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发电机励磁系统原理|
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在交流中与之间的相位差(Φ)的叫做因数用符号cosΦ表示在数值上功率因数是和的比值即cosΦ=P/S.别&&&&称功率相位差因数表达式cosΦ=P/S适用领域范围电学适用领域范围热学
功率因数Power Factor的大小与的负荷性质有关 如炉等电阻负荷的因数为1一般具有性负载的电路功率因数都小于1功率因数是的一个重要的技术数据功率因数是衡量效率高低的一个系数功率因数低说明电路用于交变磁场转换的大 从而降低了设备的利用率增加了线路供电损失功率因数低的根本原因是电的存在例如生产中最常见的交流异步电动机在额定负载时的功率因数一般为0.7--0.9,如果在轻载时其功率因数就更低其它设备如工频炉电焊变压器以及日光灯等负载的功率因数也都是较低的从功率三角形及其相互关系式中不难看出在视在功率不变的情况下功率因数越低角越大有功功率就越小同时无功功率却越大这种使供电设备的容量不能得到充分利用例如容量为1000kVA的变压器如果cos=1,即能送出1000kW的有功功率而在cos=0.7时则只能送出700kW的有功功率功率因数低不但降低了供电设备的有效输出而且加大了供电设备及线路中的损耗因此必须采取并联电容器等补偿无功功率的措施以提高功率因数
功率因数既然表示了总功率中有功功率所占的比例显然在任何情况下功率因数都不可能大于1由功率三角形可见当=0°即交流电路中电压与电流同相位时有功功率等于视在功率这时cos的值最大即cos=1当电路中只有纯阻性负载或电路中感抗与容抗相等时才会出现这种情况
感性电路中电流的相位总是滞后于电压此时0°&&90°此时称电路中有滞后
的cos而容性电路中电流的相位总是超前于电压这时-90°&&0°称电路中有超前的cos
功率因数的计算方式很多主要有直接计算法和查表法常用的计算公式为功率因数计算公式拿设备作举例例如设备为100个单位也就是说有100个单位的功率输送到设备中然而因大部分电器系统存在固有的无功损耗只能使用70个单位的功率很不幸虽然仅仅使用70个单位却要付100个单位的费用(使用了70个单位的你付的就是70个单位的消耗)在这个例子中功率因数是0.7 (如果大部分设备的功率因数小于0.9时将被罚款)这种无功损耗主要存在于电机设备中(如鼓风机抽水机压缩机等)又叫感性负载功率因数是马达效能的计量标准每种电机系统均消耗两大功率分别是真正的有功单位瓦及电抗性的无功单位乏功率因数是有用功与总功率间的比值功率因数越高有用功与总功率间的比值就越大系统运行则更有效率在感性负载中波形峰值在波形峰值之后发生两种波形峰值的分隔可用示功率因数越低两个波形峰值则分隔越大电力系统上常见的非线性负载包括整流器用在电源供应器中或是像萤光灯电焊机或电弧炉电弧放电的设备由于这些系统的电流会因为元件的切换而中断电流会含有谐波成份其频率为电源系统的整数倍数畸变功率因子Distortion Power Factor可用来量度电流的谐波畸变对其平均功率的影响
电脑电源供应器的弦波电压及非弦波电流其畸变功率因子为0.75非线性负载将电流波形由正弦波扭曲成其他波形非线性负载的输入电流中除了原来电源的频率基频外其中也会有许多高频的谐波电流成份由电容器及电感器等线性元件组成的滤波器可以降低谐波电流由负载端进入电源系统中
线性元件组成的电路若电压为一正弦波其电流也是相同频率的弦波其功率因子只是因为电压和电流之间的相位差也可以称为位移功率因子Displacement Power Factor若电流或电压非弦波视在功率包括所有谐波成份时功率因子中不但有电压和电流之间的相位差导致的位移功率因子也会有对应谐波成份的畸变功率因子
一般的三用电表无法量测非线性负载的输入电流三用电表会量测整流后波形的平均值若使用量测均方根RMS值的电表可以量测实际电流及电压的均方根值因此也可以计算视在功率若要量测有功功率或无功功率需使用针对非正弦波电流设计的瓦特表畸变功率因子Distortion Power Factor量度电流的谐波畸变对其平均功率的影响
为负载电流的总谐波畸变上述定义假设电压仍维持正弦波没有畸变此假设接近一般实际应用的情形为电流的基频成份而为总电流二者都以均方根值表示
若将畸变功率因子乘以位移功率因子Displacement Power Factor简称DPF即可得到总功率因子也可称为真功率因子或直接简称为功率因子开关电源是一种常见的非线性负载世界上至少有数百万台个人电脑中有开关电源功率输出从数瓦到一千瓦早期廉价的开关电源中有一个全波整流器整流器只有在电源端电压超过内部电容器的电压时才会导通因此其峰值因子很高畸变功率因子很低而且在三相的电流系统中其中性线电流不会为零可能会有中性线负载过大的问题[6]
典型的开关电源首先会用整流二极管产生直流电压再由直流电压产生输出电压由于整流器为非线性元件其输入电流会有许多的高次谐波成份此情形会造成电力公司的困扰因为无法靠加入电容器及电感器的方式补偿高频的谐波成份因此一些地区已开始立法要求所有功率大于一定值的电源供应器需要有功率因子修正机能
欧盟为了提升功率因子有设置谐波的标准若要符合现行欧盟标准EN所有输出功率大于75W的开关电源至少需要有被动功率因子修正passive PFC机能而80 PLUS开关电源认证要求功率因子至少需到达0.9的水平[7]电网中的如日光灯及电弧炉等大多属于电感性负荷这些电感性的设备在运行过程中不仅需要向电力系统吸收有功功率还同时吸收无功功率因此在电网中安装并联电容器设备后将可以提供补偿感性负荷所消耗的无功功率减少了电网侧向感性负荷提供及由线路输送的无功功率由于减少了无功功率在电网中的流动因此可以降低输配电线路中变压器及因输送无功功率造成的这就是无功补偿的效益 无功补偿的主要目的就是提升的功率因数因为供电局发出来的电是以kVA或者MVA来计算的但是收费却是以kW也就是实际所做的有用功来收费两者之间有一个无效功率的差值一般而言就是以kvar为单位的无功功率大部分的无效功都是电感性也就是一般所谓的电动机变压器日光灯……几乎所有的无效功都是电感性性的非常少见例如变频器就是容性的在变频器电源端加入电抗器可提高功率因数由于感性容性或非线性负荷的存在导致系统存在无功功率从而导致有功功率不等于视在功率三者之间关系如下
S^2=P^2+Q^2一种有源功率因数校正电路S为视在功率P为有功功率Q为无功功率三者的单位分别为VA或kVAW或kWvar或kvar
简单来讲在上面的公式中如果今天的kvar的值为零的话kVA就会与kW相等那么供电局发出来的1kVA的电就等于用户1kW的消耗此时成本效益最高所以功率因数是供电局非常在意的一个系数用户如果没有达到理想的功率因数相对地就是在消耗供电局的资源所以这也是为什么功率因数是一个法规的限制就国内而言功率因数规定是必须介于性的0.9～1之间低于0.9时需要接受处罚供电部门为了提高成本效益要求用户提高功率因数那提高功率因数对用户端有什么好处呢
① 通过改善功率因数减少了线路中总电流和中的电气元件如变压器电器设备等的容量因此不但减少了投资费用而且降低了本身的损耗
② 良好的功因数值的确保从而减少中的电压损失可以使负载电压更稳定改善的质量
③ 可以增加系统的裕度挖掘出了发供电设备的潜力如果系统的功率因数低那么在既有设备容量不变的情况下装设后可以提高功率因数增加负载的容量
举例而言将1000kVA变压器之功率因数从0.8提高到0.98时
补偿前=800kW
补偿后=980kW
同样一台1000kVA的变压器功率因数改变后它就可以多承担180kW的负载
④ 减少了用户的电费支出透过上述各元件损失的减少及功率因数提高的电费优惠
此外有些如整流器开关等可饱和设备如变压器电动机等电弧设备及电光源设备如电弧炉日光灯等这些设备均是主要的源运行时将产生大量的谐波谐波对发动机变压器电动机电容器等所有连接于电网的电器设备都有大小不等的危害主要表现为产生谐波附加损耗使得设备过载过热以及谐波加速设备的绝缘老化等
并联到线路上进行的电容器对谐波会有放大作用使得系统电压及电流的更加严重另外叠加在电容器的电流上会使电容器的增加造成温度升高减少电容器的使用寿命
电流使变压器的铜损耗增加引起局部过热振动噪音增大绕组附加发热等
谐波污染也会增加电缆等输电线路的损耗而且谐波污染对通讯质量有影响当电流较高时可能会引起继电保护的保护保护的误动作
因此如果系统量测出过高时除了电容器端需要串联适宜的调谐detuned电抗外并需针对负载特性专案研讨加装谐波改善装置为什么说提高用户的功率因数可以改善
电力系统向用户供电的电压是随着线路所输送的有功功率和无功功率变化而变化的当线路输送一定数量的有功功率时如输送的无功功率越多线路的电压损失越大即送至用户端的电压就越低如果110kV以下的线路其电压损失可近似为△U=(PR+QX)/Ue
其中△U－线路的电压损失kV
Ue－－线路的kV
P－－线路输送的有功功率kW
Q－－线路输送的无功功率kvar
X－－线路电抗欧姆
由上式可见当用户功率因数提高以后它向吸取的无功功率就要减少因此电压损失也要减少从而改善了用户的电压质量
在里电压乘电流就是有功功率但在里电压乘电流是而能起到作功的一部分功率即将小于有功功率与视在功率之比叫做功率因数以COSΦ表示其实最简单的测量方式就是测量与之间的相位差得出的结果就是功率因数1提高自然因数自然功率因数是在没有任何补偿情况下用电设备的功率因数提高自然功率因数的方法合理选择异步电机避免空载运行合理安排和调整工艺流程改善机电设备的运行状况在生产工艺允许条件下采用同步代替异步电动机
2采用人工补偿装用无功功率补偿设备进行人工补偿电力用户常用的无功功率补偿设备是电力
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,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
提高功率因数的方法很多,但总的来说可以归结为两大类:
提高自然功率因数的方法
采用降低各用电设备所需的无功功率以改善其功率因数的措施,称为提高自然功率因数的方法 主要有:
1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量的60 %～ 68 %左右1 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η与功率因数cosφ是反映电动机经济运行水平的主要指标,都与负载率β有密切关系1 GB/ T 12497 - 90 对三相异步电机三个运行区域规定如下:
当负载率β在70 %～ 100 %之间时,为经济运行区;
当40 % ≤β ≤70 %时,为一般运行区;
当β & 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负荷率小于30 %时,应当更换成容量较小的变压器
(3合理安排和调整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1 例如可采用空载自动延时断电装置流程等
4异步电动机同步化运行对于负荷率不大于0. 7 及最大负荷不大于90 % 额定功率的绕线式异步电动机,必要时可使其同步化,即当绕线式异步电动机在起动完毕以后,向转子三相绕组中送入直流励磁,即产生转矩把异步电动机牵入同步运行,其运转状态与同步电动机相似在过励磁的情况下,电动机可向电网送出无功功率,从而达到改善功率因数的目的
提高功率因数的补偿方法
采用供应无功功率的设备来补偿用电设备所需的无功功率,以提高其功率因数的措施,称为提高功率因数的补偿方法采用补偿法来提高功率因数,必须增加新设备增加有色与的需用量 此外,补偿设备本身也有功率损失,所以从整体来看,应首先采用提高用电设备自然功率因数的方法 但当功率因数还达不到电力设计技术规范所要求的数值时,则需采用专门的补偿设备来提高功率因数应用人工补偿无功功率的方法通常有应用移相电容器(即静电电容器) 采用同步电动机和采用同步调相机三种方法
同步电动机在过励磁方式运行(0. 8 ～ 0. 9 超前) 时,就向电力系统输送无功功率,提高了工业企业的功率因数 一般在满足工艺条件下,采用或不采用同步电动机来提高企业的功率因数,应进行技术经济比较通常对低速恒速且长期连续工作的容量较大的电动机,宜采用同步电动机组,如轧钢的电动机组水泵等设备 这些设备采用同步电动机为原动机时,其容量一般在250 kW 以上,环境与启动条件均能满足同步电动机的要求,而且停歇时间较少,因此对改善功率因数能起很大作用 但是同步电动机结构复杂,并且附有一套启动控制设备,维护工作量大,价格较异步电动机贵,而且高压移相电容器价格普遍降低,这就相应地提高了异步电动机加移相电容器的补偿方案的优越性 移相由于具有功率损耗小运行维修很方便短路电流小等优点而在企业中被广泛用作人工补偿装置
综上所述,提高功率因数必然对国家的能源利用企业的起到促进作用, 是保证电力系统电能质量电压质量降低网络损耗以及安全运行所不可缺少的条件 应根据不同情况采取相应措施来提高功率因数,降低无功损耗,从而提高经济效益1振荡失步的特征
1定子电流超出正常值电流表指针将激烈地撞挡
2定子的指针将快速摆动
3有功指针在表盘整个刻度盘上摆动
4转子电流表指针在正常值附近快速摆动
5发电机发出鸣叫声且叫声的变化与仪表指针的摆动频率相对应
6其他并列运行的的仪表也有相应的摆动
2发电机振荡失步的时处理方法
发电机振荡失去同步时应注意以下几条
1要通过增加励磁电流来产生恢复同步的条件
2要适当地调整该机的负荷以帮助恢复同步
3当整个电厂与系统失去同步时该电厂的所有都将发生振荡除设法增加每台发电机的励磁电流外在无法恢复同步的
情况下为使发电机免遭持续电流的损害应按规程规定在2分钟后将电厂与系统解列功率因子表征着灯具输出有功功率的能力功率是能量的传输率的度量在直流电路中它是电压V和电流A的乘积在交流系统里则要复杂些即有部分交流电流在负载里循环不传输电能它称为电抗电流或谐波电流它使视在功率( 电压Volt乘电流Amps)大于实际功率视在功率和实际功率的不等引出了功率因数功率因数等于实际功率与视在功率的比值所以交流系统里实际功率等于视在功率乘以功率因数 即功率因数=实际功率/视在功率只有电加热器和灯泡等线性负载的功率因素为1许多设备的实际功率与视在功率的差值素很小可以忽略不计而像容性设备如灯具的这种差值则很大很重要美国PC Magazine 杂志的一项研究表明灯具的典型功率因数为0.65即视在功率(VA)比实际功率(Watts)大50%!视在功率即交流电压和交流电流的乘积用公式表示为S=UI式中S是额定输出功率单位是VA(伏安);U是额定输出电压单位是V 如220V380V等;I是额定输出电流单位是A视在功率包括两部分有功功率(P)和无功功率(Q)有功功率是指直接做功的部分比如使灯发亮使电机转动使电子电路工作等因为这个功率做功后都变成了热量可以直接被人们感觉到所以有些人就产生一个错觉即把有功功率当成了视在功率孰不知有功功率只是视在功率的一部分用式表示P=Scosθ=UIcosθ=UIF式中P是有功功率单位是W(瓦);F=cosθ被称为功率因子而θ是在时电压电流不同相时的相位差无功功率是储藏在电路中但不直接做功的那部分功率用式表示Q=Ssinθ=UIsinθ式中Q为无功功率单位是var(乏)对于灯具和其它一切靠直流电压工作的电子电路离开无功功率是根本无法工作的一般用户都认为灯具之类的设备只需要有功功率而不需要无功功率既然无功功率不做功要它何用!于是他们当然就认为功率因子为1的灯具最好因为它能给出最大输出功率然而实际情况并非如此
假如有一灯具当交流市电输入后进行就得到脉动直流电压若不将脉动电压进行任何加工就直接提供给灯具毫无疑问电路根本无法正常工作虽然这时灯具的功率因子接近于1可这又有何用呢为了让灯具电路能正常工作必须向其提供平滑了的直流电压这个平滑工作必须由接在灯具整流器后面的器来完成这个就像一个水库电容器里面必须储存足够数量的电荷在整流半波之间的空白时使电路上的工作电压仍不间断能保持正常电平换句话说即使在两个脉动半波之间无输入电能时Uc的电压电平也无显著的变化这个功能是靠电容器内的储能来实现的储存在内的这部分能量就是无功功率所以说灯具是靠无功功率的支持才能保证电路正确运用有功功率实现正常使用的因此可以说灯具不但需要有功功率也需要无功功率两者缺一不可有人测试了各种家用电器的功耗和功率因数其结果如下
序号 名称 设备容量(W) 功率因数 无功功率(var) 视在功率(VA)
1 照明 200 0.90 96.86 222.22
3 电冰箱 150 0.60 200.00 250.00
484.32 1111.11
5 电热水器
0.00 2000.00
0.00 1000.00
7 计算机 300 0.80 225.00 375.00测量计算机的功率因数
8 打印机 250 0.80 187.50 312.50
9 电视机 200 0.80 150.00 250.00
10 洗衣机 200 0.60 266.67 333.33
11 抽油烟机 50 0. 80 37.50 62.50
12 音响 300 0.60 400.00 500.00
13 饮水机 600 1.00 0.00 600.00饮水机的功率因数
14 卫生设备
0.00 1000.00
15 保健设备 600 0.80 450.00 750.00
16 录像机 200 0.90 96.86 222.22
17 DVD\VCD 100 0.90 48.43 111.11
这些数据当然仅供参考而已1. 凡是都是因为它们都是
2. 凡是带的家用电器(大多数白色家电)都是
3. 凡是带的家用电器(电视机音响)也都是
4. 24的是一个耗电很大很低的
5. 其中的因为主要是所以才会[1]
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