無(wú)功功率

　　1、無(wú)功功率

　　在電網(wǎng)中，由電源供給負(fù)載的電功率有兩種：一種是有功功率，另一種是無(wú)功功率（reactive power）。有功功率是保持用電設(shè)備正常運(yùn)行所需的電功率，也就是將電能轉(zhuǎn)換為其他形式能量(機(jī)械能、光能、熱能)的電功率。比如：5.5kW的電動(dòng)機(jī)就是把5.5kW的電力轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，帶動(dòng)水泵抽水或脫粒機(jī)脫粒；各種照明設(shè)備將電能轉(zhuǎn)換為光能，供人們生活和工作照明。無(wú)功功率比較抽象，它是用于電路內(nèi)電場(chǎng)與磁場(chǎng)，并用來(lái)在電氣設(shè)備中建立和維持磁場(chǎng)的電功率。凡是有電磁線(xiàn)圈的電氣設(shè)備，要建立磁場(chǎng)，就要消耗無(wú)功功率。比如40W的日光燈，除需40W有功功率(鎮(zhèn)流器也需消耗一部分有功功率)來(lái)發(fā)光外，還需80var左右的無(wú)功功率供鎮(zhèn)流器的線(xiàn)圈建立交變磁場(chǎng)用。由于它對(duì)外不做功，才被稱(chēng)之為"無(wú)功"。

　　無(wú)功功率決不是無(wú)用功率，它的用處很大。電動(dòng)機(jī)需要建立和維持旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)就是靠從電源取得無(wú)功功率建立的。變壓器也同樣需要無(wú)功功率，才能使變壓器的一次線(xiàn)圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，在二次線(xiàn)圈感應(yīng)出電壓。因此，沒(méi)有無(wú)功功率，電動(dòng)機(jī)就不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，變壓器也不能變壓，交流接觸器不會(huì)吸合。

　　在正常情況下，用電設(shè)備不但要從電源取得有功功率，同時(shí)還需要從電源取得無(wú)功功率。如果電網(wǎng)中的無(wú)功功率供不應(yīng)求，用電設(shè)備就沒(méi)有足夠的無(wú)功功率來(lái)建立正常的電磁場(chǎng)，那么這些用電設(shè)備就不能維持在額定情況下工作，用電設(shè)備的端電壓就要下降，從而影響用電設(shè)備的正常運(yùn)行。

　　無(wú)功功率對(duì)供、用電也產(chǎn)生一定的不良影響，主要表現(xiàn)在：

　　(1)降低發(fā)電機(jī)有功功率的輸出。

　　(2)視在功率一定時(shí)，增加無(wú)功功率就要降低輸、變電設(shè)備的供電能力。

　　(3)電網(wǎng)內(nèi)無(wú)功功率的流動(dòng)會(huì)造成線(xiàn)路電壓損失增大和電能損耗的增加。

　　(4)系統(tǒng)缺乏無(wú)功功率時(shí)就會(huì)造成低功率因數(shù)運(yùn)行和電壓下降，使電氣設(shè)備容量得不到充分發(fā)揮。

　　2、概念理解

　　理解

　　無(wú)功功率的概念，假設(shè)有一輛冷藏車(chē)，冷藏車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)功率為180KW。但車(chē)上的冷凍柜要消耗發(fā)動(dòng)機(jī)40KW的功率用來(lái)制冷。因此發(fā)動(dòng)機(jī)只有140KW的剩余來(lái)拉貨物。

　　這樣大家就能看出來(lái)了，發(fā)動(dòng)機(jī)功率有180KW，相當(dāng)于視在功率，但用來(lái)拉貨的功率只有140KW,這部分為有功功率，而另外的40KW雖然沒(méi)有拉貨物，但是它是為了起到冷凍作用而必須存在的，有了它才能是一輛冷藏車(chē)，這部分就是無(wú)功功率（要區(qū)分無(wú)用功和無(wú)功功率）。

　　功率因數(shù)

　　在功率三角形中，有功功率P與視在功率S的比值，稱(chēng)為功率因數(shù)cosφ，其計(jì)算公式為：P=U×Icosφ，其中的φ指的是電壓和電流的相位差。

　　在電力網(wǎng)的運(yùn)行中，功率因數(shù)反映了電源輸出的視在功率被有效利用的程度，我們希望的是功率因數(shù)越大越好。這樣電路中的無(wú)功功率可以降到最小，視在功率將大部分用來(lái)供給有功功率，從而提高電能輸送的功率。

　　影響功率因數(shù)的主要因素

　　(1)大量的電感性設(shè)備，如異步電動(dòng)機(jī)、感應(yīng)電爐、交流電焊機(jī)等設(shè)備是無(wú)功功率的主要消耗者。據(jù)有關(guān)的統(tǒng)計(jì)，在工礦企業(yè)所消耗的全部無(wú)功功率中，異步電動(dòng)機(jī)的無(wú)功消耗占了60%～70%；而在異步電動(dòng)機(jī)空載時(shí)所消耗的無(wú)功又占到電動(dòng)機(jī)總無(wú)功消耗的60%～70%。所以要改善異步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)就要防止電動(dòng)機(jī)的空載運(yùn)行并盡可能提高負(fù)載率。

　　(2)變壓器消耗的無(wú)功功率一般約為其額定容量的10%～15%，它的滿(mǎn)載無(wú)功功率約為空載時(shí)的1/3。因而，為了改善電力系統(tǒng)和企業(yè)的功率因數(shù)，變壓器不應(yīng)空載運(yùn)行或長(zhǎng)期處于低負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)。

　　(3)供電電壓超出規(guī)定范圍也會(huì)對(duì)功率因數(shù)造成很大的影響。

　　當(dāng)供電電壓高于額定值的10%時(shí)，由于磁路飽和的影響，無(wú)功功率將增長(zhǎng)得很快，據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，當(dāng)供電電壓為額定值的110%時(shí)，一般無(wú)功將增加35%左右。當(dāng)供電電壓低于額定值時(shí)，無(wú)功功率也相應(yīng)減少而使它們的功率因數(shù)有所提高。但供電電壓降低會(huì)影響電氣設(shè)備的正常工作。所以，應(yīng)當(dāng)采取措施使電力系統(tǒng)的供電電壓盡可能保持穩(wěn)定。

　　設(shè)法提高系統(tǒng)自然功率因數(shù)

　　提高自然功率因數(shù)是不需要任何補(bǔ)償設(shè)備投資，僅采取各種管理上或技術(shù)上的手段來(lái)減少各種用電設(shè)備所消耗的無(wú)功功率，這是一種最經(jīng)濟(jì)的提高功率因數(shù)的方法。

　　(1)合理使用電動(dòng)機(jī)；

　　(2)提高異步電動(dòng)機(jī)的檢修質(zhì)量；

　　(3)采用同步電動(dòng)機(jī)：同步電動(dòng)機(jī)消耗的有功功率取決于電動(dòng)機(jī)上所帶機(jī)械負(fù)荷的大小，而無(wú)功功率取決于轉(zhuǎn)子中的勵(lì)磁電流大小，在欠勵(lì)狀態(tài)時(shí)，定子繞組向電網(wǎng)"吸取"感性無(wú)功，在過(guò)勵(lì)狀態(tài)時(shí)，定子繞組向電網(wǎng)"送出感性"無(wú)功。因此，對(duì)于恒速長(zhǎng)期運(yùn)行的大型機(jī)構(gòu)設(shè)備可以采用同步電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力。

　　異步電動(dòng)機(jī)同步運(yùn)行就是將異步電動(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，這就是"異步電動(dòng)機(jī)同步化"。

　　(4)合理選擇配變?nèi)萘?，改善配變的運(yùn)行方式：對(duì)負(fù)載率比較低的配變，一般采取"撤、換、并、停"等方法，使其負(fù)載率提高到最佳值，從而改善電網(wǎng)的自然功率因數(shù)。

　　3、無(wú)功補(bǔ)償

　　從發(fā)電機(jī)和高壓輸電線(xiàn)供給的無(wú)功功率，一般滿(mǎn)足不了負(fù)荷的需要，所以在電網(wǎng)中要設(shè)置一些無(wú)功補(bǔ)償裝置來(lái)補(bǔ)充無(wú)功功率，以保證用戶(hù)對(duì)無(wú)功功率的需要，這樣用電設(shè)備才能在額定電壓下工作。

　　無(wú)功補(bǔ)償通常采用的方法主要有3種：低壓個(gè)別補(bǔ)償、低壓集中補(bǔ)償、高壓集中補(bǔ)償。下面簡(jiǎn)單介紹這3種補(bǔ)償方式的適用范圍及使用該種補(bǔ)償方式的優(yōu)缺點(diǎn)。

　　1)低壓個(gè)別補(bǔ)償

　　低壓個(gè)別補(bǔ)償就是根據(jù)個(gè)別用電設(shè)備對(duì)無(wú)功的需要量將單臺(tái)或多臺(tái)低壓電容器組分散地與用電設(shè)備并接，它與用電設(shè)備共用一套斷路器(即開(kāi)關(guān))。通過(guò)控制、保護(hù)裝置與電機(jī)同時(shí)投切。隨機(jī)補(bǔ)償適用于補(bǔ)償個(gè)別大容量且連續(xù)運(yùn)行(如大中型異步電動(dòng)機(jī))的無(wú)功消耗，以補(bǔ)勵(lì)磁無(wú)功為主。低壓個(gè)別補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)是：用電設(shè)備運(yùn)行時(shí)，無(wú)功補(bǔ)償投入，用電設(shè)備停運(yùn)時(shí)，補(bǔ)償設(shè)備也退出，因此不會(huì)造成無(wú)功倒送。具有投資少、占位小、安裝容易、配置方便靈活、維護(hù)簡(jiǎn)單、事故率低等優(yōu)點(diǎn)。

　　2)低壓集中補(bǔ)償

　　低壓集中補(bǔ)償是指將低壓電容器通過(guò)低壓開(kāi)關(guān)接在配電變壓器低壓母線(xiàn)側(cè)，以無(wú)功補(bǔ)償投切裝置作為控制保護(hù)裝置，根據(jù)低壓母線(xiàn)上的無(wú)功負(fù)荷而直接控制電容器的投切。電容器的投切是整組進(jìn)行，做不到平滑的調(diào)節(jié)。低壓補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)：接線(xiàn)簡(jiǎn)單、運(yùn)行維護(hù)工作量小，使無(wú)功就地平衡，從而提高配變利用率，降低網(wǎng)損，具有較高的經(jīng)濟(jì)性，是無(wú)功補(bǔ)償中常用的手段之一。

　　3)高壓集中補(bǔ)償

　　高壓集中補(bǔ)償是指將并聯(lián)電容器組直接裝在變電所的6～10kV高壓母線(xiàn)上的補(bǔ)償方式。適用于用戶(hù)遠(yuǎn)離變電所或在供電線(xiàn)路的末端，用戶(hù)本身又有一定的高壓負(fù)荷時(shí)，可以減少對(duì)電力系統(tǒng)無(wú)功的消耗并可以起到一定的補(bǔ)償作用；補(bǔ)償裝置根據(jù)負(fù)荷的大小自動(dòng)投切，從而合理地提高了用戶(hù)的功率因數(shù)，避免功率因數(shù)降低導(dǎo)致電費(fèi)的增加。同時(shí)便于運(yùn)行維護(hù)，補(bǔ)償效益高。

　　4、無(wú)功電源

　　電力系統(tǒng)的無(wú)功電源除了同步電機(jī)外，還有并聯(lián)電容器、靜止無(wú)功補(bǔ)償器以及靜止無(wú)功發(fā)生器，這4種裝置又稱(chēng)為無(wú)功補(bǔ)償裝置，也稱(chēng)無(wú)功電源。除電容器外，其余幾種既能吸收容性無(wú)功又能吸收感性無(wú)功。

　　1)同步電機(jī)

　　同步電機(jī)中有發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)及調(diào)相機(jī)3種。

　?、偻桨l(fā)電機(jī)：

　　同步發(fā)電機(jī)是唯一的有功電源，同時(shí)又是最基本的無(wú)功電源，當(dāng)其在額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，可以發(fā)出無(wú)功功率：

　　Q=S×sinφ=P×tanφ

　　其中:Q、S、P、φ是相對(duì)應(yīng)的無(wú)功功率、視在功率、有功功率和功率因數(shù)角。

　　發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí),以滯后功率因數(shù)運(yùn)行為主，向系統(tǒng)提供無(wú)功，但必要時(shí)，也可以減小勵(lì)磁電流，使功率因數(shù)超前，即所謂的"進(jìn)相運(yùn)行"，以吸收系統(tǒng)多余的無(wú)功。

　?、谕秸{(diào)相機(jī):

　　同步調(diào)相機(jī)是空載運(yùn)行的同步電機(jī)，它能在欠勵(lì)或過(guò)勵(lì)的情況下向系統(tǒng)吸收或供出無(wú)功，裝有自勵(lì)裝置的同步電機(jī)能根據(jù)電壓平滑地調(diào)節(jié)輸入或輸出的無(wú)功功率，這是其優(yōu)點(diǎn)。但它的有功損耗大、運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜、響應(yīng)速度慢，已逐漸退出電網(wǎng)運(yùn)行。

　　2)并聯(lián)電容器

　　并聯(lián)電容器補(bǔ)償是目前使用最廣泛的一種無(wú)功電源，由于通過(guò)電容器的交變電流在相位上正好超前于電容器極板上的電壓，相反于電感中的滯后，由此可視為向電網(wǎng)"發(fā)出無(wú)功功率：

　　Q=ωCU2

　　其中：Q、U、Xc=1/ωC分別為無(wú)功功率、電壓、電容器容抗。

　　并聯(lián)電容器本身功耗很小，裝設(shè)靈活，節(jié)省投資；由它向系統(tǒng)提供無(wú)功可以改善功率因數(shù)，減少由發(fā)電機(jī)提供的無(wú)功功率。

　　3)無(wú)功補(bǔ)償器

　　靜止無(wú)功補(bǔ)償器是由晶閘管所控制投切電抗器和電容器組成，由于晶閘管對(duì)于控制信號(hào)反應(yīng)極為迅速，而且通斷次數(shù)也可以不受限制。當(dāng)電壓變化時(shí)靜止補(bǔ)償器能快速、平滑地調(diào)節(jié)，以滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)男枰瑫r(shí)還能做到分相補(bǔ)償；對(duì)于三相不平衡負(fù)荷及沖擊負(fù)荷有較強(qiáng)的適應(yīng)性；但由于晶閘管控制對(duì)電抗器的投切過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生高次諧波，為此需加裝專(zhuān)門(mén)的濾波器。

　　4)無(wú)功發(fā)生器

　　它的主體是一個(gè)電壓源型逆變器，由可關(guān)斷晶閘管適當(dāng)?shù)耐〝啵瑢㈦娙萆系闹绷麟妷恨D(zhuǎn)換成為與電力系統(tǒng)電壓同步的三相交流電壓，再通過(guò)電抗器和變壓器并聯(lián)接入電網(wǎng)。適當(dāng)控制逆變器的輸出電壓，就可以靈活地改變其運(yùn)行工況，使其處于容性、感性或零負(fù)荷狀態(tài)。

　　與靜止無(wú)功補(bǔ)償器相比，靜止無(wú)功發(fā)生器響應(yīng)速度更快，諧波電流更少，而且在系統(tǒng)電壓較低時(shí)仍能向系統(tǒng)注入較大的無(wú)功。