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提高发电机功率因素的方法和意义 |
摘要：柴油发电机组的功率因数（cosφ）就是交流电路中的电流与电压相位之差（通常是电流落后）角度的余弦值。发电机功率因数越高，电能的利用率越高。当功率因数最高为1时，表示相位差为零，全部电能都被负载所利用；当功率因数最低为0时，表示相位差为90°，全部电能都消耗在线路上，一点也没被负载所利用。因此，应当尽量提高发电机的功率因素，康明斯在本文中着重讲述了功率因素与相位之间的关系，以及提高发电机功率的方法。
一、发电机功率因素与相位关系
1、发电机功率因素的概述
多数发电机的功率因数为0.8，个别的功率因数可达0.85或0.9，示意图如图1所示。一般情况下，功率因数由额定值到1.0的范围内变化时，发电机的出力可以保持不变，但为保持系统的静态稳定，要求功率因数不能超过0.95，也就是无功负荷不得小于有功负荷的1/3。当发电机的功率因数低于额定值时，由于转子电流增大，会使转子温度升高，此时，应调整负荷，降低发电机的出力。否则，转子温度可能超出极限值。所以，运行时值班人员必须注意调整负荷，使转于电流不超过在该冷却空气进口温度下的允许值。一般功率因数都是0.8-0.9左右！这个要根据这台柴油发电机组所规定的功率因数参数和发电机的要求。如果是调峰柴油发电机组，可能白天和晚夜就不一样的。
由Q=UIsinΦ和P=UIcosΦ知，若柴油发电机组发出的无功越多，功率因数就是减小，在发电机输出功率不变的情况下，机端的电压会升高。无功越多，励磁电流就会增大，柴油发电机组的定、转子温度会有所升高，过高的话，两者的绝缘可能也会受到威胁呢.反之，如果功率因数过高，柴油发电机组所发的无功功率就是很少啦！机端电压也会降低，就会降低运行的稳定性很容易失步或有可能会造成柴油发电机组进相运行。
所以柴油发电机组运行时，注意机端电压在规定值和保证柴油发电机组不进相运行就可以了。
为了保证柴油发电机组的稳定运行，发电机的功率因数一般不应超过迟相0.95运行，或无功负荷应不小于有功负荷的1/3。在发电机自动调整励磁装置投入运行的情况下，必要时发电机可以在功率因数为1.0的情况下短时运行，长时间运行会引起发电机的振荡和失步。目前大柴油发电机组基本上不允许进相运行，有的大柴油发电机组正在进行进相试验，运行人员应根据本柴油发电机组的情况及时调整。当功率因数低于额定值时，发电机出力应降低，因为功率因数越低，定子电流中的无功分量越大，转子电流也必然增大，这会引起转子电流超过额定值而使其绕组发生过热现象，试验证明，当功率因素等于0.7时，发电机的出力将减少8%。因此发电机在运行中，若其功率因数低于额定值时，值班人员必须及时调整，使出力尽量带到允许值，而转子电流不得超过额定值。
2、同步发电机的功率角与相位关系
（1）发电机电压和电流的初相位
三相交流同步发电机带载运行时，其电压和电流的初相位相同时，此时相位差θ角度为0，功率因数cosθ=1，表示为纯电阻电路，如图2所示，三相电压Va、Vb、Vc之间相位角相差120°，三相电流Ia、Ib、Ic之间相位角相差120°，A相电压Va与A相电流Ia之间的初相角相同，相位差θ角度为0，B相和C相的情况与A相同理，此时发电机输出的电能全部做有用功，线路中没有无功损耗，是最理想的节能工作状况，不过对发电机供电来说功率因数过高会造成线路中无功裕量过低，会影响系统的稳定性。
（2）电流相位滞后电压相位
在发电机的工作电流相位滞后电压相位一个θ角度时，这个功率因数角为负值，功率因数cosθ＜1，对于负载来说是具有吸收感性的无功功率，功率因数是滞后的，如图3所示，三相电压Va、Vb、Vc之间相位角相差120°，三相电流Ia、Ib、Ic之间相位角相差120°，A相电压Va与A相电流Ia之间的初相位相差θ角度即电流相位滞后于电压相位一个θ角度，B相和C相的情况与A相同理，在通常的电路中大部分负载都是呈现感性的负载，此时发电机输出的电能一部分做有用功，一部分做无用功，这是最常见的电路状况。
（3）电流相位超前电压相位
在发电机的工作电流相位超前电压相位一个θ角度时，这个功率因数角为正值，功率因数cosθ＜1，对于负载来说是有发出容性的无功功率，功率因数是超前的，如图4所示，三相电压Va、Vb、Vc之间相位角相差120°，三相电流Ia、Ib、Ic之间相位角相差120°，A相电压Va与A相电流Ia之间的初相位相差θ角度即电流相位超前于电压相位一个θ角度，B相和C相的情况与A相同理，此时发电机输出的电能做有用功，吸收无用功。
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发电机功率因素示意图 |
发电机电压与电流初始角相同时波形图 |
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发电机滞后电压初始角波形图 |
发电机超前电压初始角波形图 |
二、功率因素对发电机的影响
在满负荷的情况下，功率因数对发电机的影响主要体现在其稳定性、效率和寿命上。因此，为了保持发电机的正常运行和效率，需要保持合理的功率因数，并定期进行维修保养。
1、功率因数过高
当功率因数过高，即无功功率过低时，会减少系统的无功裕量，影响发电机的稳态稳定性。
虽然提高了经济性，但从长远来看，这是以增加事故的概率换来的，一旦有突发事故发生，发电机可能经受不起小的扰动或震荡，有可能失步。
此外，无功过低将引起发电机端电压下降，影响发电机的正常工作，甚至可能导致整个系统失去稳定运行而崩溃。发电机进相运行时，端部容易发热。
2、功率因数过低
当功率因数过低时，即无功功率过高，会导致励磁电流上升，转子绕组温度上升，缩短其寿命。
当功率因数低于额定值时，发电机出力应降低，因为功率因数愈低，定子电流的无功分量越大，由于感性无功起去磁作用，所以抵消磁通的作用愈大，为了维持定子电压不变必须增加转子电流，此时若仍维持发电机出力不变，则必然会使转子电流超过额定值，引起转子温度超过允许值。
同时，这会增加电力传输过程中的功率损耗，降低发电机的效率。此外，发电机端电压可能上升，导致铁芯内磁通密度增加和损耗增加，进而使铁芯温度上升。若功率因数过低，发电机的出力将受限，大大降低发电机的效率。
所以在平时的运行监视中，操作人员要做到合理分配各柴油发电机组的有功、无功负荷。并要根据电压来调整，电压偏低要多发无功，电压偏高要少发无功，通过调整有功和无功的比例，控制电压和运行电流，确保发电机在安全、经济的条件下运行。
三、提高发电机功率因素方法和意义
（1）增加感性负载
感性负载是指电感器件所组成的负载，这种负载的特点是在发电机提供电力时产生磁场和暂态感应电流，所以可以提高功率因数。
（2）减少容性负载
容性负载是指电容器件所组成的负载，这种负载的特点是在发电机提供电力时产生电场，并消耗电力，所以会降低功率因数。
（3）使用功率因数补偿设备
功率因数补偿设备是一种能自动实现功率因数校正的设备，可以通过改变电容和电感将发电机的功率因数调整到一个合适的范围内。
（4）改善电力质量
改善电力质量是指采取一系列措施，保证柴油发电机组的稳定性和电能质量。可以采取的措施包括优化负载结构、保持电源稳定、控制电压变化等。
2、功率因数提高的意义
（1）提高电网的稳定性和效率
功率因数越高，电网的稳定性和效率也就越高。因为当功率因数低于0.9时，会对电网造成很大的负担，甚至会引起电网的不稳定性和损耗。所以提高发电机功率因数可以减轻电网负荷，使电网运行平稳。
（2）减少电能损耗和成本
当发电机的功率因数提高时，就可以减少电能损耗和成本，因为提高功率因数可以减少无功功率的损失，而无功功率是不会做功的功率。所以提高功率因数可以减少电能的浪费，节省成本。例如：当cosØ=0.5时的损耗是cosØ=1时的4倍。
（3）改善电力质量。
低功率因数可能导致电压波动和电流谐波，影响电力系统的稳定性和质量。通过提高功率因数，可以减小电压和电流的波形畸变，使电力系统的运行更加平稳、可靠。
（4）降低能源传输过程中的损耗
在能源传输过程中，功率因数的低值会导致更大的电流流动，增加输电线路，降低传输效率。提高功率因数可以减少电流流动，降低线损，提高传输效率，有助于降低发电的运营成本，促进可持续发展。
（5）提升用电设备的利用率
提高功率因数相当于提升了用电设备的利用率，提高设备工作效率。因发电机的发电容量的限定，故提高cosØ也就使发电机能多出有功功率。
（6）增加供电量裕度
通过改善功率因数，可以减少供电系统中的电压损失，使负载电压更稳定，改善电能的质量。
总结：
发电机功率因数的提高可以提高电网的稳定性和效率，减少电能损耗和成本。为了提高功率因数可以采取多种措施，包括增加感性负载、减少容性负载、使用功率因数校正设备和改善电力质量等。在实际生产和使用中，需要根据实际情况来选择最合适的办法。
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