电气自动化毕业论文提高功率因数的必要性及其.doc

1、山西师范大学毕业设计提高功率因数的必要性及其方法姓 名 院 系 工程学院机电系 专 业 电气自动化 班 级 机电 0902 学 号 0930070120 指导教师 贾新发 答辩日期 二 O 一二年六月二号 成 绩 二一二年五月I内容提要根据功率因数的特性，论文描述了低功率因数产生的主要原因，励磁电流，感应电动机、气体放电灯和修理过的电动机的使用都可降低功率因数。阐述了功率因数与经济效益的关系。分析了提高功率因数对降低生产成本、改善设备的利用率，减少线路的压降和提高电力网的传输能力、增加经济效益的重大意义。研究和分析得出了提高自然功率因数的方法和提高功率因数的人工补偿方法，人工补偿方法可分为应用

2、移相电容器、采用同步电动机和采用同步调相机三种方法,同时人工补偿装置又可分为同步补偿和静止补偿。II目 录一 引言 .11.1 研究背景 .11.2 本课题的研究内容 .1二 低功率因数产生的主要原因 .22.1 电力网络的功率因数 .22.2 低功率因数产生的主要原因 .22.2.1 励磁电流的影响 .22.2.2 感应电动机的使用 .22.2.3 修理过的电动机的使用 .3三 提高功率因数的必要性及其方法 .33.1 提高功率因数的必要性 .33.1.1 能够减少投资、改善设备的利用率 .33.1.2 可以减少线路压降、改善电压质量 .43.1.3 能够提高电力网的传输能力、增加经济效益

3、.43.2 提高功率因数的方法 .43.2.1 提高自然功率因数的方法 .53.2.2 提高功率因数的补偿方法 .7结论 .10参考文献 .11致谢 .111一 引言1.1 研究背景随着经济的日益发展, 电力需求不断提高, 伴随而来的突出问题是能源无效的巨大消耗, 资源利用率低下。电力系统是一庞大的系统, 其电能损耗的数值相当可观, 能源的合理配置是极需解决的问题。功率因数是决定发、供电系统经济效益的一个极为重要的因素, 它直接反映了系统中有功功率与无功功率的分配。对于发、供电系统来说, 对负荷不但要求有高的负荷率, 而且也要求有高的功率因数。在供电系统中，绝大多数用电设备都具有电感的特性（诸

4、如：感应电动机、电力变压器，电焊机等） 。这些设备不仅需要从电力系统吸收有功功率，还要吸收无功功率以提供这些设备正常工作所需要的交变磁场。然而在输送有功功率一定的情况下，无功功率增大，就会降低供电系统的功率因数。因此，功率因数是衡量供电系统电能利用程度及电气设备使用状况的一个具有代表性的重要指标，而如何改善功率因数是要探讨的课题。1.2 课题的研究内容本论文首先分析了低功率因数产生的主要原因。在此基础上，着重研究和分析得出了提高自然功率因数的方法和提高功率因数的人工补偿方法，根据不同的情况应采取相应的措施。最后分析讨论了提高功率因数对电网系统的必要性，如提高功率因数可减少投资、改善设备的利用率

5、，减少线路的压降和提高电力网的传输能力、增加经济效益等重大意义。提高功率因数对能源的有效利用和人类的可持续发展起到了促进作用。2二 低功率因数产生的主要原因2.1 电力网络的功率因数电力网络除了要负担用电负荷的有功功率 ，还要负担负荷的无功功率 、PQ有功功率 、无功功率 和视在功率 之间存在下述关系：PQS（1）2而 与 之比即:S（2）cosPS被定义为电力网络的功率因数，其物理意义是线路的视在功率 供给有功功率S的消耗所占百分数。在电力网的运行中，电源供给负载的总功率中，由于存在着有功功率做功，无功功率不做功，在相同数值的视在功率的情况下，如果做功越多，表明有功功率占的比重就越大，能量利

6、用率就越高。我们所希望的是功率因数越大越好，如能做到这一点，则电路中的视在功率将大部分用来供给有功功率，以减少无功功率的消耗。2.2 低功率因数产生的主要原因2.2.1 励磁电流的影响磁通的交链、互感是变压器原边、副边传递功率的原理。空载变压器原边线圈在接通电源电压时，流入的电流是励磁电流也叫激磁电流，这个电流的大小与漏磁、线圈直流电阻成正比。如果忽略这两个因素，则，励磁电流为0。但是由于实际线圈电阻很小，漏磁也很小，04.mEUfN但不为0，因此， 稍大于 ，这个差值就造成了励磁电流不为0。E变压器都带有励磁电流，它对于感应电势来说，总是滞后的。在正常情况下，励磁电流不致影响功率因数，但当轻

7、负荷运行时(如一个居民区的配电变压器在夜间主要供应照明负荷，因此，半夜以后照明负荷急剧减少，配电变压器就进入轻负荷),原端功率因数就降低。2.2.2 感应电动机的使用三相异步电动机接入三相交流电源时，三相定子绕组流过三相对称电流产3生的三相磁动势并产生旋转磁场。该旋转磁场与转子导体有相对切割运动，根据电磁感应原理，转子导体产生感应电动势并产生感应电流。而载流的转子导体在磁场中受到电磁力的作用，形成电磁转矩，驱动转子旋转，当电动机轴上带机械负载时，便向为输出机械能。但感应电动机的功率因数滞后，轻载功率因数低，调速性能稍差。大量使用感应电动机也会造成系统功率因数降低,因为不可能所有的电动机都在满负

8、荷运行,当电动机满负荷运行时,功率因数可达到85%；当电动机在75% 额定负荷运行时，功率因数为0.8，而当电动机在50%额定负荷运行时，功率因数为0.7；若电动机空载运行，则功率因数为0.2 - 0.3可见，大量使用电动机而这些电动机又不能全部都满负荷运行时，系统的功率因数必然降低。2.2.3 修理过的电动机的使用由于在用户中不可避免地大量使用着修理过的电动机，这些修理过的电动机，通常其定子绕组匝数少于原来的匝数，因此，这些电动机中漏磁通增加。漏磁通是无用磁通，不能转化为输出能量，漏磁通通过线圈（线圈本身是有电感、电抗和电容的）时就产生了电抗，这个电抗是漏电抗。而漏电抗是串联在电路里的，因此

9、其增大会造成电动机功率因数降低。三 提高功率因数的必要性及其方法3.1 提高功率因数的必要性3.1.1 能够减少投资、改善设备的利用率功率因数可以表示成下述形式(3)cos3PSUI可见，在一定的电压和电流下，提高 ，其输出的有功功率就越大，因cos此，改善功率因数是充分发挥设备潜力、提高设备利用率的有效方法。43.1.2 可以减少线路压降、改善电压质量电力网的电压损失可借下式求出,线路电压降为:(4)PRQXU这里， 是线路有功负荷； 是线路无功负荷； 与 分别是线路电阻与PRX电抗； 是线路供电电压。如果采用容抗为 的电容来补偿，则电压损失为:UC(5)()故采用补偿电容提高功率因数后，电

10、压损失减小，改善了电压质量。再由(4) 或(5)可知，无功负荷越小，则线路电压降就越小。3.1.3 能够提高电力网的传输能力、增加经济效益由于视在功率与有功功率成以下关系 (6)cosPS(7)2 2in1cosQ当传送有功功率一定的条件下， 越高，所需视在功率就越小。cos而当有功负荷一定时，若功率因数越大，则由(7)可知，无功负荷就越小，充分发挥了发、供电设备的生产能力，提高了经济效益。在二端网络中，提高用电器的功率因数可减少输电线路上的功率损失；能充分发挥电力设备(变压器、电动机等)的潜力。提高电网的功率因数对国民经济的发展有着极其重要的意义。功率因数的提高，能使发电设备的容量得到充分利

11、用，同时也能使电能得到大量节约。3.2 提高功率因数的方法提高功率因数的途径主要在于如何减少电力系统中各个部分所需的无功功率, 特别是减少负荷取用的无功功率, 使电力系统在输送一定的有功功率时, 可降低其中通过的无功电流。提高功率因数，最常用的方法就是与电感性负载并联静电电容器（设置在5用户或变电所中） ，其电路图和相量图如下图所示。（a） （b）图 1 电容器与电感性负载并联以提高功率因数（a ）电路图 （b）相量图并联电容器以后，电感性负载的电流 和功率因数12LUIRX均未变化，这是因为所加电压和负载参数没有改变。但电12cosLRX压和线路电流 之间的相位差 变小了，即 变大了。uic

12、os在电感性负载上并联了电容器以后，减少了电源与负载之间的能量互换。这时电感性负载所需的无功功率，大部分或全部都是就地供给（有电容器供给） ，就是说能量的互换现在主要或完全发生在电感性负载与电容器之间，因而使发动机容量得到充分利用。其次，由相量图可见，并联电容器以后线路电流也减少了（电流相量相加） ，因而减小了功率损耗。3.2.1 提高自然功率因数的方法提高自然功率因数，就是不添置任何补偿装置，采取措施来减少供电系统中无功功率的需要量。它不需增加投资，是最经济的提高功率因数的方法。在不进行任何人工补偿之前，首先从提高自然功率因数着手，能收到既节电又减少开支的效果。其主要有：C1iciR+ L_

13、iu 1c.I.U1.I.I61 正确选用异步电动机的型号与容量。据有关资料介绍, 我国中小型异步电动机的用电负荷约占电网总负荷的80% 以上, 几个主要电网中, 电动机所耗能占整个工业用电量的60%-68% 左右。因此做好电动机的降损节能具有十分重要的经济意义。正确选用异步电动机, 使其额定容量与所带负载相配合, 对于改善功率因数是十分重要的。在选型方面, 要注意选用节能型, 淘汰高能耗的电动机,并依据电机机械工作对启动力矩、启动次数、调速等方面的具体要求, 选用不同的型号。电动机的效率 与功率因数 是反映电动机经济运行水平的主要标,都与负载率 有密切关系。GB/ T cos 12497-

14、90 对三相异步电机三个运行区域规定如下:当负载率 在70% - 100% 之间时, 为经济运行区；当40% 70% 时, 为一般运行区；当 40% 时, 为非经济运行区。2 根据负荷选用相匹配的变压器。电力变压器一次侧功率因数不但与负荷的功率因数有关, 而且与负荷率有关,若变压器满载运行, 一次侧功率因数仅比二次侧降低约3 - 5%；若变压器轻载运行, 当负荷小于0.6时, 一次侧功率因数就显著下降, 下降达11 - 18%, 所以电力变压器的负荷率在0.6以上运行时才较经济, 一般应在60% - 70% 比较合适。为了充分利用设备和提高功率因数, 电力变压器一般不宜作轻载运行。当电力变压器

15、负荷率小于30%时, 应当更换成容量较小的变压器。根据变压器的最佳负载系数合理选用变压器，将变压器进行更换及调整，在负载小的时候切除部分变压器，这样可以减少无功功率的需求量，使自然功率因数得到提高。3 合理安排和调整工艺流程。合理安排和调整工艺流程, 改善电机设备的运行状态, 限制电焊机和机床电动机的空载运行。例如可采用空载自动延时断电置流程等。电动机、变压器等电感性负载，励磁无功功率在满载和轻载时变化不大，而轻载时有功功率较小，所以功率因数较低。此时，可采用小容量电动机代替负荷不足的大容量电动机，或将电动机的定子绕组由形改接成Y形，减少无功功率，还应限制感应电动机空载运行。对于单台使用的轻负载感应电动机的降压措施，是采用调整内部接线的办法。这种办法目前采用得很广泛，其中最简易可行的是将电动机的定子线圈由