用電功率因數是指用電負荷的有功功率與視在功率的比值。電力用戶用電設備，如變壓器、感應電動機、電力線路等，除從電力系統吸取有功功率外，還要吸取無功功率。無功功率僅完成電磁能量的相互轉換，并不作功。無功和有功同樣重要，沒有無功，變壓器不能變壓，電動機不能轉動，電力系統不能正常運行。無功功率的消耗導致用電功率因數降低，因而占用了電力系統發供電設備提供有功功率的能力，或增加了發送無功功率的設施，同時也增加了電力系統輸電過程中的有功功率損耗。因而世界各國電力企業對電力用戶的用電功率因數都有要求，并按用戶用電功率因數的高低在經濟上給予獎懲。
隨著經濟的日益發展,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電力系統是一龐大的系統,其電能損耗的數值相當可觀,能源的合理配置是極需解決的問題。功率因數是決定發供電系統經濟效益的一個極為重要的因素,它直接反映了系統中有功功率與無功功率的分配1對于發供電系統來說,對負荷不但要求有高的負荷率,而且也要求有高的功率因數.
1、電力網絡的功率因數
電力網絡除了要負擔用電負荷的有功功率P,還要負擔負荷的無功功率Q1有功功率P、無功功率Q和視在功率S之間存在下述關系:
S=P2+Q2而P與S之比即:PS=cosφ
被定義為電力網絡的功率因數,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數1在電力網的運行中,我們所希望的是功率因數越大越好,如能做到這一點,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、低功率因數的不利表現
2.1、電流大對于一個給定的負荷,當供電電壓一定時,則功率因數越低,電流就越大,因為;Ic=P3Ucosφ
(1)式中:P為用電負荷的有功負荷;U為線電壓1
可見,供電電流Ic與功率因數成反比。我們知道,發電機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,所以,在供出同樣功率的條件下,電壓一定時,功率因數越低,則要求發電機與變壓器的容量也就越大,因此,發電機與變壓器的投資也就越高。
2.2、銅損大在一定的負荷下,輸電線路功率因數低時,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,設備的銅損正比于電流的平方,從而反比于功率因數的平方1功率因數越低,則電氣設備中的銅損就越大,效率也就越低1與此相似,當系統的功率因數很低時,對于傳遞同樣的功率,則電流加大。所以若導線尺寸相同,則電能傳輸系統意味著有更大的能量損失,或者說,對于同樣的能量損失,要求有更粗的導體。
2.3、投資高從公式(1)可知,對于一給定的負荷,在低功率因數下,母線的截面、保護開關的導電面積,都必須加大才能通過更大的電流,故此,投資亦需增加。
3 低功率因數產生的主要原因
3.1 勵磁電流的影響
變壓器都帶有勵磁電流,它對于感應電勢來說,總是滯后的1在正常情況下,勵磁電流不致影響功率因數,但當輕負荷運行時(如一個居民區的配電變壓器在夜間主要供應照明負荷,因此,半夜以后照明負荷急劇減少,配電變壓器就進入輕負荷),原端功率因數就降低。
3.2 感應電動機的使用
大量使用感應電動機也會造成系統功率因數降低,因為不可能所有的電動機都在滿負荷運行。當電動機滿負荷運行時,功率因數可達到85%;當電動機在75%額定負荷運行時,功率因數為0.8;而當電動機在50%額定負荷運行時,功率因數為0.7;若電動機空載運行,則功率因數為0.2～0.3�？梢�,大量使用電動機而這些電動機又不能全部都滿負荷運行時,系統的功率因數必然降低。
3.3 氣體放電燈的使用氣體放電燈在居民與工業、商業照明中正越來越廣泛地應用,而氣體放電燈也是以低功率因數運行的。
3.4 修理過的電動機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,這些修理過的電動機,通常其定子繞組匝數少于原來的匝數,因此,這些電動機中漏磁通增加,造成電動機功率因數降低。
4 提高功率因數的意義
4. 1 能夠降低生產成本、減少投資、改善設備的利用率
功率因數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1 因此, 改善功率因數是充分發揮設備潛力、提高設備利用率的有效方法。
4. 2 可以減少線路壓降、改善電壓質量
電力網的電壓損失可借下式求出線路電壓降為:
&U =PR + QX/U
這里, P 是線路有功負荷;Q 是線路無功負荷; R 與X 分別是線路電阻與電抗;U 是線路供電電壓1 如果采用容抗為Xc 的電容來補償,則電壓損失為:
&U =PR + Q( X - Xc)/U
故采用補償電容提高功率因數后,電壓損失ΔU 減小,改善了電壓質量1 再由(5) 或(6) 可知,無功負荷越小,則線路電壓降就越小/
4. 3 能夠提高電力網的傳輸能力、提高能源的利用率、降低電力成本、增加經濟效益
由于視在功率與有功功率成以下關系
P = S cosφ
Q = S2 - P2 = S ×sinφ = S × 1 - cos2φ
所以,當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。而當有功負荷一定時,若功率因數值越大, 則由(8) 可知, 無功負荷就越小, 充分發揮了發、供電設備的
生產能力,提高了經濟效益。
5 提高功率因數的方法
提高功率因數的途徑主要在于如何減少電力系統中各個部分所需的無功功率,特別是減少負荷取用的
無功功率,使電力系統在輸送一定的有功功率時,可降低其中通過的無功電流1
提高功率因數的方法很多,但總的來說可以歸結為兩大類:
5. 1 提高自然功率因數的方法
采用降低各用電設備所需的無功功率以改善其功率因數的措施,稱為提高自然功率因數的方法1 主要有:
(1) 正確選用異步電動機的型號與容量。據有關資料介紹,我國中小型異步電動機的用電負荷約占電網總負荷的80 %以上,幾個主要電網中,電動機所耗能占整個工業用電量的60 %～ 68 %左右1 因此做好電動機的降損節能具有十分重要的經濟意義1 正確選用異步電動機,使其額定容量與所帶負載相配合,對于改善功率因數是十分重要的1 在選型方面,要注意選用節能型,淘汰高能耗的電動機,并依據電機機械工作對啟動力矩、啟動次數、調速等方面的具體要求,選用不同的型號。 電動機的效率η與功率因數cosφ是反映電動機經濟運行水平的主要指標,都與負載率β有密切關系1 GB/ T 12497 - 90 對三相異步電機三個運行區域規定如下:
當負載率β在70 %～ 100 %之間時,為經濟運行區;
當40 % ≤β ≤70 %時,為一般運行區;
當β < 40 % 時,為非經濟運行區1
(2) 根據負荷選用相匹配的變壓器。電力變壓器一次側功率因數不但與負荷的功率因數有關,而且與負荷率有關1 若變壓器滿載運行,一次側功率因數僅比二次側降低約3 ～ 5 %;若變壓器輕載運行,當負荷小于0. 6 時,一次側功率因數就顯著下降,下降達11 ～ 18 %,所以電力變壓器的負荷率在0. 6 以上運行時才較經濟,一般應在60 %～ 70 %比較合適1 為了充分利用設備和提高功率因數,電力變壓器一般不宜作輕載運行。當電力變壓器負荷率小于30 %時,應當更換成容量較小的變壓器1
(3) 合理安排和調整工藝流程。合理安排和調整工藝流程, 改善電機設備的運行狀態, 限制電焊機和機床電動機的空載運行1 例如可采用空載自動延時斷電裝置流程等1
(4) 異步電動機同步化運行。對于負荷率不大于0. 7 及最大負荷不大于90 % 額定功率的繞線式異步電動機,必要時可使其同步化,即當繞線式異步電動機在起動完畢以后,向轉子三相繞組中送入直流勵磁,即產生轉矩把異步電動機牽入同步運行,其運轉狀態與同步電動機相似1 在過勵磁的情況下,電動機可向電網送出無功功率,從而達到改善功率因數的目的。
5. 2 提高功率因數的補償方法
采用供應無功功率的設備來補償用電設備所需的無功功率,以提高其功率因數的措施,稱為提高功率因數的補償方法。采用補償法來提高功率因數,必須增加新設備、增加有色與黑色金屬的需用量。 此外,補償設備本身也有功率損失,所以從整體來看,應首先采用提高用電設備自然功率因數的方法。 但當功率因數還達不到《電力設計技術規范》所要求的數值時,則需采用專門的補償設備來提高功率因數。應用人工補償無功功率的方法通常有應用移相電容器(即靜電電容器) 、采用同步電動機和采用同步調相機三種方法。
同步電動機在過勵磁方式運行(0. 8 ～ 0. 9 超前) 時,就向電力系統輸送無功功率,提高了工業企業的功率因數1 一般在滿足工藝條件下,采用或不采用同步電動機來提高企業的功率因數,應進行技術經濟比較。通常對低速、恒速且長期連續工作的容量較大的電動機,宜采用同步電動機組,如軋鋼的電動機組、球磨機、空壓機、鼓風機、水泵等設備1 這些設備采用同步電動機為原動機時,其容量一般在250 KW 以上,環境與啟動條件均能滿足同步電動機的要求,而且停歇時間較少,因此對改善功率因數能起很大作用1 但是同步電動機結構復雜,并且附有一套啟動控制設備,維護工作量大,價格較異步電動機貴,而且目前高壓移相電容器價格普遍降低,這就相應地提高了“異步電動機加移相電容器的補償方案”的優越性1 移相電容器由于具有功率損耗小、運行維修很方便、短路電流小等優點而在工業企業中被廣泛用作人工補償裝置。
綜上所述,提高功率因數必然對國家的能源利用、企業的經濟效益起到促進作用, 是保證電力系統電能質量、電壓質量、降低網絡損耗以及安全運行所不可缺少的條件1 應根據不同情況采取相應措施來提高功率因數,降低無功損耗,從而提高經濟效益。