提高功率因数的意义、方法及实

前言：在本学期刚开始学习基本电路理论时，我就感到这门学科是我进入大学以来所学习的最接近于实际的一门学科，在后来的学习中，我的这个想法一直未改变。故在学期末，当得知要写一篇基础电路论文时，我特意选取了“功率因数”这一最接近实际的话题进行讨论。
其中，我从网络的电工论坛上请教过许多关于功率因数的问题，并得到了一些较为专业和贴近实际的回答，感觉自己丰富了许多并引用于本论文中，使自己的论文能够从一种贴近实际的角度出发，表述对功率因数的一些相关观点。
一．             功率因数的定义
在电力系统中，电动机及其它带有线圈（绕组）的设备很多，这类设备除了从电源取得一部分电功率作有功用外，还将耗用一部分电功率用来建立线圈磁场。这就额外地加在了电源的负坦，功率因数cos?(也称力率）就是反映总电功率中有功功率所占的比例大小。
理论公式上，有功功率表达式中的P=U*I*cos?中的cos?为功率因数，功率因数小于或等于1，功率因数的大小说明电源被利用程度，它的高低决定月电路端电压和电流之间的相位差。cos? 小于1 电路中就发生能量互换出现无功功率Q=UIsin?。
所以在计算过程中，可通过cos?=P/S ，tg?=P/Q（其中：P称为有功功率（KW），Q称无功功率（Kvar)，S=U*I称为视在功率（KVA)），在实际中，可用电量值代替相应的功率。
二．             提高功率因数的实际意义
1． 对于电力系统中的供电部分，提供电能的发电机是按要求的额定电压和额定电流设计的，发电机长期运行中，电压和电流都不能超过额定值，否则会缩短其使用寿命，甚至损坏发电机。由于发电机是通过额定电流与额定电压之积定额的，这意味着当其接入负载为电阻时，理论上发电机得到完全的利用，因为P=U*I*cos?中的cos?=1；但是当负载为干性或容性时，cos?<1,发电机就得不到充分利用。为了最大程度利用发电机的容量，就必须提高其功率因数。
2． 对于电力系统中的输电部分，输电线上的损耗：Pl=RI*I，负载吸收的平均功率：P.=V*I*cos? ，因为I=P./V/ cos?，所以Pl=R*P./V/cos?（V是负载端电压的有效值）。              由以上式可以看出，在V和P都不变的情况下，提高功率因数cos?会降低输电线上的功率损耗！
在实际中，提高功率因数意味着：
1) 提高用电质量，改善设备运行条件，可保证设备在正常条件下工作，这就有利于安全生产。
2) 可节约电能，降低生产成本，减少企业的电费开支。例如：当cos?=0.5时的损耗是cos?=1时的4倍。
3) 能提高企业用电设备的利用率，充分发挥企业的设备潜力。
4) 可减少线路的功率损失，提高电网输电效率。
5) 因发电机的发电容量的限定，故提高cos?也就使发电机能多出有功功率。
在实际用电过程中，提高负载的功率因数是最有效地提高电力资源利用率的方式。
在现今可用资源接近匮乏的情况下，除了尽快开发新能源外，更好利用现有资源是我们解决燃眉之急的唯一办法。而对于目前人类所大量使用和无比依赖的电能使用，功率因数将是重中之重。
三．             提高负载因数的几种方法
可分为提高自然功率因数和采用人工补尝两种方法：
提高自然因数的方法：
1). 恰当选择电动机容量，减少电动机无功消耗，防止“大马拉小车”。
2). 对平均负荷小于其额定容量40%左右的轻载电动机，可将线圈改为三角形接法（或自动转换）。
3). 避免电机或设备空载运行。
4). 合理配置变压器，恰当地选择其容量。
5). 调整生产班次，均衡用电负荷，提高用电负荷率。
6). 改善配电线路布局，避免曲折迂回等。
人工补偿法：
实际中可使用电路电容器或调相机，
在感性负载上并联电容器的方法可用电容器的无功功率来补偿感性负载的无功功率，从而减少甚至消除感性负载于电源之间原有的能量交换。
在交流电路中，纯电阻电路，负载中的电流与电压同相位，纯电感负载中的电流滞后于电压90o，而纯电容的电流则超前于电压90o，电容中的电流与电感中的电流相差180o，能相互抵消。
电力系统中的负载大部分是感性的，因此总电流将滞后电压一个角度，如图1所示，将并联电容器与负载并联，则电容器的电流将抵消一部分电感电流，从而使总电流减小，功率因数将提高。

并联电容器的补偿方法又可分为：
1．   个别补偿。即在用电设备附近按其本身无功功率的需要量装设电容器组，与用电设备同时投入运行和断开，也就是再实际中将电容器直接接在用电设备附近。
适合用于低压网络，优点是补尝效果好，缺点是电容器利用率低。
2．   分组补偿。即将电容器组分组安装在车间配电室或变电所各分路出线上，它可与工厂部分负荷的变动同时投入或切除，也就是再实际中将电容器分别安装在各车间配电盘的母线上。
优点是电容器利用率较高且补尝效果也较理想（比较折中）。
3．   集中补偿。即把电容器组集中安装在变电所的一次或二次侧的母线 上。在实际中会将电容器接在变电所的高压或低压母线上，电容器组的容量按配电所的总无功负荷来选择。
优点:是电容器利用率高，能减少电网和用户变压器及供电线路的无功负荷。缺点:不能减少用户内部配电网络的无功负荷。
实际中上述方法可同时使用。对较大容量机组进行就地无功补尝。
四．             功率因数在我们身边所产生的一些有趣问题
1．    关于在网上经常看到的“功率因数超前”问题，一直感到困惑，我起初以为是负载的电流与电压之间的超前关系，结果发现并不是只这个。正确的解释是：电机并入电容,产生容性无功Qc,可以补偿感性无功。当QL=Qc时，功率因数COSΦ=W/S=1（S表示视在功率），即从电力系统吸收的无功功率等于0。当Qc>QL时就是功率因数超前。
这样，在实际中，就会出现这样的情况：白天，用电多，QL大，电压低，Qc一般不够；而晚上用电少，系统负荷小，电压高，用户补偿电容如不切掉，Qc>QL即前面所说“功率因数超前”，无功外送，电压就“高上加高”，对整个电网会有损害，所以见到网上总是有人在说“不能让功率因数超前”。也就是说“超前”就是“过补偿”，也就是其实白天你要超前没人管，系统正需要，而晚上这样的话，电工就要“挨罚”了。
“超前”带来另一个问题是：就某段电路来说功率因数超前或滞后都会使有功功率相同的情况下而增加电流，从而增加了输电线路的损耗，而功率因数超前又有一定的助磁作用而可能使变压器输出电压升高，那样说，“超前”还是有害的。
2．    由上面的“补偿”引发的问题，让我了解到了《电力法》不像我过去想的那样简单。过去以为这个法律仅仅是针对那些偷电的，其实不然，它涉及到的情况复杂的多，比如：“超前”表示过补偿，这是在帮供电局的忙，给供电系统补偿电容，然而过补偿反而会使让供电局处罚相关责任人，这是有法可依的。《电力法》可以说是一门相当专业、极为严谨的法律。
3．    过去一直不明白电脑所用的UPS后所标明的功率因数的意义，当然UPS不是存储能源越高越好，那还涉及到它的功率因数，其实在当今，功率因数才是最关键的。其实寝室在用的应急灯涉及到了功率因数，但包装上并未说明。
4．    好多电器都涉及到功率因数的问题，比如电冰箱，它的功率因数高固然好，但那并不意味着它一定省电，因为还得考虑输入的电在其它方面的损耗，比如电能转化为其它无用的形式的功的数量。
五．             小结
在写此论文过程中，让我了解了很多知识，并让我搞懂了本来很多并不清除的问题，对我的帮助很大。同时，在各种实例中，我也充分感到了电路理论的重要性和复杂性，我深感学好它的重要性。
由于本人才疏学浅，故本论文中，可能会出现一些不当之处，我将非常感谢老师的指出。
在写作本论文时，我主要参考到了来自基本电路理论教材和实验教材以及网上电工论坛和浙江电力网站的相关内容。