1 前言
        在交流電路中，由電源供給負載的電功率有兩種；一種是有功功率，一種是無功功率,有功功率是保持用電設(shè)備正常運行所需的電功率，也就是將電能轉(zhuǎn)換為其他形式能量(如機械能、光能、熱能)的電功率; 無功功率比較抽象，它是用于電路內(nèi)電場與磁場的交換，并用來在電氣設(shè)備中建立和維持磁場的電功率。它不對外做功，而是轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰?功率因數(shù)是指電力網(wǎng)中線路的視在功率供給有功功率的消耗所占百分數(shù)。在供配電系統(tǒng)中，希望是功率因數(shù)越大越好，即電路中的視在功率將大部分用來供給有功功率，以減少無功功率的消耗。負載功率因數(shù)的高低，對于電力系統(tǒng)供配電設(shè)備的充分利用，有著顯著的影響。適當(dāng)提高負載的功率因數(shù)，不但可以充分的發(fā)揮供配電設(shè)備的生產(chǎn)能力、減少線路損失、改善電壓質(zhì)量，進而可以提高供配電設(shè)備的工作效率和工業(yè)企業(yè)本身節(jié)電能力。
         2 車間狀況及提高功率因數(shù)的主要方式
         我車間是氧化鋁燒結(jié)法主體車間，主要擔(dān)負熟料溶出、粗液分離、脫硅以及沉降和赤泥外排工作，全車間共計主要變配電室8個，變壓器20臺，總?cè)萘?5500KVA，主要包括6KV、355KW高壓電動機4臺，3KV、400KW同步電動機4臺，210KW繞線式異步電動機6臺，55KW-220KW籠式電動機180余臺，各種電氣設(shè)備種類繁多，結(jié)構(gòu)功能各異。根據(jù)調(diào)查并對大中型工業(yè)企業(yè)用電情況的分析，企業(yè)無功功率的消耗的一般情況是：感應(yīng)電動機約占65-70%，變壓器（包括整流變壓器、電爐變壓器等）約占20-25%，其他（包括網(wǎng)絡(luò)、電抗器、感應(yīng)型電氣及儀表等）約占10%。為降低無功功率損耗以提高功率因數(shù)，我車間根據(jù)本身供配電系統(tǒng)的特點及電氣設(shè)備的類型，主要采用三種方法：
         a、現(xiàn)有設(shè)備同步電動機補償無功功率，提高功率因數(shù)；
         b、提高自然功率因數(shù)；
         c、人工補償提高功率因數(shù)。
        3 提高功率因數(shù)的方法
        3.1同步電動機補償提高功率因數(shù)
        由電機原理知道，同步電動機消耗的有功功率取決于電動機上所帶機械負荷的大小，而無功取決于轉(zhuǎn)子中的勵磁電流大小，在欠勵狀態(tài)時，定子繞組向電網(wǎng)“吸取”無功；在過勵狀態(tài)時，定子繞組向電網(wǎng)“送出”無功。因此，只要調(diào)節(jié)電機的勵磁電流，使其處于過勵狀態(tài)，就可以使同步電機向電網(wǎng)“送出”無功功率，減少電網(wǎng)輸送給工業(yè)企業(yè)的無功功率，從而提高了工業(yè)企業(yè)的功率因數(shù)。同步電動機的補償能力q%，習(xí)慣上用該電機輸出的無功功率與其額定容量的比值來表示：
        q%=(Qcd/Se)×100
        式中Qcd：同步電動機的輸出無功功率（kvar）;
         Se: 同步電動機的額定容量（kva）;
         同步電動機的補償能力(q%)與同步電動機的負載率（B d）,激勵電流（I1）及其額定功率因數(shù)等有關(guān)。
        我車間4臺溶出磨電機為上海東方電機廠生產(chǎn)的同步電動機，電機型號為：TZ-215/32-32，額定容量為400KW，當(dāng)負載率B d=0.7，在功率因數(shù)cosφ=0.9（超前）運行，每臺同步機可輸出無功功率231.1Kvar；若4臺同時運行，可產(chǎn)生924.4 Kvar無功功率。
        當(dāng)同步電動機空載運行專門用作補償無功功率時，稱為同步調(diào)相機，它可無級的調(diào)節(jié)無功功率的數(shù)值，但有功損耗大，需專人維護，因而使用不普及。
        3.2提高自然功率因數(shù)
        提高自然功率因數(shù)是在不添置任何補償設(shè)備，采用降低各用電設(shè)備所需的無功功率，提高工礦企業(yè)功率因數(shù)的方法，它不需要增加投資，是最經(jīng)濟的提高功率因數(shù)的方法。下面就我車間對提高自然功率因數(shù)的措施作一些簡要的介紹。
        3.2.1合理選用電動機的型號、規(guī)格和容量，使其接近滿載運行。
        在選擇電動機時，既要注意它們的機械性能，又要考慮它們的電氣指標（功率因數(shù)、效率、防護等級等）。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(shù)就要防止電動機的空載運行并盡可能提高負載率.若電動機長期處于低負載下運行，既增大功率損耗，又使功率因數(shù)和效率都顯著惡化。故從節(jié)約電能和提高功率因數(shù)的觀點出發(fā)，必須正確的合理的選擇電動機的容量。我車間近年逐步淘汰一批性能差、空載能耗高的J0、JO2系列交流電動機、使用相應(yīng)功率Y系列交流電動機替代繞線式電動機、對負載率低于40-50%的電動機予以更換等措施對功率因數(shù)的提高產(chǎn)生積極的作用。
        3.2.2 提高異步電動機的檢修質(zhì)量
        嚴格按照電動機規(guī)定的技術(shù)指標和額定參數(shù)進行檢修，必須保持原有的性能數(shù)據(jù)及裝配精度，特別是異步電動機定子繞組匝數(shù)變動和電動機定、轉(zhuǎn)子間的氣隙變動時對異步電動機無功功率的大小有很大的影響。
        3.2.3合理選擇變壓器容量，改善變壓器的運行方式
        變壓器的空載無功功率占無功功率的80%左右，變壓器消耗無功的主要成份是它的空載無功功率，因而，為了改善電力系統(tǒng)和企業(yè)的功率因數(shù)，變壓器不應(yīng)空載運行或長其處于低負載運行狀態(tài).實際上往往由于變壓器容量和臺數(shù)選擇不當(dāng)，導(dǎo)致工業(yè)企業(yè)功率因數(shù)的下降。目前我國生產(chǎn)的電力變壓器，其最經(jīng)濟的負載率B 一般在0.35-0.65的范圍內(nèi)，對負載率小于30%的變壓器，在考慮供電安全的前提下，我車間一般采取“撤、換、并、停”等方法，使其負載率提高到最佳值；同時通過設(shè)備改造淘汰老型號如SJ7 系列變壓器，現(xiàn)有變壓器逐步由S7、S9、S11系列變壓器取代，特別是S11—M.R型三相油浸卷鐵芯電力變壓器，是一低噪聲、環(huán)保型、高效節(jié)能的電力變壓器，與傳統(tǒng)疊片型變壓器比較，S11卷鐵芯變壓器無需消耗接縫的磁化容量，磁路中無氣隙，大大減少了激磁電流，提高了功率因數(shù)，降低電網(wǎng)損耗，改善了電網(wǎng)的供電品質(zhì)。環(huán)型鐵芯充分利用了硅鋼片的取向性，鐵芯磁路由硅鋼片的晶粒取向完全—致，消除了因磁路與硅鋼片取向不一致所增加的損牦，可使損耗降低。S11型與S9型電力變壓器相比，空載電流平均下降 60％一80％，空載損耗平均下降20％～35％。
        3.2.4電磁開關(guān)無電壓運行
        工業(yè)企業(yè)低壓系統(tǒng)使用著大量各類電磁開關(guān)，如接觸器、繼電器等作為控制電動機及其他用電設(shè)備，該電磁開關(guān)的控制線圈為感性負載，既消耗電能又產(chǎn)生滯后的無功電流，影響企業(yè)功率因數(shù)的改善。我車間對容量在100A以上的接觸器全部改為CJK5或CJK11系列真空接觸器，其啟動和保持線圈分開；在經(jīng)濟允許的情況下可考慮采用如YDC1永磁式接觸器、繼電器，其具有高可靠性、長壽命，節(jié)電（傳統(tǒng)用電的5%）、無噪聲、無溫升，抗電網(wǎng)電壓波動能力強等特點，節(jié)約電能又減少無功電流的產(chǎn)生。
         3.2.5調(diào)整和改革生產(chǎn)工藝流程
         調(diào)整和改革生產(chǎn)工藝流程，使生產(chǎn)環(huán)節(jié)密切協(xié)調(diào)配合，改善電氣設(shè)備的運行方式，消除或限制感應(yīng)式電動機的空載運行。
        3.3人工補償提高功率因數(shù)
        功率因數(shù)是電力系統(tǒng)一項重要技術(shù)經(jīng)濟指標。當(dāng)工業(yè)企業(yè)僅僅依靠提高自然功率因數(shù)的辦法已經(jīng)不能滿足其對功率因數(shù)的要求時，工業(yè)企業(yè)自身需裝設(shè)補償裝置，對功率因數(shù)進行人工補償。人工無功補償應(yīng)采取就地平衡的原則，使電網(wǎng)任一時刻無功總出力(含無功補償)與無功總負荷(含無功總損耗)保持平衡。
         3.3.1、靜態(tài) 電容器補償
        當(dāng)企業(yè)感性負載比較多時，它們從供電系統(tǒng)吸取的無功是滯后（負值）功率，如果用一組電容器和感性負載并聯(lián)，電容需要的無功功率是引前（正值）功率，如果電容C選得合適，令QC+QL=0，這時企業(yè)已不需向供電系統(tǒng)吸取無功功率，功率因數(shù)為1。由于并聯(lián)電容器具有價格較便宜，有功損耗小，安裝及運行維護方便，故障范圍小等優(yōu)點，因此在工業(yè)企業(yè)10KV以下供電系統(tǒng)中被廣泛的使用，它的不足之處只能進行有級調(diào)節(jié)而不能隨著企業(yè)感性無功功率的變化進行無功調(diào)節(jié)。
        3.3.2 動態(tài)無功功率補償
         動態(tài)無功功率補償一般應(yīng)用于用電容量大、生產(chǎn)過程其負載急劇變化且具有重復(fù)沖擊性的大型鋼鐵企業(yè)。這種波動頻繁、急劇、幅值很大的動態(tài)無功功率，采用調(diào)相機或固定電容器進行補償已遠遠滿足不了要求，目前一般采用的新型動態(tài)無功功率補償設(shè)備是靜止無功補償器。它具有穩(wěn)定系統(tǒng)電壓、改善電網(wǎng)運行性能、動態(tài)補償反應(yīng)迅速、調(diào)節(jié)性能優(yōu)越等優(yōu)點。但最明顯的缺點是投資大、設(shè)備體積大、占地面積大.
        3.3.3人工補償?shù)姆绞胶芏?，按電容器安裝的地點主要有集中補償、分組補償、單獨補償?shù)取＞唧w分析如下：
         a、集中補償方式
         集中補償指電容器組直接裝設(shè)在企業(yè)總降壓變電站6-10KV側(cè)母線上，主要用于減少甚至抵消上級電網(wǎng)向本級電網(wǎng)的無功傳輸，通常采取調(diào)節(jié)運行方式，無功控制器將功率因數(shù)的實際值與給定值進行比較，然后發(fā)出指令，控制電容器支路的投切。其優(yōu)點是覆蓋范圍大，可以保證整個系統(tǒng)的功率因數(shù)值，但是這種方式也有缺點，主要表現(xiàn)在無功功率需要較長距離的傳輸，另外高壓接觸器需滿足頻繁操作的要求。
         b、分組補償方式
        分組補償指電容器組分設(shè)在功率因數(shù)較低的車間變電站的高壓側(cè)母線上，用以減少車間以上配電系統(tǒng)內(nèi)無功功率引起的損耗。
        c、單獨補償方式
        單獨補償指針對個別功率因數(shù)特別不好的大容量感應(yīng)電動機進行單獨補償。
        3.3.4我車間人工補償?shù)木唧w應(yīng)用。
        a、目前工業(yè)企業(yè)較普遍采用的一種無功補償方式是在配電變壓器380V側(cè)進行集中補償，通常采用微機控制的低壓并聯(lián)電容器柜，容量在幾十至幾百千乏不等，根據(jù)用戶負荷水平的波動投入相應(yīng)數(shù)量的電容器進行跟蹤補償。我車間于2001年11月，在55配安裝了長沙博迪電氣有限公司生產(chǎn)的智能型低壓無功補償裝置（南北段各安裝一臺），本裝置是根據(jù)55配南北兩段的負荷、功率因數(shù)等要求設(shè)計的；主要包括無功補償電力電容器、溫度傳感器、工業(yè)智能控制器、接觸器、可控硅無觸點開關(guān)、等部分。主要特點是在硬件設(shè)計上，采用工業(yè)級16位微處理器和寬溫型低功耗集成電路、液晶屏、串行E2PROM等，降低了系統(tǒng)功耗，保證了重要數(shù)據(jù)可靠存儲；增設(shè)了雙重“看門狗”結(jié)構(gòu)，避免出現(xiàn)“ 死機”情況；設(shè)計有數(shù)據(jù)通信接口，可根據(jù)軟件中不同的協(xié)議滿足不同的遠程通信要求。在軟件設(shè)計上，采用三段補償法對變送器的非線性進行軟件補償，以提高測量精度，同時用軟件實現(xiàn)電容器具投切的循環(huán)控制，以保證電容器具有相同的平無使用率，有效地延長了電容器的使用壽命。本裝置安裝至今使用良好，在功率因數(shù)補償前后，55配南北兩段電流變化較大，數(shù)據(jù)如下：

        自動補償裝置通常是根據(jù)功率因數(shù)來進行電容器的自動投切的，也有為了保證用戶電壓水平而以電壓為判據(jù)進行控制的。這種方案雖然有助于保證用戶的電能質(zhì)量，但對電力系統(tǒng)并不可取。因為雖然線路電壓的波動主要由無功量變化引起，但線路的電壓水平是由系統(tǒng)情況決定的。當(dāng)線路電壓基準偏高或偏低時，無功的投切量可能與實際需求相去甚遠，出現(xiàn)無功過補償或欠補償。
         b、《供電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》（GB50052-1995）指出，容量較大，負荷平穩(wěn)且經(jīng)常使用的用電設(shè)備無功負荷宜單獨就地補償。故對于企業(yè)和廠礦中的電動機，特別是 7.5kW及以上投運率高的電動機最好進行無功補償，自2003年11月份，68配現(xiàn)場電動機無功就地補償選用ＸＢＱ型補償器，其特點為損耗低、溫升低（產(chǎn)品內(nèi)部元件采用金屬化聚丙烯膜為電介質(zhì)，自身能量損耗極小，在額定條件下使用時，其損耗僅為0.2瓦/千乏，其箱殼溫度僅比環(huán)境溫度高出3-5℃）、有自愈功能，且自愈能力強，提高了產(chǎn)品的使用可靠性和壽命；自放電特性，斷開電源后3分鐘，剩余電壓降為50V以下；體積小，重量輕，安裝方便，維護簡單，投資少。補償器共計14臺，其中：泥漿泵110KW投用6臺，洗液泵132KW投用8臺，至今全部運行良好；其運行情況如下：

        為防止出現(xiàn)因過補而產(chǎn)生的諧振過電壓，燒毀電動機，應(yīng)將電動機空載時的功率因數(shù)補償?shù)浇咏?。因為電動機空載時的無功負荷最小，補償后滿載的電動機功率因數(shù)仍為滯后，這樣就避免過補償現(xiàn)象的發(fā)生。從安全角度考慮，補償功率不應(yīng)超過電機空載無功功率的90%。將無功就地補償器同設(shè)備一起投切，直接補償設(shè)備本身的無功損耗，功率因數(shù)提高至0.97以上，降低無功電流，可以節(jié)約有功電量8%～15%,節(jié)約無功功率50%～80%，減少電費開支改善供電質(zhì)量，提高電氣設(shè)備的正常出力，降低線路損耗。
       電動機無功功率就地補償裝置主要的應(yīng)用范圍為單向旋轉(zhuǎn)的負載,如水泵、風(fēng)機、壓風(fēng)機、球磨機等,不適用于雙向旋轉(zhuǎn)的設(shè)備,也不適用于頻繁點動的設(shè)備。
       大型高壓異步電動機的應(yīng)用越多越廣泛，它們的功率因數(shù)一般在0.8-0.85之間，有的甚至在0.7以下，使輸配電系統(tǒng)送電能力下降，線路損耗增大，浪費電能。高壓電動機無功就地補償裝置如TBBXl型和TBBX2型，與高壓異步電動機并聯(lián)連接，向高壓電動機提供勵磁所用的無功電流，以改善功率因數(shù)，減輕配電變壓器的負荷，降低線路和變壓器的損耗，提高變配電設(shè)備的效能，有明顯的節(jié)能、改善電機起動、運行性能的功效，經(jīng)濟效益十分顯著。
        c、人工補償應(yīng)用注意事項：
      （1）總體平衡與局部平衡相結(jié)合，以局部為主。
      （2）供電系統(tǒng)補償與受電設(shè)備相結(jié)合。
      （3）分散補償與集中補償相結(jié)合，以分散為主。
      （4）降損與調(diào)壓相結(jié)合，以降損為主。利用并聯(lián)電容器進行無功補償，其主要目的是為了達到無功電力就地平衡，減小網(wǎng)絡(luò)中的無功損耗，以降低線損。與此同時，也可以利用電容器的分組投切，對電壓進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。
      （5）諧波干擾的問題。電容器本身具備一定的抗諧波能力，但同時也有放大諧波的副作用。諧波含量過大時，會對電容器的壽命產(chǎn)生影響，甚至造成電容器的過早損壞，由于電容器對諧波的放大作用，將使系統(tǒng)的諧波干擾更嚴重；另外，動態(tài)無功補償柜的控制環(huán)節(jié)容易受諧波干擾影響，造成控制失靈，因而做無功補償時必須考慮諧波治理，在有較大諧波干擾，又需要補償無功功率的地點，應(yīng)考慮增加濾波裝置。
      （6）無功功率倒送的問題。無功功率倒送是電力系統(tǒng)所不允許的現(xiàn)象，因為它會增加線路和變壓器的損耗，加重線路的負擔(dān)。
      （7）電容器的及時檢測及故障處理。
        4. 結(jié)束語
        文中集中分析了功率因數(shù)對廣大工業(yè)企業(yè)的影響以及提高功率因數(shù)的必要性，介紹了影響功率因數(shù)的主要因素和提高功率因數(shù)的常見方法，根據(jù)電氣系統(tǒng)的具體情況，適當(dāng)、合理、可靠的采取無功補償?shù)姆绞?，確保電氣系統(tǒng)及設(shè)備的正常運行。