0 引言
功率因数是衡量企业供电系统电能利用程度及电气设备使用状况的一个具有代表性的重要指标之一，通常使用cosφ表示，我们可以用以下几项来介绍功率因数的重要性，及提高功率因数的方法。
1 有功功率和无功功率
企业的用电设备大部分都用电磁感应原理来工作的，比如：变压器、电焊机、电磁感应式电动机等等，它们都是靠电能转化成电磁能再转化为电能或机械能来实现的能量转换，这样，用电设备就必须从电网上吸收两种能量，一部分能量用于做功，即前边提到得机械能或热能，这部分能量大部分是为了满足生产和生活的需要，称为有功功率。另一部分能量用来产生交变磁场，它是变压器、电焊机或电感线圈形成能量转换和传输的介质，没有了磁场，就没有了传输能量的介质，从而使能量只能在电源或用电设备内部消耗，而不能对外传输，不能对外做功，这部分功率叫做无功功率。无功，顾名思义就是无用功，其实它并不是没有用，没有它，任何能量都只能自己消耗，不能传输，然而它确实在能量转换的过程中没有转换成其它能量，所以叫作无功功率。有功功率和无功功率都是电能运用所必须的，若有功功率不足，就不能满足用电负荷的需要，会将电网电压拉低，系统发电机的转速变慢，发电频率降低，影响用电质量，威胁发电厂和各用电设备的安全。若无功功率不足，系统电压也会降低，电流将会升高，电机过流过热，会导致用电设备绝缘破坏，甚至烧毁。
2 功率因数
功率因数是衡量企业供电系统电能利用程度及电气设备使用状况的一个具有代表性的重要指标之一，通常使用cosφ表示。一个供电设备的供电容量通常是用视在功率表示，字面意思就是我们所能看到的功率，即表见功率，但不是真实功率，它的真实功率是由视在功率和功率因数的乘积决定的。所以说功率因数是一个非常重要的供电指标，而视在功率是由有功功率的平方与无功功率的平方和，开跟号得到的。视在功率确定后，有功功率分量高就称为功率因数高，有功功率分量低就称为功率因数低，有功功率和无功功率都是靠发电机发出的，然而用电设备所需要的功率会因设备的感性和容性不同而不同，当用电设备是感性时，用电设备的电压会超前电流90°；当用电设备是容性时，电流超前电压90°，两个分量将在一条直线上，但方向相反，用电设备中感性的居多，所以这就需要一个容性的负荷进行无功补偿了。
3 有功功率和无功功率的三角关系
上述讲的有功功率和无功功率可以用直角三角形的关系来描述：三角形的两条直角边，一个表示有功功率，一个表示无功功率，它们的斜边就是视在功率，有功功率和视在功率之间的夹角就是功率因数角，功率因数角的余弦值就是功率因数。无功功率越少，功率因数角就越小，它的余弦值就越大，有功功率和视在功率就越接近，也就是说，能量的转换效率也就越高。这就提出了一个问题，怎样减少发电机的无功输出？或者说怎样减少感性负何的无功吸收？
4 提高功率因数的意义
由上述3可以看出，要使发电厂和供电所更有效利用资源进行电能的转换和传输，就必须合理的进行有功功率和无功功率的分配，在无功功率配置合理的情况下，尽量的多发有功，减少无功功率的输出。那就要提高用电设备的功率因数。当供电系统中输送的有功功率维持恒定的情况下，无功功率增大即功率因数的降低，就会引起：①系统中输送的总电流增大，使电气元件，如变压器、电抗器、导线等容量增大，从而扩大了企业投资；②由于无功功率增大，造成输电电流增大，从而也会增大供电设备的有功损耗；③因为系统中的总电流增大，所以电压损失增大，造成调压困难；④对发电机来说，转子温度升高，发电机达不到预期出力；⑤由于系统电流增大，系统电压降低，会造成其他设备不能正常出力。所以，我们必须提高供电系统的功率因数。
5 提高功率因数和无功补偿
企业 的感性负荷大部分是异步电动机，运行时要消耗一定的无功功率，使得电动机和输电线路的电流增大，如果给电动机增加就地补偿电容，不但可以使线路及配电装置的输送电流减小，而且还可以减少有功损耗，减少初期的投资容量。下面给出异步电动机的无功补偿 计算 公式，以供大家 参考 ：
设补偿前电动机的无功功率为q1，补偿电容器后的无功功率为q2，则补偿电容器的无功功率为:
qc=q1-q2=p1(tanφ1-tanφ2)=
式中：p1、p2为电动机运行时输入/输出的有功功率，η为电动机运行时的效率，φ1、φ2为电容器补偿前后的功率因数角。
补偿前的功率因数：cosφ1=(cosφe)1/k ，式中：cosφe为电动机额定负载时的功率因数，可从产品目录中查得，k为电机定子电流负载率，k=i1/ie，其中i1为电机运行时的实测定子电流（a），ie为电机的额定电流（a）。
补偿后的功率因数一般是0.95左右，如果再高，投入的成本太大，不 经济 ，确定了所需补偿的无功功率qc之后，那么补偿电容量c= 式中：f为电源频率（hz），ue为电机额定电压（v），qc为电容补偿的无功功率（var）。
注意：个别补偿的电容容量应根据电动机的功率、负载率及电网情况适当考虑，避免过补偿或欠补偿状态的出现。
6 补偿方式
工业 企业中常用的电容器补偿方式大概有三种：集中补偿、分组补偿和单个补偿。企业电力系统的补偿方式的选择，要视企业的具体情况而定。比如：从无功就地平衡来说，单个补偿的效果最好（单个补偿应用于大容量、长期运行、无功功率需要较大的设备，或者输电线路较长的设备，不便于实现分组补偿的场合，这种方式可以减少配线电流，导线截面，配电设备的容量），不论采取什么样的补偿方式，补偿电容必须选择适当，而这一切都是为了提高电力系统的功率因数。
7结束语
中图分类号：TM46文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）07-0110-02
一、无功功率和功率因数的定义
（一）有功功率和无功功率
在交流电路中，由电源供给负载的电功率有两种：一种是有功功率，一种是无功功率。有功功率是保持用电设备正常运行所需的电功率，也就是将电能转换为机械能、光能、热能等的电功率。无功功率比较抽象，它是用于电路内电场与磁场的交换，并用来在电气设备中建立和维持磁场的电功率。它不对外做功，但是只要有电磁线圈的电气设备，就要消耗无功功率。
（二）功率因数
电网中的电力负荷如电动机、变压器等，属于既有电阻又有电感的电感性负载。电感性负载的电压和电流的相量间存在着一个相位差，这个相位差（Φ）的余弦叫做功率因数，用符号cosΦ表示，在数值上功率因数是有功功率和视在功率的比值，即cosΦ=P/S。功率因数反映了电源输出的视在功率被有效利用的程度，我们希望的是功率因数越大越好。只有把电路中的无功功率降到最小，才能将视在功率大部分用来供给有功功率，改善供电效率。
二、无功功率的产生和作用
（一）无功功率的产生
在具有电感或电容的电路中，在每半个周期内，电感（或电容）把电源能量变成磁场（或电场）能量贮存起来，然后再把贮存的磁场（或电场）能量释放返回给电源。这种情况下只是进行能量的交换，并没有真正消耗能量，我们把这个交换的功率值称为无功功率。正因为如此，无功功率比较抽象，它在电路中来回流动。尽管无功功率说明一个元件的平均功率为零，但它代表了在电感或电容中储存及释放磁场能量或电场能量所需要的真实功率。电力网中，在电源、电感元件和电容元件之间发生能量的交换。与无功功率相关的能量是储存的电感性及电容性能量之和。
（二）无功功率的作用
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，交流接触器不会吸合。
三、无功功率的危害
尽管无功功率说明一个元件的平均功率为零，但它代表了在电感或电容中储存及释放磁场能量或电场能量所需要的真实功率。电力系统中某些点之间由于无功功率不断来回地交换引起发电、输电及供配电设备上的电压损耗及功率损失。由于电力系统的效率及电压调整十分重要，因此无功功率在电力系统的传输是头等重要的。
无功功率的增加，会导致电流增大和视在功率增加，从而使发电机、变压器及其他电气设备容量和导线容量增加，也降低了发电机的有功功率的输出，降低了输变电设备的供电能力。无功功率的增加，使总电流增大，因而使设备及线路的损耗增加，这是显而易见的。无功功率的增加，使线路及变压器的电压降增大，如果是冲击性无功功率负载，还会使电压产生剧烈波动，使供电质量严重降低。
无功功率还造成了低功率因数运行和电压下降，使电气设备容量得不到充分发挥。所以我们要尽量减小无功功率的影响：（1）大量的电感性设备，如异步电动机、感应电炉、交流电焊机等设备是无功功率的主要消耗者。所以要改善异步电动机的功率因数就要防止电动机的空载运行并尽可能提高负载率；（2）变压器消耗的无功功率一般约为其额定容量的10%～15%，它的空载无功功率约为满载时的1/3。因而，为了改善电力系统和企业的功率因数，变压器不应空载运行或长期处于低负载运行状态；（3）供电电压超出规定范围也会对功率因数造成很大的影响。当供电电压高于额定值的10%时，由于磁路饱和的影响，无功功率将增长得很快，所以应当采取措施使电力系统的供电电压尽可能保持稳定。
当然，上述这些措施只是从一定程度上减小了无功功率的危害，如果要从根本上减小无功功率的影响，改善功率因数的话，我们需要引入无功功率补偿技术。
四、无功功率补偿
（一）无功功率的补偿原理
设补偿后无功功率为Qc,使电源输送的无功功率减少为Q’=Q-Qc,功率因数由cosΦ提高到cosΦ’,视在功率S减少到S’,视在功率的减小可相应减小供电线路的截面和变压器的容量，降低供用电设备的投资。
可知，采用无功补偿措施后，因为通过电力网无功功率的减少，降低了电力网中的电压损耗，提高了用户的电压质量。由于越靠近线路末端，线路的电抗X越大，因此越靠近线路末端装设无功补偿装置效果越好。
（二）无功补偿的作用
1．提高电网及负载的功率因数，降低设备所需容量，减少不必要的损耗；
2．稳定电网电压，提高电网质量，而在长距离输电线路中安装合适的无功补偿装置可提高系统的稳定性及输电能力；
3．在三相负载不平衡的场合，可对三相视在功率起到平衡作用。
（三）低压网无功补偿的一般方法
低压无功补偿我们通常采用的方法主要有三种：随机补偿、随器补偿、跟踪补偿。下面简单介绍这三种补偿方式的适用范围及使用该种补偿方式的优缺点：
1．随机补偿。随机补偿就是将低压电容器组与电动机并接，通过控制、保护装置与电机，同时投切。随机补偿适用于补偿电动机的无功消耗，以补偿磁无功为主，此种方式可较好地限制农网无功峰荷。
随机补偿的优点是：用电设备运行时，无功补偿投入，用电设备停运时，补偿设备也退出，而且不需频繁调整补偿容量。具有投资少、占位小、安装容易、配置方便灵活、维护简单、事故率低等特点。
2．随器补偿。随器补偿是指将低压电容器通过低压保险接在配电变压器二次侧，以补偿配电变压器空载无功的补偿方式。配变在轻载或空载时的无功负荷主要是变压器的空载励磁无功，配变空载无功是农网无功负荷的主要部分，对于轻负载的配变而言，这部分损耗占供电量的比例很大，从而导致电费单价的增加，不利于电费的同网同价。
随器补偿的优点是：接线简单、维护管理方便、能有效地补偿配变空载无功，限制农网无功基荷，使该部分无功就地平衡，从而提高配变利用率，降低无功网损，具有较高的经济性，是目前补偿无功最有效的手段之一。
3．跟踪补偿。跟踪补偿是指以无功补偿投切装置作为控制保护装置，将低压电容器组补偿在大用户0.4kv母线上的补偿方式。适用于100kVA以上的专用配变用户，可以替代随机、随器两种补偿方式，补偿效果好。
跟踪补偿的优点是：运行方式灵活，运行维护工作量小，比前两种补偿方式寿命相对延长、运行更可靠。但缺点是控制保护装置复杂、首期投资相对较大。但当这三种补偿方式的经济性接近时，应优先选用跟踪补偿方式。
五、结论
本文简单讨论了无功功率的定义、产生，分析了无功功率的作用及危害，并从原理上分析了无功补偿技术，探讨了几种低压无功补偿技术的优缺点。本文对于了解无功功率以及进行无功补偿具有一定的指导意义。
参考文献
[1]陈允平，等．基于任意周期电压电流的无功功率定义及其数学模型[J]．中国电机工程学报，2006，26（4）．
我们将正弦交流电电路中电压有效值与电流有效值的乘积称为视在功率，有功功率和无功功率的几何之和（即平方和的均方根），它用来表示电气设备的容量。关系式：
视在功率的平方=有功功率的平方+无功功率的平方
用符号S表示，计算单位：伏安（VA）、千伏安（kVA）。
变压器的容量是用视在功率表示。
视在功率不表示交流电路实际消耗的功率，只表示电路可能提供的最大功率或电路可能消耗的最大有功功率。在交流电路中，由电源供给负载的电功率有两种: 一种是有功功率，一种是无功功率。
二、有功功率
有功功率是保持用电设备正常运行所需的电功率，也就是将电能转换为其他形式能量(机械能、光能、热能)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。有功功率的符号用P表示，单位有瓦(W)、千瓦(kW)、兆瓦(MW)。
三、无功功率
无功功率是用于电路内电场与磁场的交换，并用来在电气设备中建立和维持磁场的电功率。它不对外作功，而是转变为其他形式的能量。凡是有电磁线圈的电气设备，要建立磁场，就要消耗无功功率。比如40瓦的日光灯，除需40多瓦有功功率(镇流器也需消耗一部分有功功率)来发光外，还需80乏左右的无功功率供镇流器的线圈建立交变磁场用。由于它不对外作功，才被称之为“无功”。无功功率的符号用Q表示，单位为乏(Var)或千乏(kVar)。
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，交流接触器不会吸合。
用电设备不但要从电源取得有功功率，同时还需要从电源取得无功功率。如果电网中的无功功率供不应求，用电设备就没有足够的无功功率来建立正常的电磁场，那么，这些用电设备就不能维持在额定情况下工作，用电设备的端电压就要下降，从而影响用电设备的正常运行。
无功功率对供电、用电产生一定的不良影响，第一，降低发电机有功功率的输出。第二，降低输、变电设备的供电能力。第三，造成线路电压损失增大和电能损耗的增加。第四，造成低功率因数运行和电压下降，使电气设备容量得不到充分发挥。
从发电机和高压输电线供给的无功功率，远远满足不了负荷的需要，所以在电网中要设置一些无功补偿装置来补充无功功率，以保证用户对无功功率的需要，这就是电网需要装设无功补偿装置的道理。
四、功率因数
电网中的电力负荷如电动机、变压器等，属于既有电阻，又有电感的电感性负载。电感性负载的电压和电流的相量间存在着一个相位差，通常用相位角φ的余弦cosφ来表示。cosφ称为功率因数，又叫力率。功率因数是反映电力用户用电设备合理使用状况、电能利用程度和用电管理水平的一项重要指标。三相功率因数的计算公式为：
式中：cosφ—功率因数；
P —有功功率，kW；
Q —无功功率，kVar；
S —视在功率，kVA；
U —用电设备的额定电压，V；
I —用电设备的运行电流，A。
功率因数分为自然功率因数、瞬时功率因数和加权平均功率因数。
1.自然功率因数
指用电设备没有安装无功补偿设备时的功率因数，或者说用电设备本身所具有的功率因数。自然功率因数的高低主要取决于用电设备的负荷性质，电阻性负荷(白炽灯、电阻炉)的功率因数较高，等于1，而电感性负荷(电动机、电焊机)的功率因数比较低，都小于1。
2.瞬时功率因数
指在某一瞬间由功率因数表读出的功率因数。瞬时功率因数是随着用电设备的类型、负荷的大小和电压的高低而时刻在变化。
3.加权平均功率因数
指在一定时间段内功率因数的平均值，其计算公式为：
cosφ
五、提高功率因数的意义及方法
1.提高功率因数的意义
（1）提高用电质量，改善设备运行条件，可保证设备在正常条件下工作。
（2）可节约电能，降低生产成本，减少企业的电费开支。例如：当cosφ=0.5时的损耗是cosφ=1时的4倍。
（3）能提高企业用电设备的利用率，充分发挥企业的设备潜力。
（4）可减少线路的功率损失，提高电网输电效率。
（5）因发电机的发电容量的限定，故提高cosφ也就使发电机能多出有功功率。
提高功率因数的方法有两种，一种是改善自然功率因数，另一种是安装人工补偿装置。
2.提高自然因数的方法
（1）选择合适的电动机容量，减少电动机无功消耗，防止“大马拉小车”。
（2）对平均负荷小于其额定容量40%左右的轻载电动机，可将线圈改为三角形接法（或自动转换）。
（3）避免电机或设备空载运行。
（4）合理配置变压器，正确地选择其容量。
（5）采用同步电动机或异步电动机同步运行补偿。
（6）调整生产班次，均衡用电负荷，提高用电负荷率。
3.人工补偿法
实际中可使用电路电容器或调相机，一般多采用电力电容器补尝无功，即：在感性负载上并联电容器。在感性负载上并联电容器的方法可用电容器的无功功率来补偿感性负载的无功功率，从而减少甚至消除感性负载于电源之间原有的能量交换。在交流电路中，纯电阻电路，负载中的电流与电压同相位，纯电感负载中的电流滞后于电压90?，而纯电容的电流则超前于电压90?，电容中的电流与电感中的电流相差180?，能相互抵消。并联电容器的补偿方法又可分为：
（1）个别补偿。即在用电设备附近按其本身无功功率的需要量装设电容器组，与用电设备同时投入运行和断开，也就是再实际中将电容器直接接在用电设备附近。适合用于低压网络，优点是补尝效果好，缺点是电容器利用率低。
（2）分组补偿。即将电容器组分组安装在车间配电室或变电所各分路出线上，它可与工厂部分负荷的变动同时投入或切除，也就是再实际中将电容器分别安装在各车间配电盘的母线上。优点是电容器利用率较高，且补尝效果也较理想（比较折中）。
沙隆达股份有限公司是一家以氯碱化工为基础，农药化工为主体，精细化工为特色的大型化工企业。主要生产能力为：农药3万吨，烧碱6万吨，化工原料及中间体30万吨，自采盐矿20万吨。下属能源动力厂主要负责水、电、汽、冷等能源的管理和运行。我厂电力系统总装机容量为47500KVA，设有一个110KV变电站、4个10KV区间变电所和4套电解整流装置，共有电力变压器22台，整流变压器4台，年用电量2亿多千瓦时，其中整流装置用电量要占总用电量的三分之二。整流装置平均功率因数比较高，可以达到0.95，但由于整流装置的存在，谐波分量也比较重。其它动力负荷主要是异步电动机，平均功率因数很低，我厂主要针对低压配电网络进行补偿，补偿前整个电力系统的功率因数只有0.87，补偿后整个电力系统功率因数可以达到0.95以上。
影响我厂功率因数的主要原因及对策：
一、异步电动机对功率因数的影响
我厂绝大部分动力负荷都是异步电动机， 异步电动机转子与定子间的气隙是决定异步电动机需要较多无功的主要因素，而异步电动机所耗用的无功功率是由其空载时的无功功率和一定负载下无功功率增加值两部分所组成。所以要改善异步电动机的功率因数就要防止电动机的空载运行并尽可能提高负载率。因此，在选择异步电动机时，既要注意它们的机械性能，又要考虑它们的电器指标，合理选择异步电动机的型号、规格和容量，使其处于经济运行状态，若电动机长期处于低负载下运行，既增大功率损耗，又使功率因数和效率都显著恶化。故从节约电能和提高功率因数的观点出发，必须正确的合理的选择电动机的容量。其次，要提高异步电动机的检修质量，因为异步电动机定子绕组匝数变动和电动机定、转子间的气隙变动时对异步电动机无功功率的大小有很大的影响。
二、电力变压器对功率因数的影响
电力变压器的无功功率消耗，是由于变压器的变压过程是由电磁感应来完成的，是由无功功率建立和维持磁场进行能量转换的。没有无功功率，变压器就无法变压和输送电能。变压器消耗无功的主要成分是它的空载无功功率，提高变压器的功率因数就必须降低变压器的无功损耗，避免变压器空载运行或长期处于低负载运行状态。
三、整流装置对功率因数的影响
单就整流系统而言，其功率因数可达到0.95，但是由于整流系统网侧电流不是正弦波，整流变压器除向电网吸取基波电流外，还向电网送出谐波电流，严重影响并联电容的运行。尽可能减少谐波分量的产生是消除整流装置对功率因数补偿设备影响的根本办法。整流机组的网侧谐波分量与等效相数有密切关系，提高等效相数是抑制谐波产生的有效措施。我公司整流系统共有四台整流变压器，为提高等效相数，我们分别将整流变压器接成/和Y/，从而组成12相整流系统，这时单套6脉波整流的工作原理不变，只是一台整流变压器通过Y/移相使5，7，17，19……次谐波相互抵消，注入系统的只有12K±1次特征谐波，在不增加设备的前提下，达到了最大限度抑制谐波分量，减少了谐波分量对电容运行的影响的目的。
我厂对提高功率因数采取的措施
提高自然功率因数
提高自然功率因数主要是靠提高变压器、电动机负载率、调整负荷结构，使功率因数达到最佳。
二、并联移相电容提高功率因数
由于我公司实际生产工艺中没有使用同步电机，所以我们采用并联移相电容器的方式进行功率因数补偿。
（一）、补偿方式的选择：
根据移相电容器在工厂供电系统中的装设位置，有高压集中补偿、低压成组补偿和低压分散补偿三种方式。
高压集中补偿是将高压移相电容器集中装设在变配电所的10KV母线上，这种补偿方式只能补偿10KV母线前（电源方向）所有线路上的无功功率，而此母线后的厂内线路没有得到无功补偿，所以这种补偿方式的经济效果较后两种补偿方式差。同时因我厂存在整流装置，虽然我们对其进行了调整，但仍然不能完全避免谐波分量的产生。如采用高压集中补偿，会对高压电容器的安全运行造成严重影响。
低压分散补偿，又称个别补偿，是将移相电容器分散地装设在各个车间或用电设备的附近。这种补偿方式能够补偿安装部位前的所有高低压线路和变电所主变压器的无功功率，因此它的补偿范围最大，效果也较好。但是这种补偿方式总的设备投资较大，且电容器在用电设备停止工作时，它也一并被切除，所以利用率不高。
低压成组补偿是将移相电容器装设在车间变电所的低压母线上，这种补偿方式能补偿车间变电所低压母线前的车间变电所主变压器和厂内高压配电线及前面电力系统的无功功率，其补偿范围较大。由于这种补偿能使变压器的视在功率减小从而使变压器容量选得小一些，比较经济，而且它安装在变电所低压配电室内，运行维护方便。同时由于我厂存在谐波源，车间变压器的存在，也起到了隔离和衰减谐波的作用。有利于低压移相电容器的安全稳定运行。
综合以上三种补偿方式的优缺点，根据我厂的实际情况，我们选择了低压成组补偿方式。
（二）、补偿容量的确定
对于车间变（配）电所，安装的容性无功量应等于装置所在母线上的负载按提高功率因数所需补偿的容性无功量与变压器所需补偿的容性无功量之和。
负载所需补偿的装置容量Kvar（千乏）按下式考虑
QC1=P（tgφ1-tgφ2）
Qc1——负荷所需补偿的容性无功量(Kvar)
P——母线上的平均有功负荷功率
φ1——补偿前的功率因数角
φ2——补偿后的功率因数角
2)变压器所需补偿的装置容量Kvar（千乏）按下式考虑：
QC2= (UK%/100+IO%/100 ) Se
Qc2——变压器所需补偿的容性无功量(Kvar)
Uk％——变压器阻抗电压的百分数
I0％——变压器空载电流的百分数
Se——变压器额定容量（KVA）
（三）、低压成组补偿设备的选择：
选择补偿设备，应在充分考虑安全性的同时，根据各厂实际情况，从实用性、可靠性入手，将费效比最大化。
1、投切方式的选择：
电容投切有两种方式：人工投切和自动投切。人工投切对运行人员是件繁重的工作，且难以实现及时准确地操作，影响供电电压质量。我们采用自动投切方式。可实现电容器的自动投切，我们采用了JKG系列无功功率自动补偿控制器，这种控制器能随意设定投入门限、投入延时、切除延时、过压门限、过压延时、欠流切除等参数，能自动跟踪功率因数变化合理选择电容组数，还能在功率因数超前时快速切除已投电容。在我厂的应用中，这种控制方式能满足我厂的实际要求。
2、移相电容器的选择
我厂选用的电容器为BSMJ0.415-18-3型自愈式移相电容器。该电容器的额定工作电压415V，容量18Kvar，三相三角形接法，具有自放电功能，最高过电压110％额定电压，最高过电流130％额定电流。
电容容量的确定要考虑到开关、接触器的容量，补偿梯度大小对电气设备的影响及维修成本，还有各厂实际使用习惯。我厂广泛采用18 Kvar三相移相电容器，我们认为其补偿梯度合理，设备费效比高。
额定电压的确定要考虑到变压器低压母线电压的波动和补偿后母线电压升高的因素，并联补偿移相电容器的额定电压应大于并联补偿移相电容器的实际工作电压。
3、断路器的选择
QF1—QFn为单台电容器提供主保护，我厂选用GV3—M40施耐德空气开关。该开关具有过流和速断保护功能，我们一般将空开过流整定值整定在30A左右，可有效保护电容过电流。该开关分断能力强，分断电流可达35KA，可靠性也比较高，单台电容器故障时能可靠切除，不影响其它电容器的运行。QF我们选用施耐德NS型塑壳断路器，该断路器具有电子式过流和速断保护功能，动作准确可靠，分断能力极强，并具有稳定可靠的限流能力，可作为整套电容器组的后备保护。采用上述两种开关后，我们完全可以将电容故障限制在电容柜内，而不对配电系统产生影响。
补偿效果：
通过对全厂供配电系统安装并联移相电容器组，向电网提供可阶梯调节的容性无功，补偿多余的感性无功，使我厂实际功率因数提高到0.95以上，补偿效果明显。
减少供电损耗，节约电费
以线损为例，我厂年用电量约为2亿千瓦时，补偿前线损率约为5％，补偿后功率因数从0.87提高到0.95，则每年可减低线损约为200万千瓦时，按每度电0.4元计算，可节约电费开支80万元，加上电力系统功率因数奖60万元，每年共计节约电费开支140万元。
提高设备利用率
功率因数从0.85提高到0.95，设备利用率提高11.8% 。减少设备投资，充分发挥设备潜能。
改善供电质量
沙隆达股份有限公司是一家以氯碱化工为基础，农药化工为主体，精细化工为特色的大型化工企业。主要生产能力为：农药3万吨，烧碱6万吨，化工原料及中间体30万吨，自采盐矿20万吨。下属能源动力厂主要负责水、电、汽、冷等能源的管理和运行。我厂电力系统总装机容量为47500KVA，设有一个110KV变电站、4个10KV区间变电所和4套电解整流装置，共有电力变压器22台，整流变压器4台，年用电量2亿多千瓦时，其中整流装置用电量要占总用电量的三分之二。整流装置平均功率因数比较高，可以达到0.95,但由于整流装置的存在，谐波分量也比较重。其它动力负荷主要是异步电动机,平均功率因数很低,我厂主要针对低压配电网络进行补偿,补偿前整个电力系统的功率因数只有0.87,补偿后整个电力系统功率因数可以达到0.95以上。
影响我厂功率因数的主要原因及对策：
一、异步电动机对功率因数的影响
我厂绝大部分动力负荷都是异步电动机, 异步电动机转子与定子间的气隙是决定异步电动机需要较多无功的主要因素,而异步电动机所耗用的无功功率是由其空载时的无功功率和一定负载下无功功率增加值两部分所组成。所以要改善异步电动机的功率因数就要防止电动机的空载运行并尽可能提高负载率。因此，在选择异步电动机时，既要注意它们的机械性能，又要考虑它们的电器指标，合理选择异步电动机的型号、规格和容量，使其处于经济运行状态，若电动机长期处于低负载下运行，既增大功率损耗，又使功率因数和效率都显著恶化。故从节约电能和提高功率因数的观点出发，必须正确的合理的选择电动机的容量。其次，要提高异步电动机的检修质量，因为异步电动机定子绕组匝数变动和电动机定、转子间的气隙变动时对异步电动机无功功率的大小有很大的影响。
二、电力变压器对功率因数的影响
电力变压器的无功功率消耗，是由于变压器的变压过程是由电磁感应来完成的，是由无功功率建立和维持磁场进行能量转换的。没有无功功率，变压器就无法变压和输送电能。变压器消耗无功的主要成分是它的空载无功功率，提高变压器的功率因数就必须降低变压器的无功损耗，避免变压器空载运行或长期处于低负载运行状态。
三、整流装置对功率因数的影响
单就整流系统而言，其功率因数可达到0.95，但是由于整流系统网侧电流不是正弦波，整流变压器除向电网吸取基波电流外，还向电网送出谐波电流，严重影响并联电容的运行。尽可能减少谐波分量的产生是消除整流装置对功率因数补偿设备影响的根本办法。整流机组的网侧谐波分量与等效相数有密切关系，提高等效相数是抑制谐波产生的有效措施。我公司整流系统共有四台整流变压器，为提高等效相数，我们分别将整流变压器接成/?和Y/?，从而组成12相整流系统，这时单套6脉波整流的工作原理不变，只是一台整流变压器通过Y/移相使5，7，17，19……次谐波相互抵消,注入系统的只有12K±1次特征谐波，在不增加设备的前提下，达到了最大限度抑制谐波分量，减少了谐波分量对电容运行的影响的目的。
我厂对提高功率因数采取的措施
提高自然功率因数
提高自然功率因数主要是靠提高变压器、电动机负载率、调整负荷结构，使功率因数达到最佳。
二、并联移相电容提高功率因数
由于我公司实际生产工艺中没有使用同步电机，所以我们采用并联移相电容器的方式进行功率因数补偿。
（一）、补偿方式的选择：
根据移相电容器在工厂供电系统中的装设位置，有高压集中补偿、低压成组补偿和低压分散补偿三种方式。
高压集中补偿是将高压移相电容器集中装设在变配电所的10KV母线上，这种补偿方式只能补偿10KV母线前（电源方向）所有线路上的无功功率，而此母线后的厂内线路没有得到无功补偿，所以这种补偿方式的经济效果较后两种补偿方式差。同时因我厂存在整流装置，虽然我们对其进行了调整，但仍然不能完全避免谐波分量的产生。如采用高压集中补偿，会对高压电容器的安全运行造成严重影响。
低压分散补偿，又称个别补偿，是将移相电容器分散地装设在各个车间或用电设备的附近。这种补偿方式能够补偿安装部位前的所有高低压线路和变电所主变压器的无功功率，因此它的补偿范围最大，效果也较好。但是这种补偿方式总的设备投资较大，且电容器在用电设备停止工作时，它也一并被切除，所以利用率不高。
低压成组补偿是将移相电容器装设在车间变电所的低压母线上，这种补偿方式能补偿车间变电所低压母线前的车间变电所主变压器和厂内高压配电线及前面电力系统的无功功率，其补偿范围较大。由于这种补偿能使变压器的视在功率减小从而使变压器容量选得小一些，比较经济，而且它安装在变电所低压配电室内，运行维护方便。同时由于我厂存在谐波源，车间变压器的存在，也起到了隔离和衰减谐波的作用。有利于低压移相电容器的安全稳定运行。
综合以上三种补偿方式的优缺点，根据我厂的实际情况，我们选择了低压成组补偿方式。
（二）、补偿容量的确定
对于车间变（配）电所，安装的容性无功量应等于装置所在母线上的负载按提高功率因数所需补偿的容性无功量与变压器所需补偿的容性无功量之和。
负载所需补偿的装置容量Kvar（千乏）按下式考虑
QC1=P（tgφ1-tgφ2）
Qc1——负荷所需补偿的容性无功量(Kvar)
P——母线上的平均有功负荷功率
φ1——补偿前的功率因数角
φ2——补偿后的功率因数角
2)变压器所需补偿的装置容量Kvar（千乏）按下式考虑：
QC2= (UK%/100+IO%/100 ) Se
Qc2——变压器所需补偿的容性无功量(Kvar)
Uk％——变压器阻抗电压的百分数
I0％——变压器空载电流的百分数
Se——变压器额定容量（KVA）
（三）、低压成组补偿设备的选择：
选择补偿设备，应在充分考虑安全性的同时，根据各厂实际情况，从实用性、可靠性入手，将费效比最大化。
1、投切方式的选择：
电容投切有两种方式：人工投切和自动投切。人工投切对运行人员是件繁重的工作，且难以实现及时准确地操作，影响供电电压质量。我们采用自动投切方式。可实现电容器的自动投切，我们采用了JKG系列无功功率自动补偿控制器，这种控制器能随意设定投入门限、投入延时、切除延时、过压门限、过压延时、欠流切除等参数，能自动跟踪功率因数变化合理选择电容组数，还能在功率因数超前时快速切除已投电容。在我厂的应用中，这种控制方式能满足我厂的实际要求。
2、移相电容器的选择
我厂选用的电容器为BSMJ0.415-18-3型自愈式移相电容器。该电容器的额定工作电压415V，容量18Kvar，三相三角形接法，具有自放电功能，最高过电压110％额定电压，最高过电流130％额定电流。
电容容量的确定要考虑到开关、接触器的容量，补偿梯度大小对电气设备的影响及维修成本，还有各厂实际使用习惯。我厂广泛采用18 Kvar三相移相电容器，我们认为其补偿梯度合理，设备费效比高。
额定电压的确定要考虑到变压器低压母线电压的波动和补偿后母线电压升高的因素，并联补偿移相电容器的额定电压应大于并联补偿移相电容器的实际工作电压。
3、断路器的选择
QF1—QFn为单台电容器提供主保护，我厂选用GV3—M40施耐德空气开关。该开关具有过流和速断保护功能，我们一般将空开过流整定值整定在30A左右，可有效保护电容过电流。该开关分断能力强，分断电流可达35KA，可靠性也比较高，单台电容器故障时能可靠切除，不影响其它电容器的运行。QF我们选用施耐德NS型塑壳断路器，该断路器具有电子式过流和速断保护功能，动作准确可靠，分断能力极强，并具有稳定可靠的限流能力，可作为整套电容器组的后备保护。采用上述两种开关后，我们完全可以将电容故障限制在电容柜内，而不对配电系统产生影响。
补偿效果：
通过对全厂供配电系统安装并联移相电容器组，向电网提供可阶梯调节的容性无功，补偿多余的感性无功，使我厂实际功率因数提高到0.95以上，补偿效果明显。
减少供电损耗，节约电费
以线损为例，我厂年用电量约为2亿千瓦时，补偿前线损率约为5％，补偿后功率因数从0.87提高到0.95,则每年可减低线损约为200万千瓦时,按每度电0.4元计算,可节约电费开支80万元，加上电力系统功率因数奖60万元，每年共计节约电费开支140万元。
提高设备利用率
功率因数从0.85提高到0.95，设备利用率提高11.8% 。减少设备投资，充分发挥设备潜能。
改善供电质量
随着现代工业的发展，人们对电能的需求量越来越大，对电能质量的要求也越来越高。目前电力网中的电力负荷如感应式异步电动机、变压器等，大部分属于感性负载，在运行过程中需要向这些设备提供相应的无功功率，使电网的功率因数降低。为了对电力负荷设备进行更好的监测，针对具体情况采取相应的措施，有必要对电网的功率因数进行检测。在三相电网的功率因数测量中，一般假设电网是三相平衡的，此时任意一相的功率因数就相当于三相系统的功率因数。由于测量单相功率因数需要中性点（如果采用三相四线制），在某些应用场合有很大的不便，因此本文提出了通过采样三相中一相的电流以及另外两相的线电压之间的相位差来得到三相系统的功率因数的检测方法。
由于利用该方法测量功率因数的接线方式有12种，每种接线方式的相位关系又不一样，所以功率因数的计算以及超前滞后的判断方法也有些差别。因此如何使功率因数的检测与接线方式无关将成为一个重点。由于相关文献较少，因此对与接线无关的三相功率因数检测方法进行研究有着重要意义。
本文利用电网三相电压、电流间的相位角关系，通过直接检测相电流相邻的方波信号上升沿的时间差以及相电流和线电压的相邻的两个方波的上升沿的时间差，来确定功率因数以及功率因数的超前滞后情况，从而得到了一种与接线无关的三相功率因数检测方法。
1工作原理
设三相的电压分别为Ua、Ub、Uc，电流分别为Ia、Ib、Ic，假设电网三相平衡，则它们的表达式如下：
Ua＝UmSinωt
Ub＝UmSin(ωt－120°)
Uc＝UmSin(ωt＋120°)
Ia＝ImSin(ωt－φ）
Ib＝ImSin（ωt－φ－120°）
Ic＝ImSin（ωt－φ＋120°）
式中，Um表示每相电压幅值，Im表示每相电流幅值，ω表示角频率，表示相电流滞后相电压的相角（功率因数角）。由此可以得到：
其中，－Ia表示负A相电流，－Ib表示负B相电流，－Ic表示负C相电流。可见，采用其中一相的相电流和另外两相的线电压之间的相位差来测量功率因数的接线方式有12种，分别为：Ia，Ubc；Ia，Ucb；Ib，Uca；Ib，Uac；Ic，Uab；Ic，Uba；－Ia，Ubc；－Ia，Ucb；－Ib，Uca；－Ib，Uac；－Ic，Uab；－Ic，Uba。下面以Ia，UbcI型接线和Ia，UcbII型接线两种接线方式来讨论的计算。
1．1I型接线φ的计算
设α为Ubc滞后Ia的相角，由于Ia滞后Ua的相角为φ，而Ubc滞后Ua的相角为90°，所以有α＝90°－φ。针对三种负载情况，α表达式如下：
在电路设计中，若把A相相电流和Ubc线电压的采样信号放大后，再进行上升沿过零触发，即可得到反映相位的方波信号。针对纯阻性负载、容性负载和感性负载，经过上升沿过零触发后可得到相电流和线电压的方波信号，从而得到如图1（a）所示的一组波形，从上到下分别为相电流与线电压的正弦波、上升沿过零触发后的方波、纯阻性负载电流与电压上升沿时间差、容性负载电流与电压上升沿时间差(图中取φ＝－45°)、感性负载电流与电压上升沿时间差(图中取φ＝45°)。τ为相电流与线电压的上升沿的时间差，τ的宽度随φ的变化而变化。
图1A相相电流与线电压波形图
设T为正弦波的周期，则τ和T满足下面的表达式：
显然，α＝（τ／T）×360°。根据α与的关系，可以得到：
因此，针对A相电流Ia和线电压Ubc的接线方式，超前滞后的判断和相位角的绝对值｜｜的计算表达式如下：
T／4＜τ≤T／2，超前；
0≤τ＜T／4，滞后；
｜φ｜＝｜（τ／T）×360°－90°｜（1）
1．2II型接线的计算
设α为Ucb滞后Ia的相角，由于Ia滞后Ua的相角为，而Ucb滞后Ua的相角为270°，所以α＝270°－。针对三种负载情况，有如下表达式：
同理，按照Ia、Ubc的分析方法，可以得到如图1（b）所示的一组波形。此时τ和T满足下面表达式：
显然，α＝（τ／T）×360°。根据α与角的关系，可以得到：
因此，针对A相电流Ia和线电压Ucb的接线方式，超前滞后的判断和相位角的绝对值｜｜的计算表达式如下：
3T／4＜τ≤T，超前；
T／2≤τ＜3T／4，滞后；
｜｜＝｜τ／T×360°－270°｜（2）
1．3与接线无关的功率因数测量原理
采用同样的分析方法，可以发现－Ia，Ucb；Ib，Uca；－Ib，Uac；Ic，Uab；－Ic，Uba等五种接线方式的相对位置的波形图与Ia，Ubc接线方式的一样，其的计算同式（1）；而－Ia，Ubc；Ib，Uac；－Ib，Uca；Ic，Uba；－Ic，Uab等五种接线方式的相对位置的波形图与Ia，Ucb接线方式的一样，其的计算同式（2）。
因此，直接检测相电流的两个相邻的方波信号上升沿的时间差，即可得到周期T；检测相电流线电压的相邻的两个上升沿过零触发方波的上升沿的时间差，即可得到时间τ；根据τ落在周期T的范围可确定接线方式是属于I型还是II型，然后参照相应的计算公式可以很容易算出相位角以及超前滞后情况，从而得到三相系统的功率因数，这样就可以做到功率因数的检测与具体的三相接线方式无关。
2信号的获取
由与接线无关的三相功率因数测量方法的工作原理可知，获取三相电网中一相的相电流和另外两相的线电压信号是本测量方法实现的一个重点。下面简述该测量方法的信号获取过程。
中图分类号:TP274文献标识码:B
文章编号:1004-373X(2009)12-192-03
High Power Factor Power Design
LEI Dan,LI Huizhong
(Wuchang Branch,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan,430068,China)
Abstract:Power factor design is the key indicator of power supply,power supply has always attached importance to developing technical problems.Power supply uses PFC control circuits that using UCC28019 of TI which can Significantly increase the power factor.The power supply consists of six parts which are AC/DC conversion circuits,DC/DC conversion circuits,power factor detection circuits,PFC control circuits,digital set,measuring circuits and protection circuits.AC/DC conversion circuits using not controlled rectifier,DC/DC conversion circuits using boost topology,which can output voltage that the value is 30~36 V.Power supply uses MSP430F247 SCM can accomplish digital set and measurement.This system has some advantage:intuitive features,good stability,improved power factor.
Keywords:boost topology;power factor test;UCC28019;MSP430F247
1 方案论证
1.1 DC/DC主回路拓扑方案
方案1:Buck型拓扑结构变换器
该方案可在隔离变压器输出端进行三倍压整流,再将直流电压通过Buck型拓扑结构进行降压变换实现。但采用Buck型变换器输入端电压偏高,驱动电路和控制电路的电源方案较麻烦,并且可靠性不高。
方案2:Cuk型拓扑结构变换器
它的输出电压极性与输入电压相反,但其值可以高于、等于或低于输入电压的值。其输入和输出电流都是连续的,经两个电感的补偿耦合,将输入和输出的波纹电流和电压抑制到零,但内部谐振使传递作用断续或在某些频率上削弱输入波纹抑制。在耦合电感线圈和变压器隔离的结构中,由于“开关导通”初期的冲击耦合电流会引起输出电压反向,并且也存在稳定性问题。
方案3: Boost型拓扑结构变换器
Boost电路的输出电压极性与输入电压相同,但总是高于输入电压。输入电流是连续的,只需要较小的输入滤波。输出电压与负载电流无关,并且输出电阻非常低,硬件上容易实现,且控制简单,技术成熟。
通过以上综合分析比较,Boost型拓扑结构变换器是DC/DC变换器的理想选择。
1.2 系统控制方案
方案1: 幅度控制方式,即通过改变开关电源输入电压的幅值而控制输出电压大小的控制方式。这种方式效率很低,当低压输出时,将造成大部分能量消耗在调整管或电阻上。
方案2:脉冲宽度控制,指功率管的开关工作频率(即开关周期)固定,是一种直接通过改变导通时间(即占空比)来控制输出电压大小的方式,它采用升压型(Boost)或降压型(Buck)拓扑结构来实现输出电压的改变。这种控制又称PWM控制。
由于PWM控制方式采用了固定的开关频率,因此,设计滤波电路时简单方便。综合比较,采用方案二作为控制方法。
2 硬件设计与主要参数计算
2.1 系统总体电路框架
根据题目的设计要求,系统由AC/DC变换电路、DC/DC变换电路、功率因数检测电路、PFC控制电路、数字设定及测量显示电路、保护电路等6大部分组成。其系统电路总体框架如图1所示。
图1 系统总体框架
2.2 DC/DC变换模块
DC/DC采用Boost变换电路,其电路结构如图2所示。
图2 boost变换电路
2.2.1 二极管参数
在功率MOSFET截止期间,VD正向偏置而导通,最大流通电流达2 A左右;在MOSFET导通期间,VD反向偏置而截止,此时二极管反向电压为Vin。为了确保电路的可靠性,故选取整流二极管MUR3060。
2.2.2 功率开关管参数
功率开关MOSFET所要承受的基本电压为截止时所承受的电压Vin,导通时所要承受的导通电流为2 A。为确保电路的可靠性,应考虑适当的安全裕量,故选取功率开关管IRFP150N,其耐压、耐流完全满足要求。
2.2.3 储能电感参数
变换器中的电感线圈在任何正常条件下不能饱和,并且为了有好的效率,线圈和磁心的损耗必须要小。理论上电感可具有任何值,大电感可具有低波纹电流,且轻载时可连续导通,但负载瞬态响应差。小的电感波纹电流大,增加了开关损耗和输出波纹。在轻载时出现不连续导通,且导致系统不稳定。可是,其瞬态响应性能好,效率高,尺寸小,所以电感的选择只能折中,通常选择使临界电流低于最小规定负
载电流的电感,或按可接受的波纹电流尽可能地以小的标准来选择。 电感量通过公式:
LRSF(min)≥VoutD(1-D)/(fSW(typ)IRIPPLE)
计算出:L≥0.07 mH。另外,输出电流达到2 A,功率较大,由于参数类型特殊,普通电感远达不到要求,故选用粗铜线与环型磁铁的自制电感。
2.2.4 输出滤波电容参数
输出滤波电容C两端电压为输出电压Vout。C的滤波使输出Vout的波形连续。对DC/DC转换器而言,工作频率越高,所要求的电容值越低。设计中选用4 700 μF的电容。
2.3 PFC控制模块
开关电源是借助开关器件的开/关(ON/OFF)实现能量交换的。输出控制由晶体管的导通时间决定。实际上PWM控制就是控制开关管导通的占空比。结合控制方式及功率因数的要求,设计中选用TI公司提供的具有功率因数校正功能的UCC28019芯片作为PFC控制模块。UCC28019 为8引脚连续电流模式(CCM) 控制器,其重要元件参数的计算如下:
C7=gmiM1/K12πf1AVG=910 pF
式中:gmi=0.95 ms;M1=0.4;K1=7;f1AVG=9.5 kHz。
C11 =(gmv fv/fPWM_PS)/(10GVLdB(f)/20×2πfv)
=3.88 μF
式中:gmv=42 μs;fv=10 Hz;fPWM_PS=1.589 Hz,10GVLdB(f)/20=100.709 0 dB/20,fv=10 Hz。
R11=1/ (2πfZEROCvCOMP)= 30.36 kΩ
式中:fZERO=1.589 Hz,CvCOMP= 3.3 MF。
C12=CvCOMP /(2πfPOLERvCOMPCvCOMP -1)=0.258 μF
式中:fPOLE=20 Hz,RvCOMP=33 kΩ,CvCOMP =3.3 MF。
PFC控制模块与各电路连接见图3。
图3 PFC控制模块与各电路连接图
2.4 显示与测量模块
数字设定及显示,功率因数检测两部分由MSP430F247单片机、键盘和128×64液晶显示器构成。与普通LED相比,液晶显示界面与操作界更友好。
2.5 过流保护模块
过电流保护是一种电源负载保护功能,以避免发生包括输出端子上短路在内的过负载输出电流对电源和负载的损坏。出现过流时,控制信号使PWM输出脉宽变窄,输出电压迅速下降,从而抑制电流。
3 软件设计流程
系统软件设计分为两大部分,包括输出检测及显示;功率因数检测。
设计流程如图4所示。
图4 设计流程
4 系统测试
4.1 测试方法
(1)设定不同输出电压值,测量实际电压输出;
(2)设定某一固定输出电压值,调节U2从15~19 V变化,测量实际电压输出。
(3)设定某一固定输出电压值和U2,调节负载,测量实际电压输出。
4.2 测试仪器
测试仪器有:单相自耦调压器;普通数字万用表;四位半数字万用表;60 MHz数字示波器(双通道)。
4.3 测试主要数据
4.3.1 输出电压
当电压U2=18 V,负载电流为0.5～2 A时,设定和实际输出的电压见表1。
4.3.2 功率因数
功率因数计算如下:
λ=U2I21cos φ1/U2I2= I21cos φ1/I2=
νcos φ1cos φ=cos 15°=0.96
式中:U2,I2分别为变压器副边的电压和电流有效值;I21为I2中的基波分量;φ1为U2和I21之间的相位差。为计算简单,这里用U2,I2之间相位差的余弦cos φ作为功率因数。
表1 输出电压的设定值和实际输出值
设定值 /V实际输出值 /V设定值 /V实际输出值 /V
3030.43434.1
3131.23535.2
3232.53636.7
3333.6
4.3.3 电压调整率
输出电压设定值为36 V,当U2=15 V,Io=2 A时,Uo=35.7 V;当U2=17 V,Io=2 A时,Uo=35.8 V;当U2=19 V,Io=2 A时,Uo=36.0 V;电压调整率σv≤0.2%。
4.3.4 负载调整率
设定U2=17 V,输出为36 V,则Io=0.2 A时,Uo=35.9 V;Io=2 A时,Uo=35.8 V;负载调整率σL≤0.3%。
5 结 语
通过测试的数据显示,该设计较好地完成了预期设计目标,功率因数高达95%以上,稳定性好。但也有一定的不足,如输出存在杂波,输出电压设定值与实际输出值的误差较大等,这些问题有待以后的研究中进一步改善。
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功率因数是指电力网中线路的视在功率供给有功功率的消耗所占百分数。在电力网的运行中，我们所希望的是功率因数越大越好，如能做到这一点，则电路中的视在功率将大部分用来供给有功功率，以减少无功功率的消耗。用户功率因数的高低，对于电力系统发、供、用电设备的充分利用，有着显著的影响。适当提高用户的功率因数，不但可以充分地发挥发、供电设备的生产能力、减少线路损失、改善电压质量，而且可以提高用户用电设备的工作效率和为用户本身节约电能。因此，对于全国广大供电企业，特别是对于拥有自发电网的广大企业来说，若能有效地搞好低压补偿，不但可以减轻上一级电网补偿的压力，改善提高用户功率因数，而且能够有效地降低电能损失，减少用户电费。其社会效益及经济效益都会是非常显著的。目前，辽宁省本溪市本钢集团有限公司北营公司就有这样的三台50MW的发电机组。
一、影响功率因数的主要因素
首先我们来了解功率因数产生的主要原因。功率因数的产生主要是因为交流用电设备在其工作过程中，除消耗有功功率外，还需要无功功率。当有功功率P有一定时，如减少无功功率P无，则功率因数便能够提高。在极端情况下，当P无=0时，则其功率因素=1。因此提高功率因数问题的实质就是减少用电设备的无功功率需要量。影响功率因数主要是下面几个方面：
（一）异步电动机和电力变压器是耗用无功功率的主要设备
异步电动机的定子与转子间的气隙是决定异步电动机需要较多无功的主要因素。而异步电动机所耗用的无功功率是由其空载时的无功功率和一定负载下无功功率增加值两部分所组成的。所以要改善异步电动机的功率因数就要防止电动机的空载运行并尽可能提高负载率。变压器消耗无功的主要成份是它的空载无功功率，它和负载率的大小无关。因而，为了改善电力系统和企业的功率因数，变压器不应空载运行或长其处于低负载运行状态。
（二）供电电压超出规定范围也会对功率因数造成很大的影响
当供电电压高于额定值的10%时，由于磁路饱和的影响，无功功率将增长得很快，据有关资料统计，当供电电压为额定值的110%时，一般工厂的无功将增加35%左右。当供电电压低于额定值时，无功功率也相应减少而使它们的功率因数有所提高。但供电电压降低会影响电气设备的正常工作。所以，应当采取措施使电力系统的供电电压尽可能保持稳定。
（三）电网频率的波动也会对异步电机和变压器的磁化无功功率造成一定的影响
我们知道了影响电力系统功率因数的一些主要因素，因此我们要寻求一些行之有效的、能够使低压电力网功率因数提高的一些实用方法，使低压网能够实现无功的就地平衡，达到降损节能的效果。
二、低压网无功补偿的一般方法
低压无功补偿我们通常采用的方法主要有三种：随机补偿、随器补偿、跟踪补偿。下面简单介绍这三种补偿方式的适用范围及使用该种补偿方式的优缺点。
1. 随机补偿
随机补偿就是将低压电容器组与电动机并接，通过控制、保护装置与电机，同时投切。随机补偿适用于补偿电动机的无功消耗，以补偿磁无功为主，此种方式可较好地限制农网无功峰荷。
随机补偿的优点是：用电设备运行时，无功补偿投入，用电设备停运时，补偿设备也退出，而且不需频繁调整补偿容量。具有投资少、占位小、安装容易、配置方便灵活、维护简单、事故率低等特点。
2. 随器补偿
随器补偿是指将低压电容器通过低压保险接在配电变压器二次侧，以补偿配电变压器空载无功的补偿方式。配变在轻载或空载时的无功负荷主要是变压器的空载励磁无功，配变空载无功是农网无功负荷的主要部分，对于轻负载的配变而言，这部分损耗占供电量的比例很大，从而导致电费单价的增加，不利于电费的同网同价。
随器补偿的优点是：接线简单、维护管理方便、能有效地补偿配变空载无功，限制农网无功基荷，使该部分无功就地平衡，从而提高配变利用率，降低无功网损，具有较高的经济性，是目前补偿无功最有效的手段之一。
3.跟踪补偿
跟踪补偿是指以无功补偿投切装置作为控制保护装置，将低压电容器组补偿在大用户0.4kv母线上的补偿方式。适用于100kVA以上的专用配变用户，可以替代随机、随器两种补偿方式，补偿效果好。
跟踪补偿的优点是：运行方式灵活，运行维护工作量小，比前两种补偿方式寿命相对延长、运行更可靠。但缺点是控制保护装置复杂、首期投资相对较大。但当这三种补偿方式的经济性接近时，应优先选用跟踪补偿方式。
三、采取适当措施，设法提高系统自然功率因数
提高自然功率因数是在不添置任何补偿设备，采用降低各用电设备所需的无功功率减少负载取用无功来提高工矿企业功率因数的方法，它不需要增加投资，是最经济的提高功率因数的方法。下面将对提高自然功率因数的措施作一些简要的介绍。
1.合理使用电动机
合理选用电动机的型号、规格和容量，使其接近满载运行。在选择电动机时，既要注意它们的机械性能，又要考虑它们的电器指标。若电动机长期处于低负载下运行，既增大功率损耗，又使功率因数和效率都显著恶化。故从节约电能和提高功率因数的观点出发，必须正确地合理地选择电动机的容量。
2.提高异步电动机的检修质量
实验表明，异步电动机定子绕组匝数变动和电动机定、转子间的气隙变动时对异步电动机无功功率的大小有很大的影响。
3.？采用同步电动机或异步电动机同步运行提高功率因数
由电机原理知道，同步电动机消耗的有功功率取决于电动机上所带机械负荷的大小，而无功取决于转子中的励磁电流大小，在欠激状态时，定子绕组向电网“吸取”无功，在过激状态时，定子绕组向电网“送出”无功。因此，只要调节电机的励磁电流，使其处于过激状态，就可以使同步电机向电网“送出”无功功率，减少电网输送给工矿企业的无功功率，从而提高了工矿企业的功率因数。异步电动机同步运行就是将异步电动机三相转子绕组适当连接并通入直流励磁电流，使其呈同步电动机运行，这就是“异步电动机同步化”。因而只要调节电机的直流励磁电流，使其呈过激状态，即能向电网输出无功，从而达到提高低压网功率因数的目的。
4.合理选择配变容量，改善配变的运行方式
对负载率比较低的配变，一般采取“撤、换、并、停”等方法，使其负载率提高到最佳值，从而改善电网的自然功率因数。■
功率因数是指电力网中线路的视在功率供给有功功率的消耗所占百分数。在电力网的运行中，我们所希望的是功率因数越大越好，如能做到这一点，则电路中的视在功率将大部分用来供给有功功率，以减少无功功率的消耗。用户功率因数的高低，对于电力系统发、供、用电设备的充分利用，有着显著的影响。适当提高用户的功率因数，不但可以充分地发挥发、供电设备的生产能力、减少线路损失、改善电压质量，而且可以提高用户用电设备的工作效率和为用户本身节约电能。因此，对于全国广大供电企业、特别是对现阶段全国性的一些改造后的农村电网来说，若能有效地搞好低压补偿，不但可以减轻上一级电网补偿的压力，改善提高用户功率因数，而且能够有效地降低电能损失，减少用户电费。其社会效益及经济效益都会是非常显著的。
1 影响功率因数的主要因素
首先我们来了解功率因数产生的主要原因。功率因数的产生主要是因为交流用电设备在其工作过程中，除消耗有功功率外，还需要无功功率。当有功功率P有一定时，如减少无功功率P无，则功率因数便能够提高。在极端情况下，当P无=0时，则其功率因素=1。因此提高功率因数问题的实质就是减少用电设备的无功功率需要量。影响功率因素主要是下面几个方面。
1.1 异步电动机和电力变压器是耗用无功功率的主要设备
异步电动机的定子与转子间的气隙是决定异步电动机需要较多无功的主要因素。而异步电动机所耗用的无功功率是由其空载时的无功功率和一定负载下无功功率增加值两部分所组成的。所以要改善异步电动机的功率因数就要防止电动机的空载运行并尽可能提高负载率。变压器消耗无功的主要成份是它的空载无功功率，它和负载率的大小无关。因而，为了改善电力系统和企业的功率因数，变压器不应空载运行或长其处于低负载运行状态。
1.2 供电电压超出规定范围也会对功率因数造成很大的影响
当供电电压高于额定值的10%时，由于磁路饱和的影响，无功功率将增长得很快，据有关资料统计，当供电电压为额定值的110%时，一般工厂的无功将增加35%左右。当供电电压低于额定值时，无功功率也相应减少而使它们的功率因数有所提高。但供电电压降低会影响电气设备的正常工作。所以，应当采取措施使电力系统的供电电压尽可能保持稳定。
1.3 电网频率的波动也会对异步电机和变压器的磁化无功功率造成一定的影响
我们知道了影响电力系统功率因数的一些主要因素，因此我们要寻求一些行之有效的、能够使低压电力网功率因数提高的一些实用方法，使低压网能够实现无功的就地平衡，达到降损节能的效果。
2 低压网无功补偿的一般方法
低压无功补偿我们通常采用的方法主要有三种：随机补偿、随器补偿、跟踪补偿。下面简单介绍这三种补偿方式的适用范围及使用该种补偿方式的优缺点。
2.1 随机补偿
随机补偿就是将低压电容器组与电动机并接，通过控制、保护装置与电机，同时投切。随机补偿适用于补偿电动机的无功消耗，以补偿磁无功为主，此种方式可较好地限制农网无功峰荷。
随机补偿的优点是：用电设备运行时，无功补偿投入，用电设备停运时，补偿设备也退出，而且不需频繁调整补偿容量。具有投资少、占位小、安装容易、配置方便灵活、维护简单、事故率低等特点。
2.2 随器补偿
随器补偿是指将低压电容器通过低压保险接在配电变压器二次侧，以补偿配电变压器空载无功的补偿方式。配变在轻载或空载时的无功负荷主要是变压器的空载励磁无功，配变空载无功是农网无功负荷的主要部分，对于轻负载的配变而言，这部分损耗占供电量的比例很大，从而导致电费单价的增加，不利于电费的同网同价。
随器补偿的优点是：接线简单、维护管理方便、能有效地补偿配变空载无功，限制农网无功基荷，使该部分无功就地平衡，从而提高配变利用率，降低无功网损，具有较高的经济性，是目前补偿无功最有效的手段之一。
2.3 跟踪补偿
跟踪补偿是指以无功补偿投切装置作为控制保护装置，将低压电容器组补偿在大用户0.4kv母线上的补偿方式。适用于100kVA以上的专用配变用户，可以替代随机、随器两种补偿方式，补偿效果好。
跟踪补偿的优点是：运行方式灵活，运行维护工作量小，比前两种补偿方式寿命相对延长、运行更可靠。但缺点是控制保护装置复杂、首期投资相对较大。但当这三种补偿方式的经济性接近时，应优先选用跟踪补偿方式。
3 采取适当措施，设法提高系统自然功率因数
提高自然功率因数是在不添置任何补偿设备，采用降低各用电设备所需的无功功率减少负载取用无功来提高工矿企业功率因数的方法，它不需要增加投资，是最经济的提高功率因数的方法。下面将对提高自然功率因数的措施作一些简要的介绍。
3.1 合理使用电动机
合理选用电动机的型号、规格和容量，使其接近满载运行。在选择电动机时，既要注意它们的机械性能，又要考虑它们的电器指标。若电动机长期处于低负载下运行，既增大功率损耗，又使功率因数和效率都显著恶化。故从节约电能和提高功率因数的观点出发，必须正确地合理地选择电动机的容量。
3.2 提高异步电动机的检修质量
实验表明，异步电动机定子绕组匝数变动和电动机定、转子间的气隙变动时对异步电动机无功功率的大小有很大的影响。
3.3 采用同步电动机或异步电动机同步运行提高功率因数
由电机原理知道，同步电动机消耗的有功功率取决于电动机上所带机械负荷的大小，而无功取决于转子中的励磁电流大小，在欠激状态时，定子绕组向电网“吸取”无功，在过激状态时，定子绕组向电网“送出”无功。因此，只要调节电机的励磁电流，使其处于过激状态，就可以使同步电机向电网“送出”无功功率，减少电网输送给工矿企业的无功功率，从而提高了工矿企业的功率因数。异步电动机同步运行就是将异步电动机三相转子绕组适当连接并通入直流励磁电流，使其呈同步电动机运行，这就是“异步电动机同步化”。因而只要调节电机的直流励磁电流，使其呈过激状态，即能向电网输出无功，从而达到提高低压网功率因数的目的。
3.4 合理选择配变容量，改善配变的运行方式
对负载率比较低的配变，一般采取“撤、换、并、停”等方法，使其负载率提高到最佳值，从而改善电网的自然功率因数。
通过以上一些提高加权平均功率因数和自然功率因数的叙述，或许我们已经对“功率因数”这个简单的电力术语有了更深的了解和认识。
0 引言
无功补偿，就其概念而言早为人所知，它就是借助于无功补偿设备提供必要的无功功率，以提高系统的功率因数，降低能耗，改善电网电压质量。无功补偿的合理配置原则：①总体平衡与局部平衡相结合，以局部为主。②电力部门补偿与用户补偿相结合。在配电 网络 中，用户消耗的无功功率约占50%～60%，其余的无功功率消耗在配电网中。因此，为了减少无功功率在网络中的输送，要尽可能地实现就地补偿，就地平衡，所以必须由电力部门和用户共同进行补偿。③分散补偿与集中补偿相结合，以分散为主。集中补偿，是在变电所集中装设较大容量的补偿电容器。分散补偿，指在配电网络中分散的负荷区，如配电线路，配电变压器和用户的用电设备等进行的无功补偿。集中补偿，主要是补偿主变压器本身的无功损耗，以及减少变电所以上输电线路的无功电力，从而降低供电网络的无功损耗。但不能降低配电网络的无功损耗。因为用户需要的无功通过变电所以下的配电线路向负荷端输送。所以为了有效地降低线损，必须做到无功功率在哪里发生，就应在哪里补偿。所以，中、低压配电网应以分散补偿为主。④降损与调压相结合，以降损为主。
1 影响功率因数的主要因素
1.1 异步电动机和电力变压器是耗用无功功率的主要设备 异步电动机的定子与转子间的气隙是决定异步电动机需要较多无功的主要因素。而异步电动机所耗用的无功功率是由其空载时的无功功率和一定负载下无功功率增加值两部分所组成。所以要改善异步电动机的功率因数就要防止电动机的空载运行并尽可能提高负载率。变压器消耗无功的主要成份是它的空载无功功率，它和负载率的大小无关。因而，为了改善电力系统和 企业 的功率因数，变压器不应空载运行或长其处于低负载运行状态。
1.2 供电电压超出规定范围也会对功率因数造成很大的影响 当供电电压高于额定值的10%时，由于磁路饱和的影响，无功功率将增长得很快，据有关资料统计，当供电电压为额定值的110%时，一般工厂的无功将增加35%左右。当供电电压低于额定值时，无功功率也相应减少而使它们的功率因数有所提高。但供电电压降低会影响电气设备的正常工作。所以，应当采取措施使电力系统的供电电压尽可能保持稳定。
1.3 电网频率的波动也会对异步电机和变压器的磁化无功功率造成一定的影响
1.4 以上论述了影响电力系统功率因数的一些主要因素，因此必须要寻求一些行之有效的、能够使低压电力网功率因数提高的一些实用方法，使低压网能够实现无功的就地平衡，达到降损节能的效果。
2 低压配电网无功补偿的方法
提高功率因数的主要方法是采用低压无功补偿技术，我们通常采用的方法主要有三种：随机补偿、随器补偿、跟踪补偿。
2.1 随机补偿 随机补偿就是将低压电容器组与电动机并接，通过控制、保护装置与电机，同时投切。随机补偿适用于补偿电动机的无功消耗，以补励磁无功为主，此种方式可较好地限制用电单位无功负荷。随机补偿的优点是：用电设备运行时，无功补偿投入，用电设备停运时，补偿设备也退出，而且不需频繁调整补偿容量。具有投资少、占位小、安装容易、配置方便灵活，维护简单、事故率低等。
2.2 随器补偿 随器补偿是指将低压电容器通过低压保险接在配电变压器二次侧，以补偿配电变压器空载无功的补偿方式。配变在轻载或空载时的无功负荷主要是变压器的空载励磁无功，配变空载无功是用电单位无功负荷的主要部分，对于轻负载的配变而言，这部分损耗占供电量的比例很大，从而导致电费单价的增加。随器补偿的优点：接线简单、维护管理方便、能有效地补偿配变空载无功，限制农网无功基荷，使该部分无功就地平衡，从而提高配变利用率，降低无功网损，具有较高的 经济 性，是目前补偿无功最有效的手段之一。
2.3 跟踪补偿 跟踪补偿是指以无功补偿投切装置作为控制保护装置，将低压电容器组补偿在大用户0.4kv母线上的补偿方式。适用于100kva以上的专用配变用户，可以替代随机、随器两种补偿方式，补偿效果好。跟踪补偿的优点是运行方式灵活，运行维护工作量小，比前两种补偿方式寿命相对延长、运行更可靠。但缺点是控制保护装置复杂、首期投资相对较大。但当这三种补偿方式的经济性接近时，应优先选用跟踪补偿方式。
3 无功功率补偿容量的选择方法
无功补偿容量以提高功率因数为主要目的时，补偿容量的选择分两大类讨论，即单负荷就地补偿容量的选择（主要指电动机）和多负荷补偿容量的选择（指集中和局部分组补偿）。
3.1 单负荷就地补偿容量的选择的几种方法
3.1.1 美国资料推荐：qc=(1/3)pe
3.1.2 日本方法：从电气 计算 日文杂志中查到：1/4~1/2容量计算 考虑负载率及极对数等因素，按此法选取的补偿容量，在任何负载情况下都不会出现过补偿，而且功率因数可以补偿到0.90以上。此法在节能技术上广泛应用，对一般情况都可行，特别适用于io/ie比值较高的电动机和负载率较低的电动机。但是对于io/ie较低的电动机额定负载运行状态下，其补偿效果较差。
3.1.3 经验系数法：由于电机极数不同，按极数大小确定经验系数选择容量 比较接近实际需要的电容器，采用这种方法一般在70%负荷时，补后功率因数可在0.95~0.97之间
电机容量大时选下限，小时选上限；电压高时选下限，小时选上限4、qc=p实际测试比较准确方法此法适用于任何一般感性负荷需要精确补偿的就地补偿容量的 计算 。
3.1.4 如果测试比较麻烦，可以按下式：qc≤ √3ueio×10-3 (kvar)
io-空载电流=2ie(1-cosφe ) 瑞典电气公司推荐公式：qo<qc
若电动机带额定负载运行，即负载率β=1，则：qo<qc
根据电机学知识可知，对于io/ie较低的电动机（少极、大功率电动机），在较高的负载率β时吸收的无功功率qβ与激励容量qo的比值较高，即两者相差较大，在考虑导线较长，无功 经济 当量较高的大功率电动机以较高的负载率运行方式下，此式来选取是合理的。
3.1.5 按电动机额定数据计算：q=k(1-cos2φe )3ueie×10-3(kvar)
k为与电动机极数有关的一个系数
极数： 2 4 6 8 10
k值： 0.7 0.8 0.85 0.9
3.2 多负荷补偿容量的选择 多负荷补偿容量的选择是根据补偿前后的功率因数来确定。
3.2.1 对已生产 企业 欲提高功率因数，其补偿容量qc按下式选择：qe=kmkj(tgφ1-tgφ2)/tm 。式中：km为最大负荷月时有功功率消耗量，由有功电能表读得；kj为补偿容量计算系数，可取0.8～0.9;tm为企业的月工作小时数；tgφ1、tgφ2意义同前，tgφ1由有功和无功电能表读数求得。
3.2.2 对处于设计阶段的企业，无功补偿容量qc按下式选择：
qc=knpn(tgφ1-tgφ2)。式中kn为年平均有功负荷系数，一般取0.7～0.75;pn为企业有功功率之和；tgφ1、tgφ2意义同前。tgφ1可根据企业负荷性质查手册近似取值，也可用加权平均功率因数求得cosφ1。多负荷的集中补偿电容器安装简单，运行可靠、利用率较高。但电气设备不连续运转或轻负荷运行时，会造成过补偿，使运行电压抬高，电压质量变坏。因此这种方法选择的容量，对于低压来说最好采用电容器组自动控制补偿，即根据负荷大小自动投入无功补偿容量的多少，对高压来说应考虑采取防过补偿措施。
4 无功补偿的效益
