工控摘要：隨著經(jīng)濟(jì)的日益發(fā)展,電力需求不斷提高,伴隨而來的突出問題是能源無效的巨大消耗,資源利用率低下，電力系統(tǒng)是一龐大的系統(tǒng),其電能損耗的數(shù)值相當(dāng)可觀,能源的合理配置是極需解決的問題。
　　
　　功率因數(shù)是決定發(fā)供電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的一個極為重要的因素,它直接反映了系統(tǒng)中有功功率與無功功率的分配，對于發(fā)供電系統(tǒng)來說,對負(fù)荷不但要求有高的負(fù)荷率,而且也要求有高的功率因數(shù).
　　
　　1、電力網(wǎng)絡(luò)的功率因數(shù)
　　
　　電力網(wǎng)絡(luò)除了要負(fù)擔(dān)用電負(fù)荷的有功功率P,還要負(fù)擔(dān)負(fù)荷的無功功率Q1有功功率P、無功功率Q和視在功率S之間存在下述關(guān)系:
　　
　　S=P2+Q2而P與S之比即:PS=cosφ
　　
　　被定義為電力網(wǎng)絡(luò)的功率因數(shù),其物理意義是線路的視在功率S供給有功功率的消耗所占百分?jǐn)?shù)1在電力網(wǎng)的運(yùn)行中,我們所希望的是功率因數(shù)越大越好,如能做到這一點(diǎn),則電路中的視在功率將大部分用來供給有功功率,以減少無功功率的消耗
　　
　　2、低功率因數(shù)的不利表現(xiàn)
　　
　　2.1、電流大對于一個給定的負(fù)荷,當(dāng)供電電壓一定時(shí),則功率因數(shù)越低,電流就越大,因?yàn)?Ic=P3Ucosφ
　　
　?。?）式中:P為用電負(fù)荷的有功負(fù)荷;U為線電壓1
　　
　　可見,供電電流Ic與功率因數(shù)成反比。我們知道,發(fā)電機(jī)與變壓器的額定容量都是正比于其輸出電流,從而也就反比于功率因數(shù),所以,在供出同樣功率的條件下,電壓一定時(shí),功率因數(shù)越低,則要求發(fā)電機(jī)與變壓器的容量也就越大,因此,發(fā)電機(jī)與變壓器的投資也就越高。
　　
　　2.2、銅損大在一定的負(fù)荷下,輸電線路功率因數(shù)低時(shí),其銅損大1線路損失公式如下:&P=3I2c×R×10-3（kW）
　　
　　把（1）代入其中就得到：&P=3P23UP2cos2φ×R×10-3=P2×R×10-3U2cos2φ（kW）=K×1cos2φ
　　
　　由此可見,設(shè)備的銅損正比于電流的平方,從而反比于功率因數(shù)的平方1功率因數(shù)越低,則電氣設(shè)備中的銅損就越大,效率也就越低1與此相似,當(dāng)系統(tǒng)的功率因數(shù)很低時(shí),對于傳遞同樣的功率,則電流加大。所以若導(dǎo)線尺寸相同,則電能傳輸系統(tǒng)意味著有更大的能量損失,或者說,對于同樣的能量損失,要求有更粗的導(dǎo)體。
　　
　　2.3、投資高從公式（1）可知,對于一給定的負(fù)荷,在低功率因數(shù)下,母線的截面、保護(hù)開關(guān)的導(dǎo)電面積,都必須加大才能通過更大的電流,故此,投資亦需增加。
　　
　　3低功率因數(shù)產(chǎn)生的主要原因
　　
　　3.1勵磁電流的影響
　　
　　變壓器都帶有勵磁電流,它對于感應(yīng)電勢來說,總是滯后的1在正常情況下,勵磁電流不致影響功率因數(shù),但當(dāng)輕負(fù)荷運(yùn)行時(shí)（如一個居民區(qū)的配電變壓器在夜間主要供應(yīng)照明負(fù)荷,因此,半夜以后照明負(fù)荷急劇減少,配電變壓器就進(jìn)入輕負(fù)荷）,原端功率因數(shù)就降低。
　　
　　3.2感應(yīng)電動機(jī)的使用
　　
　　大量使用感應(yīng)電動機(jī)也會造成系統(tǒng)功率因數(shù)降低,因?yàn)椴豢赡芩械碾妱訖C(jī)都在滿負(fù)荷運(yùn)行。當(dāng)電動機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí),功率因數(shù)可達(dá)到85%;當(dāng)電動機(jī)在75%額定負(fù)荷運(yùn)行時(shí),功率因數(shù)為0.8;而當(dāng)電動機(jī)在50%額定負(fù)荷運(yùn)行時(shí),功率因數(shù)為0.7;若電動機(jī)空載運(yùn)行,則功率因數(shù)為0.2～0.3?？梢?大量使用電動機(jī)而這些電動機(jī)又不能全部都滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí),系統(tǒng)的功率因數(shù)必然降低。
　　
　　3.3氣體放電燈的使用氣體放電燈在居民與工業(yè)、商業(yè)照明中正越來越廣泛地應(yīng)用,而氣體放電燈也是以低功率因數(shù)運(yùn)行的。
　　
　　3.4修理過的電動機(jī)的使用由于在用戶中不可避免地大量使用著修理過的電動機(jī),這些修理過的電動機(jī),通常其定子繞組匝數(shù)少于原來的匝數(shù),因此,這些電動機(jī)中漏磁通增加,造成電動機(jī)功率因數(shù)降低。
　　
　　4提高功率因數(shù)的意義
　　
　　4.1能夠降低生產(chǎn)成本、減少投資、改善設(shè)備的利用率
　　
　　功率因數(shù)可以表示成下述形式
　　
　　cosφ=P/S=P/3UI
　　
　　可見,在一定的電壓和電流下,提高cosφ,其輸出的有功功率越大1因此,改善功率因數(shù)是充分發(fā)揮設(shè)備潛力、提高設(shè)備利用率的有效方法。
　　
　　4.2可以減少線路壓降、改善電壓質(zhì)量
　　
　　電力網(wǎng)的電壓損失可借下式求出線路電壓降為:
　　
　　&U=PR+QX/U
　　
　　這里,P是線路有功負(fù)荷;Q是線路無功負(fù)荷;R與X分別是線路電阻與電抗;U是線路供電電壓1如果采用容抗為Xc的電容來補(bǔ)償,則電壓損失為:
　　
　　&U=PR+Q（X-Xc）/U
　　
　　故采用補(bǔ)償電容提高功率因數(shù)后,電壓損失ΔU減小,改善了電壓質(zhì)量1再由（5）或（6）可知,無功負(fù)荷越小,則線路電壓降就越小/
　　
　　4.3能夠提高電力網(wǎng)的傳輸能力、提高能源的利用率、降低電力成本、增加經(jīng)濟(jì)效益
　　
　　由于視在功率與有功功率成以下關(guān)系
　　
　　P=Scosφ
　　
　　Q=S2-P2=S×sinφ=S×1-cos2φ
　　
　　所以,當(dāng)在傳送一定有功功率P的條件下,cosφ越高,所需視在功率越小。而當(dāng)有功負(fù)荷一定時(shí),若功率因數(shù)值越大,則由（8）可知,無功負(fù)荷就越小,充分發(fā)揮了發(fā)、供電設(shè)備的
　　
　　生產(chǎn)能力,提高了經(jīng)濟(jì)效益。
　　
　　5提高功率因數(shù)的方法
　　
　　提高功率因數(shù)的途徑主要在于如何減少電力系統(tǒng)中各個部分所需的無功功率,特別是減少負(fù)荷取用的
　　
　　無功功率,使電力系統(tǒng)在輸送一定的有功功率時(shí),可降低其中通過的無功電流1
　　
　　提高功率因數(shù)的方法很多,但總的來說可以歸結(jié)為兩大類:
　　
　　5.1提高自然功率因數(shù)的方法
　　
　　采用降低各用電設(shè)備所需的無功功率以改善其功率因數(shù)的措施,稱為提高自然功率因數(shù)的方法1主要有:
　　
　　（1）正確選用異步電動機(jī)的型號與容量。據(jù)有關(guān)資料介紹,我國中小型異步電動機(jī)的用電負(fù)荷約占電網(wǎng)總負(fù)荷的80%以上,幾個主要電網(wǎng)中,電動機(jī)所耗能占整個工業(yè)用電量的60%～68%左右1因此做好電動機(jī)的降損節(jié)能具有十分重要的經(jīng)濟(jì)意義1正確選用異步電動機(jī),使其額定容量與所帶負(fù)載相配合,對于改善功率因數(shù)是十分重要的1在選型方面,要注意選用節(jié)能型,淘汰高能耗的電動機(jī),并依據(jù)電機(jī)機(jī)械工作對啟動力矩、啟動次數(shù)、調(diào)速等方面的具體要求,選用不同的型號。電動機(jī)的效率η與功率因數(shù)cosφ是反映電動機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平的主要指標(biāo),都與負(fù)載率β有密切關(guān)系1GB/T12497-90對三相異步電機(jī)三個運(yùn)行區(qū)域規(guī)定如下:
　　
　　當(dāng)負(fù)載率β在70%～*之間時(shí),為經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū);
　　
　　當(dāng)40%≤β≤70%時(shí),為一般運(yùn)行區(qū);
　　
　　當(dāng)β<40%時(shí),為非經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)1
　　
　?。?）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)1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3～5%;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1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%時(shí),應(yīng)當(dāng)更換成容量較小的變壓器。
　　
　?。?）合理安排和調(diào)整工藝流程。合理安排和調(diào)整工藝流程,改善電機(jī)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),限制電焊機(jī)和機(jī)床電動機(jī)的空載運(yùn)行1例如可采用空載自動延時(shí)斷電裝置流程等。
　　
　?。?）異步電動機(jī)同步化運(yùn)行。對于負(fù)荷率不大于0.7及zui大負(fù)荷不大于90%額定功率的繞線式異步電動機(jī),必要時(shí)可使其同步化,即當(dāng)繞線式異步電動機(jī)在起動完畢以后,向轉(zhuǎn)子三相繞組中送入直流勵磁,即產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩把異步電動機(jī)牽入同步運(yùn)行,其運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)與同步電動機(jī)相似1在過勵磁的情況下,電動機(jī)可向電網(wǎng)送出無功功率,從而達(dá)到改善功率因數(shù)的目的。
　　
　　5.2提高功率因數(shù)的補(bǔ)償方法
　　
　　采用供應(yīng)無功功率的設(shè)備來補(bǔ)償用電設(shè)備所需的無功功率,以提高其功率因數(shù)的措施,稱為提高功率因數(shù)的補(bǔ)償方法。采用補(bǔ)償法來提高功率因數(shù),必須增加新設(shè)備、增加有色與黑色金屬的需用量。此外,補(bǔ)償設(shè)備本身也有功率損失,所以從整體來看,應(yīng)首先采用提高用電設(shè)備自然功率因數(shù)的方法。但當(dāng)功率因數(shù)還達(dá)不到《電力設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》所要求的數(shù)值時(shí),則需采用專門的補(bǔ)償設(shè)備來提高功率因數(shù)。應(yīng)用人工補(bǔ)償無功功率的方法通常有應(yīng)用移相電容器（即靜電電容器）、采用同步電動機(jī)和采用同步調(diào)相機(jī)三種方法。
　　
　　同步電動機(jī)在過勵磁方式運(yùn)行（0.8～0.9超前）時(shí),就向電力系統(tǒng)輸送無功功率,提高了工業(yè)企業(yè)的功率因數(shù)1一般在滿足工藝條件下,采用或不采用同步電動機(jī)來提高企業(yè)的功率因數(shù),應(yīng)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。通常對低速、恒速且長期連續(xù)工作的容量較大的電動機(jī),宜采用同步電動機(jī)組,如軋鋼的電動機(jī)組、球磨機(jī)、空壓機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備1這些設(shè)備采用同步電動機(jī)為原動機(jī)時(shí),其容量一般在250KW以上,環(huán)境與啟動條件均能滿足同步電動機(jī)的要求,而且停歇時(shí)間較少,因此對改善功率因數(shù)能起很大作用1但是同步電動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,并且附有一套啟動控制設(shè)備,維護(hù)工作量大,價(jià)格較異步電動機(jī)貴,而且目前高壓移相電容器價(jià)格普遍降低,這就相應(yīng)地提高了“異步電動機(jī)加移相電容器的補(bǔ)償方案”的*性1移相電容器由于具有功率損耗小、運(yùn)行維修很方便、短路電流小等優(yōu)點(diǎn)而在工業(yè)企業(yè)中被廣泛用作人工補(bǔ)償裝置。
　　
　　綜上所述,提高功率因數(shù)必然對國家的能源利用、企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益起到促進(jìn)作用,是保證電力系統(tǒng)電能質(zhì)量、電壓質(zhì)量、降低網(wǎng)絡(luò)損耗以及安全運(yùn)行所*的條件1應(yīng)根據(jù)不同情況采取相應(yīng)措施來提高功率因數(shù),降低無功損耗,從而提高經(jīng)濟(jì)效益。