02-功率因数补偿原理

8．电阻、电容、电感器件在交流电路中的电压电流特性

8.1 电阻

8.2 电感

8.3 电容

纯电阻电路中，电压电流相位相同；

纯电感电路中，电压电流相位相差90°，电流滞后电压（或电压超前电流）；

纯电容电路中，电压电流相位相差90°，电流超前电压（或电压滞后电流）；

9．功率因数的概念

实际生产与生活中应用的用电负载多为阻感性（电阻性＋电感性），其等效电路图及电压电流特性如下：

阻感性用电负载，其电压与电流相位相差ϕ角度，该角度介于0°和90°之间，电压超前电流。（参照对比第8点中电阻与电抗的特性）功率的计算方法为：功率等于电压与电流之积。视在功率（相当于总功率）S＝UI。

由于电压与电流方向不一致，计算时把电压分解为2个分量，与电流方向一致的分量U R、与电流方向垂直的分量U L（如下左图）

功率等于电压与电流之积，因此功率也可分为2个分量，P＝U R I＝(Ucosϕ)I＝UIcosϕ＝S cosϕ

Q＝U L I＝(Usinϕ)I＝UIsinϕ＝S sinϕ如上右图。

P称为有功功率，Q称为无功功率，S为视在功率，它们之间的关系是：

S=P＝S cosϕQ＝S sinϕ

ϕ为功率因数角，cosϕ为功率因数。

10．有功功率与无功功率的用处

以上从原理上讲述了有功功率和无功功率的产生，那么在实际工作中，它们分别有什么用处呢？

有功功率就是用电设备正常运行时，将电能转换为其他形式能量(如机械能、光能、热能等)的电功率。比如：

5.5千瓦的电动机就是把5.5千瓦的电能转换为机械能，带动水泵抽水或脱粒机脱粒；各种照明设备将电能转换

为光能，供人们生活和工作照明。

有功功率的符号用P表示，常用单位有瓦（W）、千瓦（kW）、兆瓦（MW）。

无功功率比较抽象，它是用于电路内电场与磁场的转换，并在电气设备中建立和维持磁场的电功率。它不直接对外作功，在电网中运行时也不会消耗，因此被称之为“无功功率”。

无功功率决不是无用功率，它的用处很大。电动机需要建立和维持旋转磁场，使转子转动，从而带动机械运动，电动机的转子磁场就是靠从电源取得无功功率建立的。变压器也同样需要无功功率，才能使变压器的一次线圈产生磁场，在二次线圈感应出电压。因此，没有无功功率，电动机就不会转动，变压器也不能变压。

无功功率的符号用Q表示，常用单位有乏（var）、千乏（kvar）。

11．为什么要进行无功补偿

无功功率是必不可少的，在正常情况下，用电设备工作时所需的有功功率和无功功率都要从供电电源取得。

例如：有一台变压器，通常我们都希望变压器尽可能多的提供有功功率，但实际上，变压器向系统中的用电设备同时提供了有功功率和无功功率；提供的无功功率越多，变压器的利用率就越低。对变压器而言，无功功率占用了容量资源。

同时，由于无功功率在电源、电网、用户之间往返流动，在线路上会产生能量损耗。

因此，我们开始思考这样一个问题：如何能够减少用电设备对电网的无功需求？

为实现这一目的，当前常用的手段是在电网中安装补偿电容器，利用电容器“电流超前电压”的特性来“中和”阻感性的用电设备，使得用电设备与补偿电容器特性“中和”之后，对外呈近似电阻性，即：功率因数角近似等于零，功率因数近似等于1。

12．无功补偿原理分析

如上左图，为阻感性用电设备装设电容器进行功率因数提高。

右图中，红色实线为电容器补偿前的电流方向，电流滞后电压，夹角为ϕ；黑色实线为装设电容器之后，

流过电容器的电流，紫色实线为装设电容器后，流过R 、L 、C 组合的总电流。

从图中可见，装设电容器进行补偿之后，电压与电流之间的夹角（功率因数角）减小，功率因数得到提高。

13．无功补偿中的作用

从能量的角度来讲，电容器相当于是把电网提供的无功能量储存起来，再提供给用电设备。装设了电容器

之后，无功功率只须在用电设备与电容器之前进行往返流动，供电电源（如变压器）主要向设备提供有功功率，所需的无功功率则由补偿电容器来承担。

装设补偿电容器之后，可以提高变压器的利用率，减少输电线路中的能量损耗。

并联电容器补偿方式由于其成本低、运行方式简单、易于维护、效果明显等优点，已成为应用最普遍的无功功率补偿方式。

14．无功补偿量的计算

图中，P 为有功功率，Q 1、S 1、ϕ1分别为补偿前的无功功率、视在功率、功率因数角；

Q 2、S 2、ϕ2分别为补偿后的无功功率、视在功率、功率因数角；

Q C 为把功率因数从cos ϕ1提高到cos ϕ2，电容器须提供的无功功率

(

)12tan tan C Q P P ϕϕ=×−=