新聞主題	柴油發電機功率因數的公式和名詞解釋

 

摘要：功率因數是衡量發電機效率高低的一個系數，通常以cosθ或cosΦ（cosφ）來進行表達式。發電機功率因素的大小與電路的負荷性質有關，如用電設備中的照明類、電阻爐等電阻負荷的功率因數為1，而類似于電動機、空壓機、空調等具有電感性負載的電路功率因數都小于1。功率因數低，說明無功功率大，從而降低了設備的利用率，增加了線路供電損失。康明斯公司發現很多業內技術員仍然對一些概念存有誤解，這為柴油發電機組的前期設計帶來諸多危害，有必要在此再加以澄清。

 

一、功率因數的由來和含義

 

      在電氣領域的負載有電阻、電容和電感3個形式。電阻是消耗功率的器件，電容和電感是儲存功率的器件。日常所用的交流電在純電阻負載上的電壓和電流是同相位的，即相位差q=0°；交流電在純電容負載上的電壓和電流關系是電流超前電壓90°（q=90°）；交流電在純電感負載上的電壓和電流關系是電流滯后電壓90°（q=-90°）。

      由圖1發電機功率關系圖可知，功率因數的定義是：

功率因素F=有功功率P/視在功率S=cosθ

      在電阻負載上的有功功率就是視在功率，即二者相等，所以功率因數φ=1。而在純電容和純電感負載上的電流和電壓相位差90°，所以功率因數φ=cosθ=cos90°=0，即在純電容和純電感負載上的有功功率為零，如圖2所示。

      從這里可以看出一個問題，同樣是一個電源，對于不同性質的負載其輸出的功率的大小和性質也不同，因此可以說負載的性質決定著電源的輸出。換言之，電源的輸出不取決于電源的本身，就像一座水塔的供水水流取決于水龍頭的開啟程度。

      從上面的討論可以看出，功率因數是表征負載性質和大小的一個參數。而且一般說一個負載只有一種性質，就像一個人只有一個身份證號碼一樣。這種性質的確定是從負載的輸入端看進去，稱為負載的輸入功率因數。一個負載電路完成了，它的輸入功率因數也就定了。

      比如UPS作為發電機的負載而言，比如六脈沖整流輸入的UPS，其輸入功率因數就是0.8，不論前面是市電電網還是發電機，比如要求輸入100kVA的視在功率，都需要向前面的電源索取80kW的有功功率和60kvar的無功功率。如果UPS的輸入功率因數是0.6，就需要向前面的電源索取60kW的有功功率和80kvar的無功功率。像這樣的輸出分配，前面電源是“無權”決定的。

 

圖1  功率因素關系圖與計算公式

圖2  發電機功率因素示例圖

 

 

二、發電機功率因素的確定

 

      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。

      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。一般地，功率因數都是0.8-0.9左右吧！這個要根據這臺柴油發電機組所規定的功率因數參數和電網的要求。

 

圖3  發電機功率因素負載關系曲線圖

發電機功率因素空載關系特性曲線

 

三、功率的影響因素

 

1、無功功率的影響

      功率因素與有功功率、無功功率的關系如圖5所示。由Q=UIsinΦ和P=UIcosΦ公式可得知，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行運行，所以柴油發電機組運行時，注意機端電壓在規定值，異常就需要進行調節（如圖6所示），調節到保證柴油發電機組不進相運行就可以了。

2、發電機功率因素限值

      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。

3、功率因數的影響

     功率因數過高或過低對發電機運行有影響，主要是指在滿負荷的情況下。

（1）當有功負荷滿發時，cosφ過高即無功過低，減少系統的無功裕量，會影響發電機的穩定性。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。

（2）無功過低將引起發電機端電壓下降，使電動機受影響。電動機吸取的電流上升，而使電壓更低，形成惡性循環，可能導致整個系統失去穩定運行而崩潰。

（3）功率因素過高還會增加發電機進相運行的機會，使發動機端部容易發熱。

（4）功率因素過低即無功過高，勵磁電流上升，轉子繞組溫度上升，壽命縮短。

（5）功率因素過低使得發電機端電壓上升，鐵芯內磁通密度增加，損耗也增加，鐵芯溫度上升。

（6）當發電機在額定負荷下運行時，功率因素過低，發動機的勵磁電流、定子電流增加，將使設備發熱，增加了設備老化、開關跳閘等機會。

 

圖5  發電機功率因素與有功、無功功率關系圖

圖6  發電機無功功率調節示意圖

 

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