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 （的余弦叫做功率因數(shù)，用符號 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。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

2、質(zhì)量， 是企業(yè)節(jié)能提效的重要手段。 絕大多數(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 能源消耗中無功能源消耗占了很大成份。 盡可能的減少無功能量的消耗， 是企業(yè) 節(jié)能的頭等大事。對于企業(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 丫系列的電動(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)無功補(bǔ)償設(shè)備， 提高功率因 數(shù)，對于企業(yè)的降損節(jié)

3、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)機(jī)和電力變壓器。 異步電動(dòng)機(jī)所耗用的無功功率是由其空載時(shí)的無功 功率和一定負(fù)載下無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。 變壓器消耗無功的主要成份是它 的空載無功功率 ,它和負(fù)載率的大小無關(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%時(shí), 由于磁路飽和的影響 ,無功功率將 增長得很快 , 據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì) , 當(dāng)供電電壓為額定值的 110%時(shí),一般工廠的無功 將增加

4、35%左右，當(dāng)供電電壓低于額定值時(shí) , 無功功率也相應(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. 提高功率因數(shù)的意義 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=UI cost,當(dāng)U和I為定值時(shí),P3COS）,這就是說在電源 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 UN和額定電流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， 假如負(fù)載COt =1,P=UN IN COSt =UN IN=SN此時(shí)電源的容量全部轉(zhuǎn)換成有功功 率,因而電

5、源設(shè)備得到充分利用。如果 COSt 1 則電源能提供的功率為 P=UN INCOS SN且COS愈小,在同樣UN IN下，提供的有功功率愈小，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 S ,當(dāng)U和P 一定時(shí)，電流I與 COS成反比,即I s 1/COSS這就是說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=ui cos ,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

6、因數(shù)越低，說明線路上的無功功率越大 因而通過線路的電流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+月無功電度。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，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)整表減收電費(fèi)增收電費(fèi)實(shí)際功率因數(shù)月電費(fèi)

7、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0.850.00.840.50.707.50.860.10.831.00.698.00.870.20.821.50.688.50.880.30.812.00.679.00.890.40.802.50.669.50.900.50.793.00.6510.00.910.650.783.50.6411.00.920.800.774.00.6312.00.930.950.764.50.6213.00.941.001.100.755.00.6114.00.745.50.6015.00.736.0功率因數(shù)自0.59及以下，每降低0.01電費(fèi)增加0.726.5

8、0.717.02%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，采取措施來減少供電系統(tǒng)中 無功功率的需要量。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

9、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)對異步電動(dòng)機(jī)無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，使其處于過激狀態(tài),就可以使同步電機(jī)向電網(wǎng)“送出”無功功率，減少電網(wǎng)輸送給企業(yè)的無功功 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，使其呈過激狀態(tài)，即能向電網(wǎng)輸出無功，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 負(fù)載率比較低的配變，一般采取“撤、換、并、?！钡确椒?，使其負(fù)載率

10、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)，并依據(jù)電機(jī)機(jī)械工作對啟動(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。電動(dòng)機(jī)的效率與功率因數(shù)cos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)載率有密切關(guān)系。GB/ T 12497- 90 對三 相異步電機(jī)三個(gè)運(yùn)行區(qū)域規(guī)定如下：當(dāng)負(fù)載率在70% - 100%之間時(shí),為經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)；當(dāng)40%_ 一： -70%時(shí)，為一般運(yùn)行區(qū)；當(dāng)1 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)載的無功消耗，使其盡可能在

11、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 - 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

12、壓器，這樣可以減少無功功率的需求量，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，從而增加向電網(wǎng)吸收的無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)。通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流處于過勵(lì)狀態(tài)，使其功率因數(shù)cos的相位角變?yōu)槌埃闯蔀楦行载?fù)載）, 這樣同步電動(dòng)機(jī)不僅不會(huì)吸收無功功率，而且還可向電網(wǎng)輸出無功功率，以補(bǔ)償 其他感性負(fù)載的無功功率要求，達(dá)到提高功率因數(shù)的目的。通常對低速、

13、恒速且 長期連續(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)間較少，因此對改善功率因數(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)一些能夠提供無功功率 的設(shè)備,使無功功率就地得到補(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)償無功，即在感性負(fù)載上并聯(lián)電容器。其電路圖和相量圖如下圖 所示。C(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）相量圖和功率因數(shù)

14、并聯(lián)電容器以后，電感性負(fù)載的電流cos R r2 X 2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之間的相位差變小了，即cos :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)，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)載所需的無功功率，大部分或全部都是就地供給（有電容器供給） ， 就是說能量的互換現(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。對于采用

15、并聯(lián)電容器進(jìn)行無功補(bǔ)償，按其在供電系統(tǒng)中安裝的位置來分，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)無功 補(bǔ)償器。（3） 就地補(bǔ)償：即把無功補(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 部分無功功率由無功就地補(bǔ)償器供給，無功功率僅在異步電動(dòng)機(jī)和并聯(lián)電容器之 間流動(dòng)。從而消除了無功電流在高、低壓線路上的流動(dòng)，減少線路負(fù)荷和損耗。綜本