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如何提高功率因數(shù)的方法
隨著經(jīng)濟(jì)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1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(jì)效益的一個(gè)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1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(yùn)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(diǎn)，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(gè)給定的負(fù)荷，當(dāng)供電電壓一定時(shí)，則功率因數(shù)越低，電流就越大，因?yàn)?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(jī)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(shí)，功率因數(shù)越低，則要求發(fā)電機(jī)與變壓器的容量也就越大，因此，發(fā)電機(jī)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(shí)，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(shí)，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(hù)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(lì)磁電流的影響
變壓器都帶有勵(lì)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(lì)磁電流不致影響功率因數(shù)，但當(dāng)輕負(fù)荷運(yùn)行時(shí)(如一個(gè)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(jìn)入輕負(fù)荷)，原端功率因數(shù)就降低。
3.2 感應(yīng)電動機(jī)的使用
大量使用感應(yīng)電動機(jī)也會造成系統(tǒng)功率因數(shù)降低，因?yàn)椴豢赡芩械碾妱訖C(jī)都在滿負(fù)荷運(yùn)行。當(dāng)電動機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，功率因數(shù)可達(dá)到85%;當(dāng)電動機(jī)在75%額定負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，功率因數(shù)為0.8;而當(dāng)電動機(jī)在50%額定負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，功率因數(shù)為0.7;若電動機(jī)空載運(yùn)行，則功率因數(shù)為0.2～0.3�？梢�，大量使用電動機(jī)而這些電動機(jī)又不能全部都滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，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(yùn)行的。
3.4 修理過的電動機(jī)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(jī)，這些修理過的電動機(jī)，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(jī)中漏磁通增加，造成電動機(jī)功率因數(shù)降低。
4、提高功率因數(shù)的意義
4. 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co sφ ，其輸出的有功功率越大因此， 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 是線路供電電壓如果采用容抗為Xc 的電容來補(bǔ)償，則電壓損失為:
&U =PR + Q( X - Xc)/U
故采用補(bǔ)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(jì)效益
由于視在功率與有功功率成以下關(guān)系
P = S cosφ
Q = S2 - P2 = S ×sinφ = S × - 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(shí)，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(jì)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(gè)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(shí)，可降低其中通過的無功電流提高功率因數(shù)的方法很多，但總的來說可以歸結(jié)為兩大類:
5. 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)的方法主要有:
(1) 正確選用異步電動機(jī)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(jī)的用電負(fù)荷約占電網(wǎng)總負(fù)荷的80 %以上，幾個(gè)主要電網(wǎng)中，電動機(jī)所耗能占整個(gè)工業(yè)用電量的60 %～ 68 %左右因此做好電動機(jī)的降損節(jié)能具有十分重要的經(jīng)濟(jì)意義正確選用異步電動機(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，淘汰高能耗的電動機(jī)，并依據(jù)電機(jī)機(jī)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(jī)的效率η與功率因數(shù)cosφ是反映電動機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平的主要指標(biāo)，都與負(fù)載率β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β在70 %～ 100 %之間時(shí)，為經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū);
當(dāng)40 % ≤β ≤70 %時(shí)，為一般運(yùn)行區(qū);
當(dāng)β < 40 % 時(shí)，為非經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)
(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)1～ 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 %時(shí)，應(yīng)當(dāng)更換成容量較小的變壓器
(3) 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(jī)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)， 限制電焊機(jī)和機(jī)床電動機(jī)的空載運(yùn)行例如可采用空載自動延時(shí)斷電裝置流程等
(4) 異步電動機(jī)同步化運(yùn)行。對于負(fù)荷率不大于0. 7 及最大負(fù)荷不大于90 % 額定功率的繞線式異步電動機(jī)，必要時(shí)可使其同步化，即當(dāng)繞線式異步電動機(jī)在起動完畢以后，向轉(zhuǎn)子三相繞組中送入直流勵(lì)磁，即產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩把異步電動機(jī)牽入同步運(yùn)行，其運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)與同步電動機(jī)相似在過勵(lì)磁的情況下，電動機(jī)可向電網(wǎng)送出無功功率，從而達(dá)到改善功率因數(shù)的目的。
5. 2 提高功率因數(shù)的補(bǔ)償方法
采用供應(yīng)無功功率的設(shè)備來補(bǔ)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(bǔ)償方法。采用補(bǔ)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(bǔ)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(dá)不到《電力設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》所要求的數(shù)值時(shí)，則需采用專門的補(bǔ)償設(shè)備來提高功率因數(shù)。應(yīng)用人工補(bǔ)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(jī)和采用同步調(diào)相機(jī)三種方法。
同步電動機(jī)在過勵(lì)磁方式運(yùn)行(0. 8 ～ 0. 9 超前) 時(shí)，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)一般在滿足工藝條件下，采用或不采用同步電動機(jī)來提高企業(yè)的功率因數(shù)，應(yīng)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(jī)，宜采用同步電動機(jī)組，如軋鋼的電動機(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)備采用同步電動機(jī)為原動機(jī)時(shí)，其容量一般在250 KW 以上，環(huán)境與啟動條件均能滿足同步電動機(jī)的要求，而且停歇時(shí)間較少，因此對改善功率因數(shù)能起很大作用但是同步電動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且附有一套啟動控制設(shè)備，維護(hù)工作量大，價(jià)格較異步電動機(jī)貴，而且目前高壓移相電容器價(jià)格普遍降低，這就相應(yīng)地提高了“異步電動機(jī)加移相電容器的補(bǔ)償方案”的優(yōu)越性移相電容器由于具有功率損耗小、運(yùn)行維修很方便、短路電流小等優(yōu)點(diǎn)而在工業(yè)企業(yè)中被廣泛用作人工補(bǔ)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(jì)效益起到促進(jìn)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(yùn)行所不可缺少的條件應(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(jì)效益。
如何提高功率因數(shù)的方法
1. 使用高效電機(jī)：選擇高效率的電機(jī)可以在消耗相同電能的情況下提供更多的有用功率，從而提高功率因數(shù)。
2. 選擇合適的電壓：確保電機(jī)工作在設(shè)計(jì)的電壓下，避免過高或過低的電壓影響功率因數(shù)。
3. 提高自然功率因數(shù)：優(yōu)化用電設(shè)備的設(shè)計(jì)和使用，減少不必要的無功功率消耗，例如合理配置變壓器和電動機(jī)等設(shè)備的容量，避免輕載或過載運(yùn)行。
4. 人工補(bǔ)償功率因數(shù)：在電路中并聯(lián)電容器或電抗器，以提供或吸收無功功率，從而改善整個(gè)系統(tǒng)的功率因數(shù)。
5. 并聯(lián)電容器：在需要無功功率的設(shè)備上并聯(lián)無功補(bǔ)償電容器，這樣設(shè)備所需的無功功率可由電容器提供，減少了從電網(wǎng)中吸取的無功功率，提高了功率因數(shù)。
6. 提高設(shè)備的負(fù)載率：確保設(shè)備運(yùn)行在接近滿負(fù)荷的狀態(tài)，避免長時(shí)間輕載運(yùn)行，這樣可以提高設(shè)備的功率因數(shù)。
7. 維護(hù)和保養(yǎng)：定期對電機(jī)和其他用電設(shè)備進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，確保它們處于最佳工作狀態(tài)，避免因設(shè)備老化或損壞導(dǎo)致的功率因數(shù)下降。
8. 系統(tǒng)優(yōu)化：對于復(fù)雜的電力系統(tǒng)，可以通過系統(tǒng)優(yōu)化軟件進(jìn)行分析，找出功率因數(shù)低的原因，并制定相應(yīng)的改進(jìn)措施。
9. 使用同步電機(jī)：在適當(dāng)?shù)膱龊鲜褂猛诫姍C(jī)，因?yàn)樗鼈兛梢蕴峁┗蛭諢o功功率，有助于調(diào)節(jié)系統(tǒng)的功率因數(shù)。
10. 諧波管理：減少系統(tǒng)中的諧波含量，因?yàn)橹C波會導(dǎo)致功率因數(shù)降低，使用濾波器或其他諧波抑制裝置可以改善這一情況。
11. 智能控制系統(tǒng)：利用智能控制系統(tǒng)動態(tài)調(diào)整無功補(bǔ)償裝置的工作狀態(tài)，以適應(yīng)負(fù)載變化，保持較高的功率因數(shù)。
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