工廠供電的功率補償

摘要:本文從有功功率、無功功率、視在功率、功率因數的基本概念出發，敘述了無功功率的產生、危害，講述了用并聯移向電容結合功率因數控制器來提高企業功率因數的方法，其中對電容的投切方式，利用的功率因數補償原理和采用的功率因數控制器的種類進行了討論，并結合功率補償裝置在瀝青廠部分設備上的實例，說明了功率補償在實際上的應用方式。

關鍵詞:功率因數 功率補償 移相電容

1 概述

科技日益發展的今天，企業、供電系統中的變配電設備、用電設備多為感性負載，其功率因數較低，工作時產生較大無功功率，在線路中產生較大無功電流，對能源造成了巨大的浪費，因此要根據實際情況進行合理的功率補償，提高功率因數。

2 基本概念

有功功率:電能用于做功被消耗，它們轉化為熱能、光能、機械能或化學能等，稱為有功功率，又叫平均功率，單位KW。

視在功率:端口的電壓有效值與電流有效值之乘積，單位KVA。

無功功率:許多用電設備均是根據電磁感應原理工作的，如配電變壓器、電動機等，它們都是依靠建立交變磁場才能進行能量的轉換和傳遞。為建立交變磁場和感應磁通而需要的電功率稱為無功功率，因此，所謂的“無功”并不是“無用”的電功率，只不過它的功率并不轉化為機械能、熱能而已;因此在供用電系統中除了需要有功電源外，還需要無功電源，兩者缺一不可。無功功率單位為乏(var)。

功率因數:在功率三角形中，有功功率P與視在功率S的比值，稱為功率因數cosΦ，其計算公式為:

在電力網的運行中，功率因數反映了電源輸出的視在功率被有效利用的程度，一般自然平均功率因數在0.70-0.85，其消耗電網的無功功率約占其消耗電網的有功功率的60%-100%浪費了大量的資源。我們希望功率因數越接近1越好，這樣電路中的無功功率可以降到最小，視在功率將大部分用來供給有功功率，從而提高電能輸送的功率。

3 影響功率因數的主要原因

3.1 異步電動機對功率因數的影響 絕大部分動力負荷都是異步電動機，異步電動機轉子與定子間的氣隙是決定異步電動機需要較多無功的主要因素，而異步電動機所耗用的無功功率是由其空載時的無功功率和一定負載下無功功率增加值兩部分所組成。所以要改善異步電動機的功率因數就要防止電動機的空載運行并盡可能提高負載率。

3.2 電力變壓器對功率因數的影響 電力變壓器的無功功率消耗，是由于變壓器的變壓過程是由電磁感應來完成的，是由無功功率建立和維持磁場進行能量轉換的。沒有無功功率，變壓器就無法變壓和輸送電能。變壓器消耗無功的主要成分是它的空載無功功率，提高變壓器的功率因數就必須降低變壓器的無功損耗，避免變壓器空載運行或長期處于低負載運行狀態。

4 移相電容的投切方式

4.1 延時投切 延時投切方式即人們熟稱的“靜態”補償方式。這種投切依靠于傳統的接觸器的動作，當然用于投切電容的接觸器是專用的，它具有抑制電容的涌流作用，延時投切的目的在于防止接觸器過于頻繁的動作時，電容器造成損壞，更重要的是防備電容不停的投切導致供電系統振蕩，這是很危險的。當電網的負荷呈感性時，如電動機、電焊機等負載，這時電網的電流滯帶后電壓一個角度，當負荷呈容性時，如過量的補償裝置的控制器，這是電網的電流超前于電壓的一個角度，即功率因數超前或滯后是指電流與電壓的相位關系。通過補償裝置的控制器檢測供電系統的物理量，來決定電容器的投切，這個物理量可以是功率因數或無功電流或無功功率。

4.2 瞬時投切方式 瞬時投切方式即人們熟稱的“動態”補償方式，應該說它是半導體電力器件與數字技術綜合的技術結晶，實際就是一套快速隨動系統，控制器一般能在半個周波至1個周波內完成采樣、計算，在2個周期到來時，控制器已經發出控制信號了。通過脈沖信號使晶閘管導通，投切電容器組大約20-30毫秒內就完成一個全部動作，這種控制方式是機械動作的接觸器類無法實現的。動態補償方式作為新一代的補償裝置有著廣泛的應用前景。

5 無功功率補償控制器

無功功率補償控制器有三種采樣方式，功率因數型、無功功率型、無功電流型。

5.1 功率因數型控制器 功率因數用cosΦ表示，它表示有功功率在線路中所占的比例。當cosΦ=1時，線路中沒有無功損耗。提高功率因數以減少無功損耗是這類控制器的最終目標。這種控制方式也是傳統的方式，采樣、控制也都較容易實現。

“延時”整定，投切的延時時間，應在10s-120s范圍內調節 “靈敏度”整定，電流靈敏度，不大于0-2A 。

投入及切除門限整定，其功率因數應能在0.85(滯后)-0.95(超前)范圍內整定。

這種采樣方式在運行中既要保證線路系統穩定、無振蕩現象出現，又要兼顧補償效果，這是一對矛盾，只能在現場視具體情況將參數整定在較好的狀態下工作。即使調整的較好，也無法彌補這種方式本身的缺陷，尤其是在線路重負荷時。舉例說明:設定投入門限;cosΦ=0.95(滯后)此時線路重載荷，即使此時的無功損耗已很大，再投電容器組也不會出現過補償，但cosΦ只要不小于0.95，控制器就不會再有補償指令，也就不會有電容器組投入。

5.2 無功功率(無功電流)型控制器 無功功率(無功電流)型的控制器較完善的解決了功率因數型的缺陷。一個設計良好的無功型控制器是智能化的，有很強的適應能力，能兼顧線路的穩定性及檢測及補償效果，并能對補償裝置進行完善的保護及檢測，這類控制器一般都具有以下功能:

四象限操作、自動、手動切換、自識別各路電容器組的功率、根據負載自動調節切換時間、諧波過壓報警及保護、線路諧振報警、過電壓保護、線路低電流報警、電壓、電流畸變率測量、顯示電容器功率、顯示cosΦ、U、I、S、P、Q及頻率。

由以上功能就可以看出其控制功能的完備，由于是無功型的控制器，也就將補償裝置的效果發揮得淋漓盡致。如線路在重負荷時，那怕cosΦ已達到0.99(滯后)，只要再投一組電容器不發生過補，也還會再投入一組電容器，使補償效果達到最佳的狀態。采用DSP芯片的控制器，運算速度大幅度提高，使得傅里葉變換得到實現。

6 應用實例

在此以瀝青廠部分配電生產設備為例談一下功率補償方式，此廠250KVA變壓器組所帶動最大負荷約240KW其中異步電動機206.5KW，生活用電負荷約30KW，日常生產一班運轉，電機多為穩定運行，少部分帶有變頻裝置需調速運行。

此廠選用的是將移相電容器成組裝設在車間配電室的低壓母線上，它安裝在變電所低壓配電室內，安裝簡單、利用率較高、運行維護方便，有利于低壓移相電容器的安全穩定運行。

當生產過程開始后，無功功率多為異步電機產生，其中后部上料電機11KW、皮帶電機15KW、，滾筒電機30KW、熱提電機15KW、振篩電機10KW、引風電機40KW、以及各種小電機8KW均為負荷相對穩定運行;攪拌電機70KW、下油油泵電機7.5KW為變動負荷運行。其中穩定負荷運行的異步電機額定功率共129KW占總額定功率的62.47%，并且負載變化的異步電機其變化程度僅為其額定負載的30%左右，總的來看此廠日常生產所產生的無功功率是相對穩定的，所以此廠采用了電容延時投切的控制方式，既節約了成本又能達到補償無功功率的目的。

由于此廠的總負荷功率比較小，所以采用功率因數型補償控制器，當功率因數大于0.95的時候停止補償，此時無功功率不超過12.5Kvar，既節約了成本又達到了功率補償的目的。