工控摘要：隨著經(jīng)濟的日益發(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,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,則功率因數(shù)越低,電流就越大,因為;Ic=P3Ucosφ
　　
　　（1）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,功率因數(shù)越低,則要求發(fā)電機與變壓器的容量也就越大,因此,發(fā)電機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,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,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)荷運行時（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,配電變壓器就進入輕負(fù)荷）,原端功率因數(shù)就降低。
　　
　　3.2感應(yīng)電動機的使用
　　
　　大量使用感應(yīng)電動機也會造成系統(tǒng)功率因數(shù)降低,因為不可能所有的電動機都在滿負(fù)荷運行。當(dāng)電動機滿負(fù)荷運行時,功率因數(shù)可達到85%;當(dāng)電動機在75%額定負(fù)荷運行時,功率因數(shù)為0.8;而當(dāng)電動機在50%額定負(fù)荷運行時,功率因數(shù)為0.7;若電動機空載運行,則功率因數(shù)為0.2～0.3?？梢?大量使用電動機而這些電動機又不能全部都滿負(fù)荷運行時,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)運行的。
　　
　　3.4修理過的電動機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,這些修理過的電動機,通常其定子繞組匝數(shù)少于原來的匝數(shù),因此,這些電動機中漏磁通增加,造成電動機功率因數(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的電容來補償,則電壓損失為:
　　
　　&U=PR+Q（X-Xc）/U
　　
　　故采用補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,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,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:
　　
　?。?）正確選用異步電動機的型號與容量。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因此做好電動機的降損節(jié)能具有十分重要的經(jīng)濟意義1正確選用異步電動機,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,并依據(jù)電機機械工作對啟動力矩、啟動次數(shù)、調(diào)速等方面的具體要求,選用不同的型號。電動機的效率η與功率因數(shù)cosφ是反映電動機經(jīng)濟運行水平的主要指標(biāo),都與負(fù)載率β有密切關(guān)系1GB/T12497-90對三相異步電機三個運行區(qū)域規(guī)定如下:
　　
　　當(dāng)負(fù)載率β在70%～*之間時,為經(jīng)濟運行區(qū);
　　
　　當(dāng)40%≤β≤70%時,為一般運行區(qū);
　　
　　當(dāng)β<40%時,為非經(jīng)濟運行區(qū)1
　　
　　（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)1若變壓器滿載運行,一次側(cè)功率因數(shù)僅比二次側(cè)降低約3～5%;若變壓器輕載運行,當(dāng)負(fù)荷小于0.6時,一次側(cè)功率因數(shù)就顯著下降,下降達11～18%,所以電力變壓器的負(fù)荷率在0.6以上運行時才較經(jīng)濟,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行。當(dāng)電力變壓器負(fù)荷率小于30%時,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,改善電機設(shè)備的運行狀態(tài),限制電焊機和機床電動機的空載運行1例如可采用空載自動延時斷電裝置流程等。
　　
　?。?）異步電動機同步化運行。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,必要時可使其同步化,即當(dāng)繞線式異步電動機在起動完畢以后,向轉(zhuǎn)子三相繞組中送入直流勵磁,即產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩把異步電動機牽入同步運行,其運轉(zhuǎn)狀態(tài)與同步電動機相似1在過勵磁的情況下,電動機可向電網(wǎng)送出無功功率,從而達到改善功率因數(shù)的目的。
　　
　　5.2提高功率因數(shù)的補償方法
　　
　　采用供應(yīng)無功功率的設(shè)備來補償用電設(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)的補償方法。采用補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)還達不到《電力設(shè)計技術(shù)規(guī)范》所要求的數(shù)值時,則需采用專門的補償設(shè)備來提高功率因數(shù)。應(yīng)用人工補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）、采用同步電動機和采用同步調(diào)相機三種方法。
　　
　　同步電動機在過勵磁方式運行（0.8～0.9超前）時,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來提高企業(yè)的功率因數(shù),應(yīng)進行技術(shù)經(jīng)濟比較。通常對低速、恒速且長期連續(xù)工作的容量較大的電動機,宜采用同步電動機組,如軋鋼的電動機組、球磨機、空壓機、鼓風(fēng)機、水泵等設(shè)備1這些設(shè)備采用同步電動機為原動機時,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的要求,而且停歇時間較少,因此對改善功率因數(shù)能起很大作用1但是同步電動機結(jié)構(gòu)復(fù)雜,并且附有一套啟動控制設(shè)備,維護工作量大,價格較異步電動機貴,而且目前高壓移相電容器價格普遍降低,這就相應(yīng)地提高了“異步電動機加移相電容器的補償方案”的*性1移相電容器由于具有功率損耗小、運行維修很方便、短路電流小等優(yōu)點而在工業(yè)企業(yè)中被廣泛用作人工補償裝置。
　　
　　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)濟效益起到促進作用,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)濟效益。