用电功率因数是指用电负荷的有功功率与视在功率的比值。电力用户用电设备，如变压器、感应电动机、电力线路等，除从电力系统吸取有功功率外，还要吸取无功功率。无功功率仅完成电磁能量的相互转换，并不作功。无功和有功同样重要，没有无功，变压器不能变压，电动机不能转动，电力系统不能正常运行。无功功率的消耗导致用电功率因数降低，因而占用了电力系统发供电设备提供有功功率的能力，或增加了发送无功功率的设施，同时也增加了电力系统输电过程中的有功功率损耗。因而世界各国电力企业对电力用户的用电功率因数都有要求，并按用户用电功率因数的高低在经济上给予奖惩。
1、电力网络的功率因数
电力网络除了要负担用电负荷的有功功率P,还要负担负荷的无功功率Q1有功功率P、无功功率Q和视在功率S之间存在下述关系:
S=P2 Q2而P与S之比即:PS=cosφ
被定义为电力网络的功率因数,其物理意义是线路的视在功率S供给有功功率的消耗所占百分数1在电力网的运行中,我们所希望的是功率因数越大越好,如能做到这一点,则电路中的视在功率将大部分用来供给有功功率,以减少无功功率的消耗
2、低功率因数的不利表现
2.1、电流大对于一个给定的负荷,当供电电压一定时,则功率因数越低,电流就越大,因为;Ic=P3Ucosφ
(1)式中:P为用电负荷的有功负荷;U为线电压1
可见,供电电流Ic与功率因数成反比。我们知道,发电机与变压器的额定容量都是正比于其输出电流,从而也就反比于功率因数,所以,在供出同样功率的条件下,电压一定时,功率因数越低,则要求发电机与变压器的容量也就越大,因此,发电机与变压器的投资也就越高。
2.2、铜损大在一定的负荷下,输电线路功率因数低时,其铜损大1线路损失公式如下:&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
由此可见,设备的铜损正比于电流的平方,从而反比于功率因数的平方1功率因数越低,则电气设备中的铜损就越大,效率也就越低1与此相似,当系统的功率因数很低时,对于传递同样的功率,则电流加大。所以若导线尺寸相同,则电能传输系统意味着有更大的能量损失,或者说,对于同样的能量损失,要求有更粗的导体。
2.3、投资高从公式(1)可知,对于一给定的负荷,在低功率因数下,母线的截面、保护开关的导电面积,都必须加大才能通过更大的电流,故此,投资亦需增加。
3 低功率因数产生的主要原因
3.1 励磁电流的影响
变压器都带有励磁电流,它对于感应电势来说,总是滞后的1在正常情况下,励磁电流不致影响功率因数,但当轻负荷运行时(如一个居民区的配电变压器在夜间主要供应照明负荷,因此,半夜以后照明负荷急剧减少,配电变压器就进入轻负荷),原端功率因数就降低。
3.2 感应电动机的使用
大量使用感应电动机也会造成系统功率因数降低,因为不可能所有的电动机都在满负荷运行。当电动机满负荷运行时,功率因数可达到85%;当电动机在75%额定负荷运行时,功率因数为0.8;而当电动机在50%额定负荷运行时,功率因数为0.7;若电动机空载运行,则功率因数为0.2～0.3。可见,大量使用电动机而这些电动机又不能全部都满负荷运行时,系统的功率因数必然降低。
3.3 气体放电灯的使用气体放电灯在居民与工业、商业照明中正越来越广泛地应用,而气体放电灯也是以低功率因数运行的。
3.4 修理过的电动机的使用由于在用户中不可避免地大量使用着修理过的电动机,这些修理过的电动机,通常其定子绕组匝数少于原来的匝数,因此,这些电动机中漏磁通增加,造成电动机功率因数降低。
4 提高功率因数的意义
4. 1 能够降低生产成本、减少投资、改善设备的利用率
功率因数可以表示成下述形式
cosφ =P/S=P/3UI
可见,在一定的电压和电流下,提高co sφ ,其输出的有功功率越大1 因此, 改善功率因数是充分发挥设备潜力、提高设备利用率的有效方法。
4. 2 可以减少线路压降、改善电压质量
电力网的电压损失可借下式求出线路电压降为:
&U =PR QX/U
这里, P 是线路有功负荷;Q 是线路无功负荷; R 与X 分别是线路电阻与电抗;U 是线路供电电压1 如果采用容抗为Xc 的电容来补偿,则电压损失为:
&U =PR Q( X - Xc)/U
故采用补偿电容提高功率因数后,电压损失ΔU 减小,改善了电压质量1 再由(5) 或(6) 可知,无功负荷越小,则线路电压降就越小/
4. 3 能够提高电力网的传输能力、提高能源的利用率、降低电力成本、增加经济效益
由于视在功率与有功功率成以下关系
P = S cosφ
Q = S2 - P2 = S ×sinφ = S × 1 - cos2φ
所以,当在传送一定有功功率P 的条件下,cosφ越高,所需视在功率越小。而当有功负荷一定时,若功率因数值越大, 则由(8) 可知, 无功负荷就越小, 充分发挥了发、供电设备的
生产能力,提高了经济效益。
5 提高功率因数的方法
提高功率因数的途径主要在于如何减少电力系统中各个部分所需的无功功率,特别是减少负荷取用的
无功功率,使电力系统在输送一定的有功功率时,可降低其中通过的无功电流1
提高功率因数的方法很多,但总的来说可以归结为两大类:
5. 1 提高自然功率因数的方法
采用降低各用电设备所需的无功功率以改善其功率因数的措施,称为提高自然功率因数的方法1 主要有:
(1) 正确选用异步电动机的型号与容量。据有关资料介绍,我国中小型异步电动机的用电负荷约占电网总负荷的80 %以上,几个主要电网中,电动机所耗能占整个工业用电量的60 %～ 68 %左右1 因此做好电动机的降损节能具有十分重要的经济意义1 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1 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cosφ是反映电动机经济运行水平的主要指标,都与负载率β有密切关系1 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1
(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1 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1 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1
(3) 合理安排和调整工艺流程。合理安排和调整工艺流程, 改善电机设备的运行状态, 限制电焊机和机床电动机的空载运行1 例如可采用空载自动延时断电装置流程等1
(4) 异步电动机同步化运行。对于负荷率不大于0. 7 及最大负荷不大于90 % 额定功率的绕线式异步电动机,必要时可使其同步化,即当绕线式异步电动机在起动完毕以后,向转子三相绕组中送入直流励磁,即产生转矩把异步电动机牵入同步运行,其运转状态与同步电动机相似1 在过励磁的情况下,电动机可向电网送出无功功率,从而达到改善功率因数的目的。
5. 2 提高功率因数的补偿方法
采用供应无功功率的设备来补偿用电设备所需的无功功率,以提高其功率因数的措施,称为提高功率因数的补偿方法。采用补偿法来提高功率因数,必须增加新设备、增加有色与黑色金属的需用量。 此外,补偿设备本身也有功率损失,所以从整体来看,应首先采用提高用电设备自然功率因数的方法。 但当功率因数还达不到《电力设计技术规范》所要求的数值时,则需采用专门的补偿设备来提高功率因数。应用人工补偿无功功率的方法通常有应用移相电容器(即静电电容器) 、采用同步电动机和采用同步调相机三种方法。
同步电动机在过励磁方式运行(0. 8 ～ 0. 9 超前) 时,就向电力系统输送无功功率,提高了工业企业的功率因数1 一般在满足工艺条件下,采用或不采用同步电动机来提高企业的功率因数,应进行技术经济比较。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1 这些设备采用同步电动机为原动机时,其容量一般在250 KW 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1 但是同步电动机结构复杂,并且附有一套启动控制设备,维护工作量大,价格较异步电动机贵,而且目前高压移相电容器价格普遍降低,这就相应地提高了“异步电动机加移相电容器的补偿方案”的优越性1 移相电容器由于具有功率损耗小、运行维修很方便、短路电流小等优点而在工业企业中被广泛用作人工补偿装置。
综上所述,提高功率因数必然对国家的能源利用、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1 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。
