新聞主題	柴油發(fā)電機(jī)功率因數(shù)的公式和名詞解釋

 

摘要：功率因數(shù)是衡量發(fā)電機(jī)效率高低的一個(gè)系數(shù)，通常以cosθ或cosΦ（cosφ）來(lái)進(jìn)行表達(dá)式。發(fā)電機(jī)功率因素的大小與電路的負(fù)荷性質(zhì)有關(guān)，如用電設(shè)備中的照明類、電阻爐等電阻負(fù)荷的功率因數(shù)為1，而類似于電動(dòng)機(jī)、空壓機(jī)、空調(diào)等具有電感性負(fù)載的電路功率因數(shù)都小于1。功率因數(shù)低，說(shuō)明無(wú)功功率大，從而降低了設(shè)備的利用率，增加了線路供電損失。康明斯公司發(fā)現(xiàn)很多業(yè)內(nèi)技術(shù)員仍然對(duì)一些概念存有誤解，這為柴油發(fā)電機(jī)組的前期設(shè)計(jì)帶來(lái)諸多危害，有必要在此再加以澄清。

 

一、功率因數(shù)的由來(lái)和含義

 

      在電氣領(lǐng)域的負(fù)載有電阻、電容和電感3個(gè)形式。電阻是消耗功率的器件，電容和電感是儲(chǔ)存功率的器件。日常所用的交流電在純電阻負(fù)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(fù)載上的電壓和電流關(guān)系是電流超前電壓90°（q=90°）；交流電在純電感負(fù)載上的電壓和電流關(guān)系是電流滯后電壓90°（q=-90°）。

      由圖1發(fā)電機(jī)功率關(guān)系圖可知，功率因數(shù)的定義是：

功率因素F=有功功率P/視在功率S=cosθ

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

      從這里可以看出一個(gè)問(wèn)題，同樣是一個(gè)電源，對(duì)于不同性質(zhì)的負(fù)載其輸出的功率的大小和性質(zhì)也不同，因此可以說(shuō)負(fù)載的性質(zhì)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(kāi)啟程度。

      從上面的討論可以看出，功率因數(shù)是表征負(fù)載性質(zhì)和大小的一個(gè)參數(shù)。而且一般說(shuō)一個(gè)負(fù)載只有一種性質(zhì)，就像一個(gè)人只有一個(gè)身份證號(hào)碼一樣。這種性質(zhì)的確定是從負(fù)載的輸入端看進(jìn)去，稱為負(fù)載的輸入功率因數(shù)。一個(gè)負(fù)載電路完成了，它的輸入功率因數(shù)也就定了。

      比如UPS作為發(fā)電機(jī)的負(fù)載而言，比如六脈沖整流輸入的UPS，其輸入功率因數(shù)就是0.8，不論前面是市電電網(wǎng)還是發(fā)電機(jī)，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(wú)功功率。如果UPS的輸入功率因數(shù)是0.6，就需要向前面的電源索取60kW的有功功率和80kvar的無(wú)功功率。像這樣的輸出分配，前面電源是“無(wú)權(quán)”決定的。

 

圖1  功率因素關(guān)系圖與計(jì)算公式

圖2  發(fā)電機(jī)功率因素示例圖

 

 

二、發(fā)電機(jī)功率因素的確定

 

      多數(shù)發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)為0.8，個(gè)別的功率因數(shù)可達(dá)0.85或0.9。

      一般情況下，功率因數(shù)由額定值到1.0的范圍內(nèi)變化時(shí)，發(fā)電機(jī)的出力可以保持不變，但為保持系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定，要求功率因數(shù)不能超過(guò)0.95，也就是無(wú)功負(fù)荷不得小于有功負(fù)荷的1/3。當(dāng)發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)低于額定值時(shí)，由于轉(zhuǎn)子電流增大，會(huì)使轉(zhuǎn)子溫度升高，此時(shí)，應(yīng)調(diào)整負(fù)荷，降低發(fā)電機(jī)的出力。否則，轉(zhuǎn)子溫度可能超出極限值。所以，運(yùn)行時(shí)值班人員必須注意調(diào)整負(fù)荷，使轉(zhuǎn)于電流不超過(guò)在該冷卻空氣進(jìn)口溫度下的允許值。一般地，功率因數(shù)都是0.8-0.9左右吧！這個(gè)要根據(jù)這臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組所規(guī)定的功率因數(shù)參數(shù)和電網(wǎng)的要求。

 

圖3  發(fā)電機(jī)功率因素負(fù)載關(guān)系曲線圖

發(fā)電機(jī)功率因素空載關(guān)系特性曲線

 

三、功率的影響因素

 

1、無(wú)功功率的影響

      功率因素與有功功率、無(wú)功功率的關(guān)系如圖5所示。由Q=UIsinΦ和P=UIcosΦ公式可得知，若柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)出的無(wú)功越多，功率因數(shù)就是減小，在發(fā)電機(jī)輸出功率不變的情況下，機(jī)端的電壓會(huì)升高。無(wú)功越多，勵(lì)磁電流就會(huì)增大，柴油發(fā)電機(jī)組的定、轉(zhuǎn)子溫度會(huì)有所升高，過(guò)高的話，兩者的絕緣可能也會(huì)受到威脅呢。反之，如果功率因數(shù)過(guò)高，，柴油發(fā)電機(jī)組所發(fā)的無(wú)功功率就是很少啦！機(jī)端電壓也會(huì)降低，就會(huì)降低運(yùn)行的穩(wěn)定性很容易失步或有可能會(huì)造成柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行運(yùn)行，所以柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)，注意機(jī)端電壓在規(guī)定值，異常就需要進(jìn)行調(diào)節(jié)（如圖6所示），調(diào)節(jié)到保證柴油發(fā)電機(jī)組不進(jìn)相運(yùn)行就可以了。

2、發(fā)電機(jī)功率因素限值

      為了保證柴油發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)一般不應(yīng)超過(guò)遲相0.95運(yùn)行，或無(wú)功負(fù)荷應(yīng)不小于有功負(fù)荷的1/3。在發(fā)電機(jī)自動(dòng)調(diào)整勵(lì)磁裝置投入運(yùn)行的情況下，必要時(shí)發(fā)電機(jī)可以在功率因數(shù)為1.0的情況下短時(shí)運(yùn)行，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)引起發(fā)電機(jī)的振蕩和失步。目前大柴油發(fā)電機(jī)組基本上不允許進(jìn)相運(yùn)行，有的大柴油發(fā)電機(jī)組正在進(jìn)行進(jìn)相試驗(yàn)，運(yùn)行人員應(yīng)根據(jù)本柴油發(fā)電機(jī)組的情況及時(shí)調(diào)整。當(dāng)功率因數(shù)低于額定值時(shí)，發(fā)電機(jī)出力應(yīng)降低，因?yàn)楣β室驍?shù)越低，定子電流中的無(wú)功分量越大，轉(zhuǎn)子電流也必然增大，這會(huì)引起轉(zhuǎn)子電流超過(guò)額定值而使其繞組發(fā)生過(guò)熱現(xiàn)象，試驗(yàn)證明，當(dāng)功率因素等于0.7時(shí)，發(fā)電機(jī)的出力將減少8%。因此發(fā)電機(jī)在運(yùn)行中，若其功率因數(shù)低于額定值時(shí)，值班人員必須及時(shí)調(diào)整，使出力盡量帶到允許值，而轉(zhuǎn)子電流不得超過(guò)額定值。

3、功率因數(shù)的影響

     功率因數(shù)過(guò)高或過(guò)低對(duì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行有影響，主要是指在滿負(fù)荷的情況下。

（1）當(dāng)有功負(fù)荷滿發(fā)時(shí)，cosφ過(guò)高即無(wú)功過(guò)低，減少系統(tǒng)的無(wú)功裕量，會(huì)影響發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定性。雖然提高了經(jīng)濟(jì)性，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這是以增加事故的概率換來(lái)的，一旦有突發(fā)事故發(fā)生，發(fā)電機(jī)可能經(jīng)受不起小的擾動(dòng)或震蕩，有可能失步。

（2）無(wú)功過(guò)低將引起發(fā)電機(jī)端電壓下降，使電動(dòng)機(jī)受影響。電動(dòng)機(jī)吸取的電流上升，而使電壓更低，形成惡性循環(huán)，可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)失去穩(wěn)定運(yùn)行而崩潰。

（3）功率因素過(guò)高還會(huì)增加發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行的機(jī)會(huì)，使發(fā)動(dòng)機(jī)端部容易發(fā)熱。

（4）功率因素過(guò)低即無(wú)功過(guò)高，勵(lì)磁電流上升，轉(zhuǎn)子繞組溫度上升，壽命縮短。

（5）功率因素過(guò)低使得發(fā)電機(jī)端電壓上升，鐵芯內(nèi)磁通密度增加，損耗也增加，鐵芯溫度上升。

（6）當(dāng)發(fā)電機(jī)在額定負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，功率因素過(guò)低，發(fā)動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流、定子電流增加，將使設(shè)備發(fā)熱，增加了設(shè)備老化、開(kāi)關(guān)跳閘等機(jī)會(huì)。

 

圖5  發(fā)電機(jī)功率因素與有功、無(wú)功功率關(guān)系圖

圖6  發(fā)電機(jī)無(wú)功功率調(diào)節(jié)示意圖

 

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