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功率因数的作用及提高

2016.05.07 23:16 评论:0

随着工农业生产的迅猛发展,家用电器在城镇几乎普及。大量的异步电动机就成为电力系统的主要负载,由于异步电动机是电感性负载,在工作时除消耗有功功率外,还需要电源提供无功功率,故整个电力系统的功率因数较低。电动机满载运行时,功率因数约为0.7~0.8,轻载、空载运行时约为0.3~0.4;日光灯的功率因数也较低,约为0.4左右。功率因数低对电力系统的运行是不利的。

一是发电机的效能不能充分发挥,如发电机的额定容量为10000kVA,它能向负载提供多大的有功功率,要由负载的功率因数来决定。当负载功率因数cosφ=1时,发电机可向负载提供10000kW的有功功率,若负载功率因数cosφ=0.6,则电源提供的有功功率仅为6000kW。同样一台发电机,电路的功率因数越低,输出的有功功率越少,设备容量的利用率越低,电源的容量就不能充分利用。

另一方面,功率因数越低,输电线路上的功率损耗越大。因为线路上的电流$I=\frac{P}{Ucos\varphi }$,当电源电压U和负载的有功功率P为恒定值时,I与cosφ成反比关系,cosφ越小,I就越大,线路上的功率损耗△P=I2R1(R1为输电线电阻)越大,而且输电线上的电压损失也越大,使输电效率和供电质量降低。

从以上分析可知,提高负载的功率因数对电力系统有显著的经济效益,并改善了电能质量。按现行供用电规程规定,工厂配电变压器高压侧的功率因数要求在0.9及以上,如果功率因数达不到此值,就应采用无功功率补偿措施提高功率因数。

提高功率因数的常用方法是并联电容器。将电力电容器并联在电感性负载两端,或并联在变电所的高压或低压母线上,如下图所示。

并联电容提高功率因数

并联电容器为什么能提高功率因数呢?

上图a中在并联电容前负载为电阻R和电感L串联,电路的电流为$\dot{I}_{L}$,电压为$\dot{U}$,功率因数为cosφ1。并联电容C后,电容支路电流为$\dot{I}_{C}$,此时电路总电流$\dot{I}=\dot{I}_{L}+\dot{I}_{C}$。由相量图可知,由于电路中增加了一个超前电压$\dot{U}90°$的$\dot{I}_{C}$,则$\dot{I}$滞后$\dot{U}$的角度减小为φ,显然φ<φ1,也就是cosφ>cosφ1。而且总电流的有效值也减小了,输电线路的电压损失、功率损失也减小。并联电容后感性负载本身的电压、电流、功率都是不变的。

将功率因数由cosφ1提高到cosφ要并联多大的电容呢?由图b可知,在保持负载有功功率不变的条件下,将cosφ1提高到cosφ,此时的电容电流${I}_{C}$为:

$$ \begin{align}
I_{C} & =\left ( I_{L}cos\varphi _{1} \right )tan\varphi _{1}-\left ( Icos\varphi \right )tan\varphi \\ & =\frac{P}{U}\left ( tan\varphi _{1}-tan\varphi \right )\end{align}$$

将$I_{C}=\frac{U}{X_{C}}=U2\pi fC$代入上式,整理后得:

$$C=\frac{P}{2\pi fU^{2}}(tan\varphi _{1}-tan\varphi )$$

补偿电容的无功功率为:

$$Q_{C}=UI_{C}=P(tan\varphi -tan\varphi )$$

在上边的式子中:

  • P是电源向负载供给的有功功率(W);
  • $f$为电压的频率(Hz);
  • U为负载的额定电压(V);
  • cosφ1为并联电容前感性负载的功率因数;
  • cosφ为并联电容后的功率因数;
  • C为补偿的电容值(F);
  • QC为补偿电容器产生的无功功率(var)。