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1 浅析提高功率因数的意义与方法 F 张思敏指导老师张峰 摘要 : 本文简述了提高电路功率因数的意义, 分析了造成电路功率因数低的原因 介绍了提高功率因数的基本方法 关键词 : 功率因数 ; 有功功率 ; 感性负载 ; 电容器 Abstract:This paper described the importance of improving power factor in the circuit and analyzed the reason of low powerfactor in the circuit. The basic ways of improving powerfactor was introduced as well. Keywords:Powerfactor; active power; inductive load; capacitor 引言 : 功率因数的高低涉及发电设备和用电设备等能否充分利用电能, 提高功率因数可以充分利用电源设备的容量, 改善供电质量, 降低线路损耗, 是缓和电能供需矛盾, 减少企业经济支出的有效措施 且在能源匮乏的今天, 节约能源 提高能源利用率是非常重要且实际的问题 因此, 提高供电系统的功率因数有其重要意义, 以下, 本文将从功率因数的定义 影响功率因数的主要因素 提高功率因数的意义与提高功率因数的方法四个方面展开讨论 功率因数的定义在交流电路中, 有三种重要的功率参数, 分别是有功功率 无功功率和视在功率 功率因数是数电过程中视在功率供给有功功率消耗所占百分比. 有功功率电路中电能通过用电负载转换为其他形式的能量 ( 如机械能 光能 热能 化学能等 ), 参加能量转换的实际电功率被称为有功功率, 也叫平均功率, 是电路中实际消耗的功率 单相电路中, 有功功率 P=UIcosϕ 三相电路中, 有功功率 P= 3 UIcosϕ 其中,U 为相电压,I 为相电流,ϕ 为线电压与线电流的相角.2 无功功率电路中的无功功率, 分别是由交流电路中的电感成分和电容产生的, 称为感性无功功率与容性无功功率 单相电路中, 无功功率 Q=UI 或 QC=UCI 三相电路中, 无功功率 Q=UIsinϕ.3 视在功率视在功率是交流电路中电源供给负载的总功率 这种负载里可能有电阻和电感, 还可能有电容器, 在这种综合性负载电路中, 电阻需要消耗有功功率, 而电感和电容则需要做能量交替交换的无功功率, 电源供给这种综合性负载中的总功率包含着有功功率和无功功率两部

2 分 单相电路中, 视在功率 S=UI 三相电路中, 视在功率 S = P + Q.4 功率因数在交流电路中, 电压与电流之间的相位差 (ϕ ) 的余弦叫做功率因数, 用符号 cosϕ 表示, 在数值上, 功率因数是有功功率和视在功率的比值, 即 cosϕ = P S 功率因数的大小与电路的负荷性质有关, 如白炽灯泡 电阻炉等电阻负荷的功率因数为, 一般具有电感或电容性负载的电路功率因数都小于 2 影响功率因数的主要因素 2. 异步电动机及变压器的负载情况 异步电动机的功率因数与负载密不可分, 在额定负载是功率因数在 08 以上, 而在空载时功率因数仅为 0.2~0.3 电动机负载率与功率因数的关系见下表 表 负载率 cosφ 变压器消耗的无功功率约为其额定容量的 0%~5%, 空载时的无功功率约为满载时的 /3 因此, 要提高功率因数就要尽量避免电动机与变压器的空载或轻载运行 2.2 供电电压 当供电电压高于额定值的 0% 时, 由于磁路饱和的影响, 无功功率将增长得很快, 据有关资料统计, 当供电电压为额定值的 0% 时, 一般工厂的无功将增加 35% 左右 当供电电压低于额定值时, 无功功率也相应减少而使它们的功率因数有所提高 但供电电压降低会影响电气设备的正常工作 所以, 应当采取措施使电力系统的供电电压尽可能保持稳定 2.3 用电设备自身的功率因数 2.4 电网频率的波动 3. 提高功率因数的意义 3. 提高功率因数能提高设备的利用率在电力系统中, 提供电能的发电机是按要求的额定电压 UN 和额定电流 IN 设计的 发电机长期运行时, 其电压和电流都不能超过额定值, 否则会使发电机的寿命缩短, 甚至损坏 发电机的容量是额定电压与额定电流之积 UNIN, 他是发电机在安全运行下所能产生的最大功率 发电机在额定电压与额定电流下运行时送出的有功功率 P 与所接负载的功率因数 cosϕ 密切相关, 即 P=UIcosϕ 只有当所接负载是电阻时,cosϕ =, 发电机输出的有功功率恰好等于其容量 当负载是感性或容性时, 由于 cosϕ <, 发电机输出的功率要小于其容量, 发电机的不到充分的利用 因此为了尽可能的提高发电机的利用率, 必须提高功率因数 3.2 提高功率因数能降低输电线上的损耗 设输电线上的损耗 2 P l = I l, 当 U 是负载端电压的有效值时, 负载吸收的有功功

3 率为 P = U Icosϕ 负载上的电流为 I P = 则此电流流过输电线, 在输电线的电阻上产生的 U cosϕ 损耗为 P Pl = l U cos ϕ 当负载 cosϕ 较低时, 线路中的电流会增大, 从而引起线路损耗增大, 而当 U 和 I 不变时, 提高功率因数 cosϕ 会降低输电线上的损耗 3.3 提高功率因数能改善供电质量已知功率因数越低, 线路上的电流 I 越大, 由于线路上的阻抗存在, 则必然造成电压损失, 是线路电压降低 若电压损失过大, 电网末端就会长期处于低电压运行状态, 引起变压器过负荷 电动机过热 日光灯不能启辉 点灯昏暗等后果 因此提高功率因数能减小电压损失, 满足工农业生产和人民生活对供电电源的质量要求 3.4 提高功率因数能减少电力设备的投资为尽量减小输电线路上的功率损耗, 往往会增加导线截面积以减小阻抗 而在有功功率 P 和电源电压 U 一定的情况下, 功率因数的提高可是线路中通过的电流减小, 则导线截面机就可以相应设计的小一些, 这样就可以节约线路的投资 其次, 在有功功率 P 一定时, 提高功率因数可是视在功率 S 降低, 对于用电单位而言, 在满足用电需要的情况下, 减少了所需变压器的容量, 也就降低了投资和损耗 4 提高功率因数的方法供电系统功率因数低主要是由于负载叠用或使用不当 ( 如低负荷使用异步电动机 ), 以及大量用电设备属于感性负载 提高功率因数的方法主要有两种 : 一是改善自然功率因数, 减少用电设备对无用功的需要, 二是采用无功补偿, 在用电设备处设置能够提供无功电力的设备, 使无功功率就地得到补偿 4. 提高自然功率因数 ) 合理选择和使用电气设备, 保证电动机与变压器的负载量, 避免 大马拉小车 现象 2) 改变电动机接线降压运行 如没有合适容量的电动机, 或者更换后的小电动机难以安装, 则可改变电动机定子接线方式, 由三角形改为星形降压运行 这种方法只适用于额定接线方式为三角形连接的电动机使用, 由三角形改为星形, 定子每相绕组电压下降为原来的 / 3, 容量为原来的 40% 左右 若能将星形 - 三角形接线改为自动转换形式, 即轻载时接成星形, 重载时自动接为三角形, 就能使电动机既能满足负载浦要, 又能节电 3) 安装空载断电装置, 避免电动机或设备空载运行 但是对于那些静止力矩大 启动时间长的机械, 若停车时间不长, 就不宜安装空载限制器, 以免引起频繁停车, 损伤电气和机械设备 4) 变压器各项负荷设计均衡 负荷均衡可以减少变压器阻抗中的无功损耗, 提高负荷的自然功率因数

4 4.2 人工补偿 ) 并联电容器 在电容性负载两端并联电容器可减小线路总电压 U 与总电流 I 之间的相位差 ϕ I I 2 I U jx ( a) 图 并联电容提高功率因数 图 (b) 电流电压相量图 由图 (b) 可知, 在并联电容之前端口电流的有功分量为 I, 有功功率为 P=UI=UI cosϕ, 其中 ϕ 为并联电容之前的功率因数角 并联电容之后, 电流的有功分量不变, 而端口电流的无功分量却因并联电容而减小到 上式两边同乘以端口电压有效值, 得 I = I I = Isinϕ U Q Q C Q = UIQ = UIQ UIC = Q+ QC 式中,Q 表示并联电容之后端口的无功功率,Q 表示感性负载的无功功率,QC 表示电容的容性无功功率, 为负值 由于并联电容之后使无功功率 Q 减小, 从而达到了提高功率因数的目的 从相量图中也可以看出, 由于并联电容的增加, 电路中的总电流的绝对值也减小了 2) 串联电容 U jω j 由图 2(a) 可知 图 2 串联电容提高功率因数

5 U = + j ( ω ) I ω = + ( ω+ ) arctan = + ( ω ) ω ω 串联 C 之前的相位差 ϕ = arctan ω, 串联 C 之后的相位差 ϕ = arctan, 当 C 选择适当时, ϕ < ϕ, 所以 cosϕ > cosϕ, 即 : 串联 C 后功率因数提高了 3) 串联电阻 U jω 由图 3(a) 可得串联电阻 后, 图 3 串联电阻提高功率因数 U = + + j ω = ( + ) + ( ω ) I ω arctan ( ) ( ω) = 串联 后 U 与 I ω ω 之间的相位差 ϕ = arctan, ϕ < ϕ = arctan + ϕ ( ϕ 为串联 之前, 总电压与总电流之间的相位差 ) 所以 cosϕ > cos ϕ, 即 : 串联 后功率因数得到了提高 4) 同步调相机同步调相机是最早采用的一种无功补偿装置 它的无功出力连续可调, 可精确控制正常运行电压, 稳态时它的最大出力为其颇定值, 而吸收无功的能力约为额定容量的 50%

6 当系统故障电压下降时, 它能快速调节励磁, 维持或提高本身的无功出力, 给系统提供电压支持以改善系统的稳定性 在 HVDC 系统受端交流系统短路容量不足时, 安装调相机可以提高受端的短路比, 从而降低工频动态过电压, 并防止电压失稳. 调相机是一种动态无功补偿装置 5) 静止补偿器 (SVC) SVC 是一种新型动态无功补偿装置, 它由电容器和电抗器并联组成, 利用饱和电抗器铁心平坦的电压 / 电流特性, 或通过电子开关 ( 晶闸管 ) 投切电容器和调节通过其串联电抗器的电流, 就可以平滑地改变其列功输出, 维持系统电压 它有二个主要特点 : 其一是静止型装置, 没有惯性, 故安装维护简单, 也不会产生功率振荡 ; 其二是响应迅速, 因此能及时跟踪快速变化的无功波动并作出补偿 小结选择这个论文题目是因为在基电实验中做过相关实验, 对其产生了兴趣 在写作这篇论文的过程中, 查阅了很多资料, 充分了解到提高功率因数在实际应用中的重要意义 可以看到, 要充分提高功率因数, 需要多方的合作, 同时提高功率因数后的受益者也是众多的 从中我体会到要把所学知识充分应用到实践中, 看似很微小的东西也会有很大的影响 参考文献 陈洪亮张峰田社平 电路基础 高等教育出版社, 张峰吴月梅李丹 电路实验教程 高等教育出版社, 崔洁玲 浅析提高功率因数的意义和方法 科技创新导报 2009 No.07 4 黄伟国 提高功率因数的意义和方法 广东石油化工专科学校学报 995 No.02 5 康裕荣康向东 提高功率因数的三种方法的计算分析 江西理工大学学报 2009 No.02

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