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提高發(fā)電機(jī)功率因素的方法和意義 |
摘要：柴油發(fā)電機(jī)組的功率因數(shù)（cosφ）就是交流電路中的電流與電壓相位之差（通常是電流落后）角度的余弦值。發(fā)電機(jī)功率因數(shù)越高，電能的利用率越高。當(dāng)功率因數(shù)最高為1時(shí)，表示相位差為零，全部電能都被負(fù)載所利用；當(dāng)功率因數(shù)最低為0時(shí)，表示相位差為90°，全部電能都消耗在線路上，一點(diǎn)也沒(méi)被負(fù)載所利用。因此，應(yīng)當(dāng)盡量提高發(fā)電機(jī)的功率因素，康明斯在本文中著重講述了功率因素與相位之間的關(guān)系，以及提高發(fā)電機(jī)功率的方法。
一、發(fā)電機(jī)功率因素與相位關(guān)系
1、發(fā)電機(jī)功率因素的概述
多數(shù)發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)為0.8，個(gè)別的功率因數(shù)可達(dá)0.85或0.9，示意圖如圖1所示。一般情況下，功率因數(shù)由額定值到1.0的范圍內(nèi)變化時(shí)，發(fā)電機(jī)的出力可以保持不變，但為保持系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定，要求功率因數(shù)不能超過(guò)0.95，也就是無(wú)功負(fù)荷不得小于有功負(fù)荷的1/3。當(dāng)發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)低于額定值時(shí)，由于轉(zhuǎn)子電流增大，會(huì)使轉(zhuǎn)子溫度升高，此時(shí)，應(yīng)調(diào)整負(fù)荷，降低發(fā)電機(jī)的出力。否則，轉(zhuǎn)子溫度可能超出極限值。所以，運(yùn)行時(shí)值班人員必須注意調(diào)整負(fù)荷，使轉(zhuǎn)于電流不超過(guò)在該冷卻空氣進(jìn)口溫度下的允許值。一般功率因數(shù)都是0.8-0.9左右！這個(gè)要根據(jù)這臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組所規(guī)定的功率因數(shù)參數(shù)和發(fā)電機(jī)的要求。如果是調(diào)峰柴油發(fā)電機(jī)組，可能白天和晚夜就不一樣的。
由Q=UIsinΦ和P=UIcosΦ知，若柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)出的無(wú)功越多，功率因數(shù)就是減小，在發(fā)電機(jī)輸出功率不變的情況下，機(jī)端的電壓會(huì)升高。無(wú)功越多，勵(lì)磁電流就會(huì)增大，柴油發(fā)電機(jī)組的定、轉(zhuǎn)子溫度會(huì)有所升高，過(guò)高的話，兩者的絕緣可能也會(huì)受到威脅呢.反之，如果功率因數(shù)過(guò)高，柴油發(fā)電機(jī)組所發(fā)的無(wú)功功率就是很少啦！機(jī)端電壓也會(huì)降低，就會(huì)降低運(yùn)行的穩(wěn)定性很容易失步或有可能會(huì)造成柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行。
所以柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)，注意機(jī)端電壓在規(guī)定值和保證柴油發(fā)電機(jī)組不進(jìn)相運(yùn)行就可以了。
為了保證柴油發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)一般不應(yīng)超過(guò)遲相0.95運(yùn)行，或無(wú)功負(fù)荷應(yīng)不小于有功負(fù)荷的1/3。在發(fā)電機(jī)自動(dòng)調(diào)整勵(lì)磁裝置投入運(yùn)行的情況下，必要時(shí)發(fā)電機(jī)可以在功率因數(shù)為1.0的情況下短時(shí)運(yùn)行，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)引起發(fā)電機(jī)的振蕩和失步。目前大柴油發(fā)電機(jī)組基本上不允許進(jìn)相運(yùn)行，有的大柴油發(fā)電機(jī)組正在進(jìn)行進(jìn)相試驗(yàn)，運(yùn)行人員應(yīng)根據(jù)本柴油發(fā)電機(jī)組的情況及時(shí)調(diào)整。當(dāng)功率因數(shù)低于額定值時(shí)，發(fā)電機(jī)出力應(yīng)降低，因?yàn)楣β室驍?shù)越低，定子電流中的無(wú)功分量越大，轉(zhuǎn)子電流也必然增大，這會(huì)引起轉(zhuǎn)子電流超過(guò)額定值而使其繞組發(fā)生過(guò)熱現(xiàn)象，試驗(yàn)證明，當(dāng)功率因素等于0.7時(shí)，發(fā)電機(jī)的出力將減少8%。因此發(fā)電機(jī)在運(yùn)行中，若其功率因數(shù)低于額定值時(shí)，值班人員必須及時(shí)調(diào)整，使出力盡量帶到允許值，而轉(zhuǎn)子電流不得超過(guò)額定值。
2、同步發(fā)電機(jī)的功率角與相位關(guān)系
（1）發(fā)電機(jī)電壓和電流的初相位
三相交流同步發(fā)電機(jī)帶載運(yùn)行時(shí)，其電壓和電流的初相位相同時(shí)，此時(shí)相位差θ角度為0，功率因數(shù)cosθ=1，表示為純電阻電路，如圖2所示，三相電壓Va、Vb、Vc之間相位角相差120°，三相電流Ia、Ib、Ic之間相位角相差120°，A相電壓Va與A相電流Ia之間的初相角相同，相位差θ角度為0，B相和C相的情況與A相同理，此時(shí)發(fā)電機(jī)輸出的電能全部做有用功，線路中沒(méi)有無(wú)功損耗，是最理想的節(jié)能工作狀況，不過(guò)對(duì)發(fā)電機(jī)供電來(lái)說(shuō)功率因數(shù)過(guò)高會(huì)造成線路中無(wú)功裕量過(guò)低，會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
（2）電流相位滯后電壓相位
在發(fā)電機(jī)的工作電流相位滯后電壓相位一個(gè)θ角度時(shí)，這個(gè)功率因數(shù)角為負(fù)值，功率因數(shù)cosθ＜1，對(duì)于負(fù)載來(lái)說(shuō)是具有吸收感性的無(wú)功功率，功率因數(shù)是滯后的，如圖3所示，三相電壓Va、Vb、Vc之間相位角相差120°，三相電流Ia、Ib、Ic之間相位角相差120°，A相電壓Va與A相電流Ia之間的初相位相差θ角度即電流相位滯后于電壓相位一個(gè)θ角度，B相和C相的情況與A相同理，在通常的電路中大部分負(fù)載都是呈現(xiàn)感性的負(fù)載，此時(shí)發(fā)電機(jī)輸出的電能一部分做有用功，一部分做無(wú)用功，這是最常見(jiàn)的電路狀況。
（3）電流相位超前電壓相位
在發(fā)電機(jī)的工作電流相位超前電壓相位一個(gè)θ角度時(shí)，這個(gè)功率因數(shù)角為正值，功率因數(shù)cosθ＜1，對(duì)于負(fù)載來(lái)說(shuō)是有發(fā)出容性的無(wú)功功率，功率因數(shù)是超前的，如圖4所示，三相電壓Va、Vb、Vc之間相位角相差120°，三相電流Ia、Ib、Ic之間相位角相差120°，A相電壓Va與A相電流Ia之間的初相位相差θ角度即電流相位超前于電壓相位一個(gè)θ角度，B相和C相的情況與A相同理，此時(shí)發(fā)電機(jī)輸出的電能做有用功，吸收無(wú)用功。
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發(fā)電機(jī)功率因素示意圖 |
發(fā)電機(jī)電壓與電流初始角相同時(shí)波形圖 |
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發(fā)電機(jī)滯后電壓初始角波形圖 |
發(fā)電機(jī)超前電壓初始角波形圖 |
二、功率因素對(duì)發(fā)電機(jī)的影響
在滿負(fù)荷的情況下，功率因數(shù)對(duì)發(fā)電機(jī)的影響主要體現(xiàn)在其穩(wěn)定性、效率和壽命上。因此，為了保持發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行和效率，需要保持合理的功率因數(shù)，并定期進(jìn)行維修保養(yǎng)。
1、功率因數(shù)過(guò)高
當(dāng)功率因數(shù)過(guò)高，即無(wú)功功率過(guò)低時(shí)，會(huì)減少系統(tǒng)的無(wú)功裕量，影響發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定性。
雖然提高了經(jīng)濟(jì)性，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這是以增加事故的概率換來(lái)的，一旦有突發(fā)事故發(fā)生，發(fā)電機(jī)可能經(jīng)受不起小的擾動(dòng)或震蕩，有可能失步。
此外，無(wú)功過(guò)低將引起發(fā)電機(jī)端電壓下降，影響發(fā)電機(jī)的正常工作，甚至可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)失去穩(wěn)定運(yùn)行而崩潰。發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，端部容易發(fā)熱。
2、功率因數(shù)過(guò)低
當(dāng)功率因數(shù)過(guò)低時(shí)，即無(wú)功功率過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致勵(lì)磁電流上升，轉(zhuǎn)子繞組溫度上升，縮短其壽命。
當(dāng)功率因數(shù)低于額定值時(shí)，發(fā)電機(jī)出力應(yīng)降低，因?yàn)楣β室驍?shù)愈低，定子電流的無(wú)功分量越大，由于感性無(wú)功起去磁作用，所以抵消磁通的作用愈大，為了維持定子電壓不變必須增加轉(zhuǎn)子電流，此時(shí)若仍維持發(fā)電機(jī)出力不變，則必然會(huì)使轉(zhuǎn)子電流超過(guò)額定值，引起轉(zhuǎn)子溫度超過(guò)允許值。
同時(shí)，這會(huì)增加電力傳輸過(guò)程中的功率損耗，降低發(fā)電機(jī)的效率。此外，發(fā)電機(jī)端電壓可能上升，導(dǎo)致鐵芯內(nèi)磁通密度增加和損耗增加，進(jìn)而使鐵芯溫度上升。若功率因數(shù)過(guò)低，發(fā)電機(jī)的出力將受限，大大降低發(fā)電機(jī)的效率。
所以在平時(shí)的運(yùn)行監(jiān)視中，操作人員要做到合理分配各柴油發(fā)電機(jī)組的有功、無(wú)功負(fù)荷。并要根據(jù)電壓來(lái)調(diào)整，電壓偏低要多發(fā)無(wú)功，電壓偏高要少發(fā)無(wú)功，通過(guò)調(diào)整有功和無(wú)功的比例，控制電壓和運(yùn)行電流，確保發(fā)電機(jī)在安全、經(jīng)濟(jì)的條件下運(yùn)行。
三、提高發(fā)電機(jī)功率因素方法和意義
（1）增加感性負(fù)載
感性負(fù)載是指電感器件所組成的負(fù)載，這種負(fù)載的特點(diǎn)是在發(fā)電機(jī)提供電力時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng)和暫態(tài)感應(yīng)電流，所以可以提高功率因數(shù)。
（2）減少容性負(fù)載
容性負(fù)載是指電容器件所組成的負(fù)載，這種負(fù)載的特點(diǎn)是在發(fā)電機(jī)提供電力時(shí)產(chǎn)生電場(chǎng)，并消耗電力，所以會(huì)降低功率因數(shù)。
（3）使用功率因數(shù)補(bǔ)償設(shè)備
功率因數(shù)補(bǔ)償設(shè)備是一種能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正的設(shè)備，可以通過(guò)改變電容和電感將發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)調(diào)整到一個(gè)合適的范圍內(nèi)。
（4）改善電力質(zhì)量
改善電力質(zhì)量是指采取一系列措施，保證柴油發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定性和電能質(zhì)量?？梢圆扇〉拇胧┌▋?yōu)化負(fù)載結(jié)構(gòu)、保持電源穩(wěn)定、控制電壓變化等。
2、功率因數(shù)提高的意義
（1）提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和效率
功率因數(shù)越高，電網(wǎng)的穩(wěn)定性和效率也就越高。因?yàn)楫?dāng)功率因數(shù)低于0.9時(shí)，會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成很大的負(fù)擔(dān)，甚至?xí)痣娋W(wǎng)的不穩(wěn)定性和損耗。所以提高發(fā)電機(jī)功率因數(shù)可以減輕電網(wǎng)負(fù)荷，使電網(wǎng)運(yùn)行平穩(wěn)。
（2）減少電能損耗和成本
當(dāng)發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)提高時(shí)，就可以減少電能損耗和成本，因?yàn)樘岣吖β室驍?shù)可以減少無(wú)功功率的損失，而無(wú)功功率是不會(huì)做功的功率。所以提高功率因數(shù)可以減少電能的浪費(fèi)，節(jié)省成本。例如：當(dāng)cosØ=0.5時(shí)的損耗是cosØ=1時(shí)的4倍。
（3）改善電力質(zhì)量。
低功率因數(shù)可能導(dǎo)致電壓波動(dòng)和電流諧波，影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和質(zhì)量。通過(guò)提高功率因數(shù)，可以減小電壓和電流的波形畸變，使電力系統(tǒng)的運(yùn)行更加平穩(wěn)、可靠。
（4）降低能源傳輸過(guò)程中的損耗
在能源傳輸過(guò)程中，功率因數(shù)的低值會(huì)導(dǎo)致更大的電流流動(dòng)，增加輸電線路，降低傳輸效率。提高功率因數(shù)可以減少電流流動(dòng)，降低線損，提高傳輸效率，有助于降低發(fā)電的運(yùn)營(yíng)成本，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。
（5）提升用電設(shè)備的利用率
提高功率因數(shù)相當(dāng)于提升了用電設(shè)備的利用率，提高設(shè)備工作效率。因發(fā)電機(jī)的發(fā)電容量的限定，故提高cosØ也就使發(fā)電機(jī)能多出有功功率。
（6）增加供電量裕度
通過(guò)改善功率因數(shù)，可以減少供電系統(tǒng)中的電壓損失，使負(fù)載電壓更穩(wěn)定，改善電能的質(zhì)量。
總結(jié)：
發(fā)電機(jī)功率因數(shù)的提高可以提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和效率，減少電能損耗和成本。為了提高功率因數(shù)可以采取多種措施，包括增加感性負(fù)載、減少容性負(fù)載、使用功率因數(shù)校正設(shè)備和改善電力質(zhì)量等。在實(shí)際生產(chǎn)和使用中，需要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)選擇最合適的辦法。
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