝無(wú)功就地補(bǔ)償器。這時(shí)，用分組補(bǔ)償比較合適，即在車間或?qū)Χ嗯_(tái)小功率異步電動(dòng)機(jī)裝設(shè)無(wú)功補(bǔ)償器。(3)就地補(bǔ)償：即把無(wú)功補(bǔ)償器直接接在異步電動(dòng)機(jī)旁或進(jìn)線端子上。這種補(bǔ)償方法相當(dāng)于把無(wú)功電源直接搬移到異步電動(dòng)機(jī)旁，使異步電動(dòng)機(jī)所需要的大部分無(wú)功功率由無(wú)功就地補(bǔ)償器供給，無(wú)功功率僅在異步電動(dòng)機(jī)和并聯(lián)電容器之間流動(dòng)。從而消除了無(wú)功電流在高、低壓線路上的流動(dòng)，減少線路負(fù)荷和損耗。