淺談企業(yè)提高功率因數(shù)的意義和方法

摘 要：根據(jù)功率因數(shù)的特性，本文介紹了企業(yè)用電過(guò)程中功率因數(shù)過(guò)低的主要原因。闡述了提高功率因數(shù)對(duì)節(jié)約電源容量、降低線路損耗的意義，并提出了改善功率因數(shù)的方法。

關(guān)鍵詞：功率因數(shù)；有功功率；電容器

中圖分類號(hào)：TM714.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-7344（2018）12-0039-02

引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，企業(yè)對(duì)電力需求不斷提高，與此同時(shí)帶來(lái)的突出問(wèn)題是能源的利用率較低，耗費(fèi)了大量的資源。在供電系統(tǒng)中，功率因數(shù)是系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的重要因素。功率因數(shù)低，用電設(shè)備的有功功率將減小，電源利用率將降低。反之，電源利用率能增加，線路損耗減少，減少企業(yè)的電費(fèi)開(kāi)支。

1 功率因數(shù)的定義

在企業(yè)的用電設(shè)備中，電動(dòng)機(jī)及其它帶有線圈的設(shè)備占有很高的比例，這類設(shè)備除了需要電網(wǎng)提供一部分功率P（稱為有功功率））作有功用外，還需要耗用一部分功率Q（稱為無(wú)功功率）用來(lái)建立線圈磁場(chǎng)。功率因數(shù)cos？準(zhǔn)就是反映有功功率在總電功率S（稱為視在功率）中所占的比例。企業(yè)實(shí)際用電時(shí)，我們希望功率因數(shù)越大越好，這樣電網(wǎng)中的視在功率將大部分用來(lái)給設(shè)備供給有功功率，從而減少發(fā)電機(jī)無(wú)功功率的輸出，提高發(fā)電機(jī)的利用率。

功率因數(shù)的計(jì)算方式如下：

S= =cos？準(zhǔn)

2 影響功率因數(shù)的主要因素

2.1 大量的感性設(shè)備

電網(wǎng)運(yùn)行的設(shè)備中，無(wú)功功率最大的來(lái)源是感應(yīng)電爐、交流電焊機(jī)、異步電機(jī)等設(shè)備。其中感應(yīng)電爐在保溫時(shí)的無(wú)功功率較大；在加熱時(shí)，需要的無(wú)功功率較小。而異步電動(dòng)機(jī)所耗用的無(wú)功功率是由其空載時(shí)的無(wú)功功率和一定負(fù)載下無(wú)功功率增加值兩部分所組成的。

2.2 變壓器

變壓器在空載運(yùn)行時(shí)需要消耗無(wú)功功率，它的無(wú)功消耗不隨它和負(fù)載率的變化而變化。因而，為了提高功率因數(shù)，應(yīng)減少變壓器空載運(yùn)行時(shí)間。

2.3 系統(tǒng)供電電壓

系統(tǒng)電壓超出規(guī)定范圍也會(huì)對(duì)功率因數(shù)造成一定的影響。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)系統(tǒng)電壓高于額定值的10%時(shí)，受磁路飽和的作用，無(wú)功功率將快速增長(zhǎng)。

3 提高功率因數(shù)的意義

3.1 提高功率因數(shù)可改善電壓質(zhì)量

提高功率因數(shù)可減少線路和變壓器的電壓損失，提高電壓質(zhì)量。我們采用功率三角形計(jì)算法，電路在并聯(lián)電容前后的功率三角形，如圖1所示。

U——線路額定電壓（kV）；

P——輸送的有功功率（kW）；

Q——輸送的無(wú)功功率（kVar）；

P'——并聯(lián)電容后輸送的有功功率（kW）；

Q'——并聯(lián)電容后輸送的無(wú)功功率（kVar）；

R——線路電阻（Ω）；

X——線路的電抗（Ω）；

Qc——并聯(lián)電容器提供的無(wú)功功率（kVar）；

線路電壓損失計(jì)算公式：△U=（PR+QX）/U。

并聯(lián)電容器后，線路中無(wú)功功率為Q'=Q-Qc，所以線路中電壓損失為：△U1={（PR+（Q-QC）·X）}/u。

很明顯△U1<△U，即安裝并聯(lián)電容器后電壓損失減少了，線路電壓提高了。由于越靠近線路末端線路電抗X越大，因此從上式看出越靠近線路末端并聯(lián)電容器，效果越好。

3.2 提高功率因數(shù)可降低供電設(shè)備容量和投資。

例如某企業(yè)有功負(fù)荷為800kW，功率因數(shù)為0.65時(shí)，視在功率為1230kVA，需選用1600kVA/10kV變壓器。如果將功率因數(shù)提高到0.9，視在功率為888kVA，此時(shí)僅需要選擇1000kVA或者1250kVA的變壓器即可滿足供電需求，僅此項(xiàng)就可節(jié)約600kVA變壓器的投資。

3.3 提高功率因數(shù)可降低電能損耗

并聯(lián)電容器提高功率因數(shù)，主要是為了降損節(jié)能。由于線路和變壓器的功率損耗與通過(guò)的電流平方成正比即：

△P=3I R=3 ·R

在系統(tǒng)負(fù)載有功功率不變的條件下，ΔP則與cos？準(zhǔn)成反比。并聯(lián)電容器后，隨著cos？準(zhǔn)的增加，ΔP就會(huì)減小，電能損耗就會(huì)減少。

3.4 提高功率因數(shù)可以減少企業(yè)電費(fèi)支出

提高功率因數(shù)對(duì)企業(yè)的直接經(jīng)濟(jì)效益是明顯的，根據(jù)《供電營(yíng)業(yè)規(guī)則》，對(duì)企業(yè)的功率因數(shù)規(guī)定了不同數(shù)值時(shí)的電費(fèi)制度。

由表1可以看出當(dāng)功率因數(shù)在0.90～0.94之間的時(shí)候，功率因數(shù)每增加1%，每月的電費(fèi)可以減少0.15%。當(dāng)功率因數(shù)小于0.90以后，每減少1%，每月的電費(fèi)卻要增加0.5%，因此可知提高功率因數(shù)對(duì)企業(yè)的直接經(jīng)濟(jì)效益是十分明顯的。

4 提高功率因數(shù)的途徑

4.1 合理選擇設(shè)備，提高自然功率因數(shù)

提高自然功率因數(shù)是最經(jīng)濟(jì)的方法。它不需要增加投資，也不添置補(bǔ)償設(shè)備，僅僅是通過(guò)合理的選擇功率因數(shù)較高的用電設(shè)備來(lái)降低無(wú)功功率。

4.1.1 合理使用電動(dòng)機(jī)

電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期處于低負(fù)載下運(yùn)行時(shí)，無(wú)功功率較大，功率因數(shù)較低，且電機(jī)的效率也較差。所以，合理選用電動(dòng)機(jī)的型號(hào)、規(guī)格和容量，使其能滿載運(yùn)行，可以改善企業(yè)的功率因數(shù)。

4.1.2 提高異步電動(dòng)機(jī)的檢修質(zhì)量

實(shí)驗(yàn)表明，檢修時(shí)重點(diǎn)維修和調(diào)整異步電動(dòng)機(jī)定子繞組匝數(shù)、電動(dòng)機(jī)定子和轉(zhuǎn)子間的氣隙能有效降低異步電動(dòng)機(jī)的無(wú)功功率。

4.1.3 采用同步電動(dòng)機(jī)或異步電動(dòng)機(jī)同步運(yùn)行提高功率因數(shù)

同步電動(dòng)機(jī)所帶機(jī)械負(fù)荷的大小就是同步電動(dòng)機(jī)消耗的有功功率。而無(wú)功功率的大小主要由轉(zhuǎn)子中的勵(lì)磁電流大小決定。在欠激狀態(tài)時(shí)，定子繞組向電網(wǎng)“吸取”無(wú)功功率，在過(guò)激狀態(tài)時(shí)，定子繞組向電網(wǎng)“送出”無(wú)功功率。因此，要使電機(jī)處于過(guò)激狀態(tài)，我們只需調(diào)節(jié)電機(jī)的勵(lì)磁電流，就可以使同步電機(jī)的定子繞組向電網(wǎng)“送出”無(wú)功功率，從而提高企業(yè)的功率因數(shù)，減少電網(wǎng)輸送給企業(yè)的無(wú)功功率。異步電動(dòng)機(jī)同步運(yùn)行也被稱為“異步電動(dòng)機(jī)同步化”。我們將異步電動(dòng)機(jī)三相轉(zhuǎn)子繞組適當(dāng)連接并通入直流勵(lì)磁電流，使其呈同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，即可達(dá)到同步電動(dòng)機(jī)的效果，然后再采用和同步電機(jī)相同的方式向電網(wǎng)“送出”無(wú)功功率。

4.1.4 合理選擇變壓器容量，更改變電所的運(yùn)行方式

我們通常采用“撤、換、并、?！钡确椒?，對(duì)變電所內(nèi)負(fù)載率比較低的變壓器進(jìn)行調(diào)整，提高其負(fù)載率，從而改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。

4.2 裝設(shè)電容補(bǔ)償方式

4.2.1 并聯(lián)電容的計(jì)算

電容作為儲(chǔ)能元件，主要擔(dān)負(fù)著與外部交換能量的作用，本身不消耗能量。因此，并聯(lián)電容后電路的無(wú)功功率比會(huì)減少，有功功率不變。根據(jù)圖1，可列出電容計(jì)算公式如下。

Q-Q'=Qc

由功率三角形還可得出：

Q=Ptan？準(zhǔn) Q'=Ptan？準(zhǔn)' Qc=U2？棕C

根據(jù)上述公式可計(jì)算出補(bǔ)償電容值：

C= （tan？準(zhǔn)-tan？準(zhǔn) ）

從圖1可看出，并聯(lián)電容前后電路的無(wú)功功率的變化量即為電容的容量。

4.2.2 無(wú)功補(bǔ)償裝置的選擇

根據(jù)無(wú)功補(bǔ)償裝置在工廠供電系統(tǒng)中的安裝位置，通常有高壓集中補(bǔ)償、低壓集中補(bǔ)償、單獨(dú)就地補(bǔ)償三種方式。

高壓集中補(bǔ)償在大中型工廠普遍應(yīng)用。這種補(bǔ)償方式是將無(wú)功補(bǔ)償裝置集中裝設(shè)在變配電所的10kV母線上，此種補(bǔ)償方式初期投資較少，便于集中維護(hù)，使工廠總功率因數(shù)提高，但是，只能補(bǔ)償10kV母線前（電源方向）所有線路上的無(wú)功功率，所以經(jīng)濟(jì)效果較后兩種補(bǔ)償方式差。

低壓集中補(bǔ)償，比較經(jīng)濟(jì)，在工廠中普遍應(yīng)用。這種補(bǔ)償是將無(wú)功補(bǔ)償裝置裝設(shè)在車間變電所的低壓母線上。其補(bǔ)償范圍較大。能補(bǔ)償車間變電所主變壓器的無(wú)功功率，從而減小變壓器的視在功率，減少變壓器的容量，節(jié)省企業(yè)投資，而且它安裝在變電所低壓配電室內(nèi)，運(yùn)行維護(hù)方便。

單獨(dú)就地補(bǔ)償，又稱個(gè)別補(bǔ)償。它的補(bǔ)償范圍最大，效果也較好。適用于經(jīng)常運(yùn)轉(zhuǎn)而容量又大的設(shè)備，如大功率異步電動(dòng)機(jī)、中頻高頻電爐等。這種方式是將無(wú)功補(bǔ)償裝置分散地裝設(shè)在各個(gè)車間用電設(shè)備附近。但是這種補(bǔ)償方式總設(shè)備投資較大，且無(wú)功補(bǔ)償裝置在用電設(shè)備停止工作時(shí)，也被切除，所以利用率不高。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)以上分析可以看出，增加無(wú)功補(bǔ)償，提高功率因數(shù)，對(duì)于節(jié)約電能，降低損耗，提高變配電設(shè)備的供電能力是極其有利的。合理配置無(wú)功功率補(bǔ)償裝置，對(duì)降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)效益有著重要的作用。

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收稿日期：2018-3-25