提高功率因数的意义及方法

提高功率因数的意义和方法

1.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1，一般具有电感负载的电路功率因数都小于1。功率因数是电力系统的一个重要的技术数据,功率因数是衡量电气设备效率高低的一个系数, 功率因数低，说明电路用于交变磁场转换的无功功率大，从而降低了设备的利用率，增加了线路供电损失。

电能占企业成本的5％～30％，有些企业占得更高。因此如何提高电能的利用率和使用效率，保证电能质量，是企业节能提效的重要手段。绝大多数企业是用电动机作为机械的原动机，而电动机是感性负载，功率因数并不高，因此企业的能源消耗中无功能源消耗占了很大成份。尽可能的减少无功能量的消耗，是企业节能的头等大事。对于企业而言，供电损耗主要是电动机损耗、低压线路损耗、高压线路损耗和变压器损耗。安装无功补偿装置后功率因数提高，线路电流会下降，这样线路损耗降低，变压器的有功损失也会降低。电动机损耗（即效率）是电动机本身固有的，目前Y系列的电动机的效率一般都在85％～95％。但电动机的功率因数将影响整个电网的效率。用电系统装设无功补偿设备，提高功率因数，对于企业的降损节电、用电系统的安全可靠运行具有极为重要的意义

2.影响功率因数的主要因素

异步电动机和电力变压器。异步电动机所耗用的无功功率是由其空载时的无功

功率和一定负载下无功功率增加值两部分所组成,改善异步电动机的功率因数就

要防止电动机的空载运行并尽可能提高负载率。变压器消耗无功的主要成份是它

的空载无功功率,它和负载率的大小无关。因而,为了改善电力系统和企业的功率

因数,变压器不应空载运行或长其处于低负载运行状态。

供电电压。当供电电压高于额定值的10%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110%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。

3.提高功率因数的意义

⑴提高功率因数可以提高设备的利用率

由于有功功率：P=UI COSφ,当U和I为定值时,P∞COSφ,这就是说在电源

提供同样的视在功率UI情况下,有功功率P与功率因数COSφ的大小成正比。

我们知道,电源设备的容量都是根据额定电压UN和额定电流IN确定的,因此

其额定视在功率为SN=UN IN。它表示该设备允许输出的最大有功功率,换句话说,

假如负载COSφ=1,P=UN IN COSφ=UN IN=SN,此时电源的容量全部转换成有功功

率,因而电源设备得到充分利用。如果COSφ< 1则电源能提供的功率为P=UN IN

COSφ

⑵提高功率因数可以减少线路损耗

由有功功率计算式可推导出电流I = P/ UCOSφ,当U和P一定时,电流I与COSφ成反比,即I∞1/COSφ这就是说在电源输出同样的有功功率情况下,功率因数愈低,电流通过输电导线,在电线路上的功率损耗愈大,这就意味着输电线路上传电能的效率低。

⑶提高功率因数能改善供电质量

线路上输送的有功功率为P=UI COSφ,若要求有功功率P一定和电压U不变时,则电流和功率因数COSφ成反比。功率因数越低,说明线路上的无功功率越大,因而通过线路的电流I也越大,由于线路具有一定的阻抗,必然造成电压损失,使线路电压降低。

⑷提高功率因数可以减少企业电费支出

为了促进用户提高功率因数,电力部门对工业用户规定了按照月平均功率因数调整电费的办法。月平均功率因数的计算方法为：月平均功率因数=月有功电度/户月有功电度+月无功电度。目前电价制度规定：功率因数低于0.85时,企业的全部电费相应增加,以示惩罚,，功率因数高于0.85者时企业的全部电费相应减少,以资奖励。由下表可见,提高功率因数减少了企业电费支出,即降低了产品制造成本。

4.提高负载功率因数的方法

4.1提高自然功率因数的方法

提高自然功率因数，就是不添置任何补偿装置，采取措施来减少供电系统中无功功率的需要量。它不需增加投资，是最经济的提高功率因数的方法。在不进行任何人工补偿之前，首先从提高自然功率因数着手，能收到既节电又减少开支的效果。其主要有：

（1）正确选用异步电动机的型号与容量

合理使用电动机；选择电动机既要注意机械性能,又要考虑电器指标。若电动机长期处于低负载下运行,既增大功率损耗,又使功率因数和效率都显著恶化。故从节约电能和提高功率因数的观点出发,必须正确的合理的选择电动机的容量。提高异步电动机的检修质量。异步电动机定子绕组匝数变动和电动机定、转子间的气隙变动时对异步电动机无功功率的大小有很大的影响。采用同步电动机或异步电动机同步运行提高功率因数。只要调节电机的励磁电流,使其处于过激状态,就可以使同步电机向电网“送出”无功功率,减少电网输送给企业的无功功率,从而提高企业的功率因数。异步电动机同步运行就是将异步电动机三相转子绕组适当连接并通入直流励磁电流,使其呈同步电动机运行,这就是“异步电动机同步化”。调节电机的直流励磁电流,使其呈过激状态,即能向电网输出无功,从而达到提高低压网功率因数的目的。合理选择配变容量,改善配变的运行方式。对负载率比较低的配变,一般采取“撤、换、并、停”等方法,使其负载率提高到最佳值,从而改善电网的自然功率因数。正确选用异步电动机, 使其额定容量与所带负载相配合, 对于改善功率因数是十分重要的。在选型方面, 要注意选用节能型, 淘汰高能耗的电动机,并依据电机机械工作对启动力矩、启动次数、调速等方面的具体要求, 选用不同的型号。电动机的效率η与功率因数cos?是反映电动机经济运行水平的主要标,都与负载率β有密切关系。GB/ T 12497- 90 对三相异步电机三个运行区域规定如下:

当负载率β在70% - 100% 之间时, 为经济运行区；

当40%≤β≤70% 时, 为一般运行区；

当β< 40% 时, 为非经济运行区。

因此要防止“大马拉小车”,减少负载的无功消耗,使其尽可能在满载下运行,达到提高自然功率因数的目的。

（2）根据负荷选用相匹配的变压器。

电力变压器一次侧功率因数不但与负荷的功率因数有关, 而且与负荷率有关,若变压器满载运行, 一次侧功率因数仅比二次侧降低约3 - 5%；若变压器轻

载运行, 当负荷小于0.6时, 一次侧功率因数就显著下降, 下降达11 - 18%, 所以电力变压器的负荷率在0.6以上运行时才较经济, 一般应在60% - 70% 比较合适。为了充分利用设备和提高功率因数, 电力变压器一般不宜作轻载运行。当电力变压器负荷率小于30%时, 应当更换成容量较小的变压器。根据变压器的最佳负载系数合理选用变压器，将变压器进行更换及调整，在负载小的时候切除部分变压器，这样可以减少无功功率的需求量，使自然功率因数得到提高。

（3）保证电动机的检修质量。异步电动机定子与转子间的气隙是决定异步电动机需要较多无功功率的主要因素。当定转子间气隙增大或定子线圈减少时都会使励磁电流增大,从而增加向电网吸收的无功功率而使功率因数降低,因此要提高检修质量,保证电动机的结构参数和性能参数。

（4）对于容量较大且又不需要调速的电动机,应尽量选用同步电动机。通过调节励磁电流处于过励状态,使其功率因数cos 的相位角变为超前(即成为感性负载),这样同步电动机不仅不会吸收无功功率,而且还可向电网输出无功功率,以补偿其他感性负载的无功功率要求,达到提高功率因数的目的。通常对低速、恒速且长期连续工作的容量较大的电动机，宜采用同步电动机组,如轧钢的电动机组、球磨机、空压机、鼓风机、水泵等设备。这些设备采用同步电动机为原动机时，其容量一般在250KW 以上环境与启动条件均能满足同步电动机的要求，而且停歇时间较少，因此对改善功率因数能起很大作用。

4.2功率因数的人工补偿

人工补偿又称无功补偿,主要方法是在负载附近装设一些能够提供无功功率的设备,使无功功率就地得到补偿,从而有效地提高功率因数。最常用的方法是采用电力电容器补偿无功,即在感性负载上并联电容器。其电路图和相量图如下图所示。

（a ） （b ）

图1电容器与电感性负载并联以提高功率因数

（a ）电路图 （b ）相量图 并联电容器以后，电感性负载的电流

1I = 和功率因

数

C

.I 1

cos?=这是因为所加电压和负载参数没有改变。但电压1

u和线路电流i之间的相位差?变小了，即cos?变大了。这里我们所讲的提高功率因数，是指提高电源或电网的功率因数，而不是指提高某个电感性负载的功率因数。

在电感性负载上并联了电容器以后，减少了电源与负载之间的能量互换。这时电感性负载所需的无功功率，大部分或全部都是就地供给（有电容器供给），就是说能量的互换现在主要或完全发生在电感性负载与电容器之间，因而使发动机容量得到充分利用。

其次，由相量图可见，并联电容器以后线路电流也减少了（电流相量相加），因而减小了功率损耗。

对于采用并联电容器进行无功补偿，按其在供电系统中安装的位置来分，可分为集中补偿、分组补偿和就地补偿三种。

（1）集中补偿：即在高、低压配电所内设置若干组电容器组，电容器接在配电母线上，补偿该配电所供电范围内的无功功率，并使总功率因数达到所规定的值以上。如果电容器组容量较大，可采用电容器柜，如果企业配电容量大，需大量采用电容器进行无功补偿，则另外建造电容器室。

（2）分组补偿：有的企业小功率异步电动机较少，不可能都装无功就地补偿器。这时，用分组补偿比较合适，即在车间或对多台小功率异步电动机装设无功补偿器。

（3）就地补偿：即把无功补偿器直接接在异步电动机旁或进线端子上。这种补偿方法相当于把无功电源直接搬移到异步电动机旁，使异步电动机所需要的大部分无功功率由无功就地补偿器供给，无功功率仅在异步电动机和并联电容器之间流动。从而消除了无功电流在高、低压线路上的流动，减少线路负荷和损耗。

综本论文所述, 提高功率因数必然对国家能源的利用、企业的经济效益起到促进作用, 是保证电力系统电能质量、电压质量、降低网络损耗以及安全运行所不可缺少的条件，它不仅能够减少电费开支，提高企业自身的经济效益，而且能够为国家节约资源，减少有害气体排放。提高功率因数是节约能源、利国利民的重要举措。因此，应该重视功率因数的控制，这对缓解我国的电力供应紧张状态，提高企业的经济效益以及节能环保，都具有重要意义。应根据不同情况采取相应

措施来提高功率因数, 降低无功损耗, 从而提高经济效益。

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