新聞主題	提高發電機功率因素的方法和意義

 

摘要：柴油發電機組的功率因數（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。發電機功率因數越高，電能的利用率越高。當功率因數最高為1時，表示相位差為零，全部電能都被負載所利用；當功率因數最低為0時，表示相位差為90°，全部電能都消耗在線路上，一點也沒被負載所利用。因此，應當盡量提高發電機的功率因素，康明斯在本文中著重講述了功率因素與相位之間的關系，以及提高發電機功率的方法。

 

一、發電機功率因素與相位關系

 

1、發電機功率因素的概述

      多數發電機的功率因數為0.8，個別的功率因數可達0.85或0.9，示意圖如圖1所示。一般情況下，功率因數由額定值到1.0的范圍內變化時，發電機的出力可以保持不變，但為保持系統的靜態穩定，要求功率因數不能超過0.95，也就是無功負荷不得小于有功負荷的1/3。當發電機的功率因數低于額定值時，由于轉子電流增大，會使轉子溫度升高，此時，應調整負荷，降低發電機的出力。否則，轉子溫度可能超出極限值。所以，運行時值班人員必須注意調整負荷，使轉于電流不超過在該冷卻空氣進口溫度下的允許值。一般功率因數都是0.8-0.9左右！這個要根據這臺柴油發電機組所規定的功率因數參數和發電機的要求。如果是調峰柴油發電機組，可能白天和晚夜就不一樣的。

    由Q=UIsinΦ和P=UIcosΦ知，若柴油發電機組發出的無功越多，功率因數就是減小，在發電機輸出功率不變的情況下，機端的電壓會升高。無功越多，勵磁電流就會增大，柴油發電機組的定、轉子溫度會有所升高，過高的話，兩者的絕緣可能也會受到威脅呢.反之，如果功率因數過高，柴油發電機組所發的無功功率就是很少啦！機端電壓也會降低，就會降低運行的穩定性很容易失步或有可能會造成柴油發電機組進相運行。

    所以柴油發電機組運行時，注意機端電壓在規定值和保證柴油發電機組不進相運行就可以了。

    為了保證柴油發電機組的穩定運行，發電機的功率因數一般不應超過遲相0.95運行，或無功負荷應不小于有功負荷的1/3。在發電機自動調整勵磁裝置投入運行的情況下，必要時發電機可以在功率因數為1.0的情況下短時運行，長時間運行會引起發電機的振蕩和失步。目前大柴油發電機組基本上不允許進相運行，有的大柴油發電機組正在進行進相試驗，運行人員應根據本柴油發電機組的情況及時調整。當功率因數低于額定值時，發電機出力應降低，因為功率因數越低，定子電流中的無功分量越大，轉子電流也必然增大，這會引起轉子電流超過額定值而使其繞組發生過熱現象，試驗證明，當功率因素等于0.7時，發電機的出力將減少8%。因此發電機在運行中，若其功率因數低于額定值時，值班人員必須及時調整，使出力盡量帶到允許值，而轉子電流不得超過額定值。

2、同步發電機的功率角與相位關系

（1）發電機電壓和電流的初相位

      三相交流同步發電機帶載運行時，其電壓和電流的初相位相同時，此時相位差θ角度為0，功率因數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，此時發電機輸出的電能全部做有用功，線路中沒有無功損耗，是最理想的節能工作狀況，不過對發電機供電來說功率因數過高會造成線路中無功裕量過低，會影響系統的穩定性。

（2）電流相位滯后電壓相位

      在發電機的工作電流相位滯后電壓相位一個θ角度時，這個功率因數角為負值，功率因數cosθ＜1，對于負載來說是具有吸收感性的無功功率，功率因數是滯后的，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載都是呈現感性的負載，此時發電機輸出的電能一部分做有用功，一部分做無用功，這是最常見的電路狀況。

（3）電流相位超前電壓相位

      在發電機的工作電流相位超前電壓相位一個θ角度時，這個功率因數角為正值，功率因數cosθ＜1，對于負載來說是有發出容性的無功功率，功率因數是超前的，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θ角度，B相和C相的情況與A相同理，此時發電機輸出的電能做有用功，吸收無用功。

 

發電機功率因素示意圖	發電機電壓與電流初始角相同時波形圖
發電機滯后電壓初始角波形圖	發電機超前電壓初始角波形圖

 

二、功率因素對發電機的影響

 

     在滿負荷的情況下，功率因數對發電機的影響主要體現在其穩定性、效率和壽命上。因此，為了保持發電機的正常運行和效率，需要保持合理的功率因數，并定期進行維修保養。

1、功率因數過高

      當功率因數過高，即無功功率過低時，會減少系統的無功裕量，影響發電機的穩態穩定性。

      雖然提高了經濟性，但從長遠來看，這是以增加事故的概率換來的，一旦有突發事故發生，發電機可能經受不起小的擾動或震蕩，有可能失步。

      此外，無功過低將引起發電機端電壓下降，影響發電機的正常工作，甚至可能導致整個系統失去穩定運行而崩潰。發電機進相運行時，端部容易發熱。

2、功率因數過低

      當功率因數過低時，即無功功率過高，會導致勵磁電流上升，轉子繞組溫度上升，縮短其壽命。

      當功率因數低于額定值時，發電機出力應降低，因為功率因數愈低，定子電流的無功分量越大，由于感性無功起去磁作用，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子電流，此時若仍維持發電機出力不變，則必然會使轉子電流超過額定值，引起轉子溫度超過允許值。

      同時，這會增加電力傳輸過程中的功率損耗，降低發電機的效率。此外，發電機端電壓可能上升，導致鐵芯內磁通密度增加和損耗增加，進而使鐵芯溫度上升。若功率因數過低，發電機的出力將受限，大大降低發電機的效率。

      所以在平時的運行監視中，操作人員要做到合理分配各柴油發電機組的有功、無功負荷。并要根據電壓來調整，電壓偏低要多發無功，電壓偏高要少發無功，通過調整有功和無功的比例，控制電壓和運行電流，確保發電機在安全、經濟的條件下運行。

   

三、提高發電機功率因素方法和意義

 

1、提升功率因素的方法

（1）增加感性負載

      感性負載是指電感器件所組成的負載，這種負載的特點是在發電機提供電力時產生磁場和暫態感應電流，所以可以提高功率因數。

（2）減少容性負載

      容性負載是指電容器件所組成的負載，這種負載的特點是在發電機提供電力時產生電場，并消耗電力，所以會降低功率因數。

（3）使用功率因數補償設備

      功率因數補償設備是一種能自動實現功率因數校正的設備，可以通過改變電容和電感將發電機的功率因數調整到一個合適的范圍內。

（4）改善電力質量

      改善電力質量是指采取一系列措施，保證柴油發電機組的穩定性和電能質量。可以采取的措施包括優化負載結構、保持電源穩定、控制電壓變化等。

2、功率因數提高的意義

（1）提高電網的穩定性和效率

      功率因數越高，電網的穩定性和效率也就越高。因為當功率因數低于0.9時，會對電網造成很大的負擔，甚至會引起電網的不穩定性和損耗。所以提高發電機功率因數可以減輕電網負荷，使電網運行平穩。

（2）減少電能損耗和成本

      當發電機的功率因數提高時，就可以減少電能損耗和成本，因為提高功率因數可以減少無功功率的損失，而無功功率是不會做功的功率。所以提高功率因數可以減少電能的浪費，節省成本。例如：當cosØ=0.5時的損耗是cosØ=1時的4倍。

（3）改善電力質量。

      低功率因數可能導致電壓波動和電流諧波，影響電力系統的穩定性和質量。通過提高功率因數，可以減小電壓和電流的波形畸變，使電力系統的運行更加平穩、可靠。

（4）降低能源傳輸過程中的損耗

      在能源傳輸過程中，功率因數的低值會導致更大的電流流動，增加輸電線路，降低傳輸效率。提高功率因數可以減少電流流動，降低線損，提高傳輸效率，有助于降低發電的運營成本，促進可持續發展。

（5）提升用電設備的利用率

      提高功率因數相當于提升了用電設備的利用率，提高設備工作效率。因發電機的發電容量的限定，故提高cosØ也就使發電機能多出有功功率。

（6）增加供電量裕度

      通過改善功率因數，可以減少供電系統中的電壓損失，使負載電壓更穩定，改善電能的質量。

 

總結：

      發電機功率因數的提高可以提高電網的穩定性和效率，減少電能損耗和成本。為了提高功率因數可以采取多種措施，包括增加感性負載、減少容性負載、使用功率因數校正設備和改善電力質量等。在實際生產和使用中，需要根據實際情況來選擇最合適的辦法。

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