用電功率因數(shù)是指用電負(fù)荷的有功功率與視在功率的比值。電力用戶用電設(shè)備，如變壓器、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、電力線路等，除從電力系統(tǒng)吸取有功功率外，還要吸取無(wú)功功率。無(wú)功功率僅完成電磁能量的相互轉(zhuǎn)換，并不作功。無(wú)功和有功同樣重要，沒(méi)有無(wú)功，變壓器不能變壓，電動(dòng)機(jī)不能轉(zhuǎn)動(dòng)，電力系統(tǒng)不能正常運(yùn)行。無(wú)功功率的消耗導(dǎo)致用電功率因數(shù)降低，因而占用了電力系統(tǒng)發(fā)供電設(shè)備提供有功功率的能力，或增加了發(fā)送無(wú)功功率的設(shè)施，同時(shí)也增加了電力系統(tǒng)輸電過(guò)程中的有功功率損耗。因而世界各國(guó)電力企業(yè)對(duì)電力用戶的用電功率因數(shù)都有要求，并按用戶用電功率因數(shù)的高低在經(jīng)濟(jì)上給予獎(jiǎng)懲。

隨著經(jīng)濟(jì)的日益發(fā)展,電力需求不斷提高,伴隨而來(lái)的突出問(wèn)題是能源無(wú)效的巨大消耗,資源利用率低下1電力系統(tǒng)是一龐大的系統(tǒng),其電能損耗的數(shù)值相當(dāng)可觀,能源的合理配置是極需解決的問(wèn)題。功率因數(shù)是決定發(fā)供電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的一個(gè)極為重要的因素,它直接反映了系統(tǒng)中有功功率與無(wú)功功率的分配1對(duì)于發(fā)供電系統(tǒng)來(lái)說(shuō),對(duì)負(fù)荷不但要求有高的負(fù)荷率,而且也要求有高的功率因數(shù).

1、電力網(wǎng)絡(luò)的功率因數(shù)
電力網(wǎng)絡(luò)除了要負(fù)擔(dān)用電負(fù)荷的有功功率P,還要負(fù)擔(dān)負(fù)荷的無(wú)功功率Q1有功功率P、無(wú)功功率Q和視在功率S之間存在下述關(guān)系:
S=P2+Q2而P與S之比即:PS=cosφ
被定義為電力網(wǎng)絡(luò)的功率因數(shù),其物理意義是線路的視在功率S供給有功功率的消耗所占百分?jǐn)?shù)1在電力網(wǎng)的運(yùn)行中,我們所希望的是功率因數(shù)越大越好,如能做到這一點(diǎn),則電路中的視在功率將大部分用來(lái)供給有功功率,以減少無(wú)功功率的消耗

2、低功率因數(shù)的不利表現(xiàn)
2.1、電流大對(duì)于一個(gè)給定的負(fù)荷,當(dāng)供電電壓一定時(shí),則功率因數(shù)越低,電流就越大,因?yàn)?Ic=P3Ucosφ
(1)式中:P為用電負(fù)荷的有功負(fù)荷;U為線電壓1
可見(jiàn),供電電流Ic與功率因數(shù)成反比。我們知道,發(fā)電機(jī)與變壓器的額定容量都是正比于其輸出電流,從而也就反比于功率因數(shù),所以,在供出同樣功率的條件下,電壓一定時(shí),功率因數(shù)越低,則要求發(fā)電機(jī)與變壓器的容量也就越大,因此,發(fā)電機(jī)與變壓器的投資也就越高。
2.2、銅損大在一定的負(fù)荷下,輸電線路功率因數(shù)低時(shí),其銅損大1線路損失公式如下:&P=3I2c×R×10-3(kW)
把(1)代入其中就得到：&P=3P23UP2cos2φ×R×10-3=P2×R×10-3U2cos2φ(kW)=K×1cos2φ
由此可見(jiàn),設(shè)備的銅損正比于電流的平方,從而反比于功率因數(shù)的平方1功率因數(shù)越低,則電氣設(shè)備中的銅損就越大,效率也就越低1與此相似,當(dāng)系統(tǒng)的功率因數(shù)很低時(shí),對(duì)于傳遞同樣的功率,則電流加大。所以若導(dǎo)線尺寸相同,則電能傳輸系統(tǒng)意味著有更大的能量損失,或者說(shuō),對(duì)于同樣的能量損失,要求有更粗的導(dǎo)體。
2.3、投資高從公式(1)可知,對(duì)于一給定的負(fù)荷,在低功率因數(shù)下,母線的截面、保護(hù)開(kāi)關(guān)的導(dǎo)電面積,都必須加大才能通過(guò)更大的電流,故此,投資亦需增加。

3　低功率因數(shù)產(chǎn)生的主要原因
3.1　勵(lì)磁電流的影響
變壓器都帶有勵(lì)磁電流,它對(duì)于感應(yīng)電勢(shì)來(lái)說(shuō),總是滯后的1在正常情況下,勵(lì)磁電流不致影響功率因數(shù),但當(dāng)輕負(fù)荷運(yùn)行時(shí)(如一個(gè)居民區(qū)的配電變壓器在夜間主要供應(yīng)照明負(fù)荷,因此,半夜以后照明負(fù)荷急劇減少,配電變壓器就進(jìn)入輕負(fù)荷),原端功率因數(shù)就降低。
3.2　感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的使用
大量使用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)也會(huì)造成系統(tǒng)功率因數(shù)降低,因?yàn)椴豢赡芩械碾妱?dòng)機(jī)都在滿負(fù)荷運(yùn)行。當(dāng)電動(dòng)機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí),功率因數(shù)可達(dá)到85%;當(dāng)電動(dòng)機(jī)在75%額定負(fù)荷運(yùn)行時(shí),功率因數(shù)為0.8;而當(dāng)電動(dòng)機(jī)在50%額定負(fù)荷運(yùn)行時(shí),功率因數(shù)為0.7;若電動(dòng)機(jī)空載運(yùn)行,則功率因數(shù)為0.2～0.3。可見(jiàn),大量使用電動(dòng)機(jī)而這些電動(dòng)機(jī)又不能全部都滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí),系統(tǒng)的功率因數(shù)必然降低。
3.3　氣體放電燈的使用氣體放電燈在居民與工業(yè)、商業(yè)照明中正越來(lái)越廣泛地應(yīng)用,而氣體放電燈也是以低功率因數(shù)運(yùn)行的。
3.4　修理過(guò)的電動(dòng)機(jī)的使用由于在用戶中不可避免地大量使用著修理過(guò)的電動(dòng)機(jī),這些修理過(guò)的電動(dòng)機(jī),通常其定子繞組匝數(shù)少于原來(lái)的匝數(shù),因此,這些電動(dòng)機(jī)中漏磁通增加,造成電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)降低。

4 　提高功率因數(shù)的意義
4. 1 　能夠降低生產(chǎn)成本、減少投資、改善設(shè)備的利用率
功率因數(shù)可以表示成下述形式
cosφ =P/S=P/3UI
可見(jiàn),在一定的電壓和電流下,提高co sφ ,其輸出的有功功率越大1 因此, 改善功率因數(shù)是充分發(fā)揮設(shè)備潛力、提高設(shè)備利用率的有效方法。
4. 2 　可以減少線路壓降、改善電壓質(zhì)量
電力網(wǎng)的電壓損失可借下式求出線路電壓降為:
&U =PR + QX/U
這里, P 是線路有功負(fù)荷;Q 是線路無(wú)功負(fù)荷; R 與X 分別是線路電阻與電抗;U 是線路供電電壓1 如果采用容抗為Xc 的電容來(lái)補(bǔ)償,則電壓損失為:
&U =PR + Q( X - Xc)/U
故采用補(bǔ)償電容提高功率因數(shù)后,電壓損失ΔU 減小,改善了電壓質(zhì)量1 再由(5) 或(6) 可知,無(wú)功負(fù)荷越小,則線路電壓降就越小/
4. 3 　能夠提高電力網(wǎng)的傳輸能力、提高能源的利用率、降低電力成本、增加經(jīng)濟(jì)效益
由于視在功率與有功功率成以下關(guān)系
P = S cosφ
Q = S2 - P2 = S ×sinφ = S × 1 - cos2φ
所以,當(dāng)在傳送一定有功功率P 的條件下,cosφ越高,所需視在功率越小。而當(dāng)有功負(fù)荷一定時(shí),若功率因數(shù)值越大, 則由(8) 可知, 無(wú)功負(fù)荷就越小, 充分發(fā)揮了發(fā)、供電設(shè)備的
生產(chǎn)能力,提高了經(jīng)濟(jì)效益。

5 　提高功率因數(shù)的方法
提高功率因數(shù)的途徑主要在于如何減少電力系統(tǒng)中各個(gè)部分所需的無(wú)功功率,特別是減少負(fù)荷取用的
無(wú)功功率,使電力系統(tǒng)在輸送一定的有功功率時(shí),可降低其中通過(guò)的無(wú)功電流1
提高功率因數(shù)的方法很多,但總的來(lái)說(shuō)可以歸結(jié)為兩大類:
5. 1 　提高自然功率因數(shù)的方法
采用降低各用電設(shè)備所需的無(wú)功功率以改善其功率因數(shù)的措施,稱為提高自然功率因數(shù)的方法1 主要有:
(1) 　正確選用異步電動(dòng)機(jī)的型號(hào)與容量。據(jù)有關(guān)資料介紹,我國(guó)中小型異步電動(dòng)機(jī)的用電負(fù)荷約占電網(wǎng)總負(fù)荷的80 %以上,幾個(gè)主要電網(wǎng)中,電動(dòng)機(jī)所耗能占整個(gè)工業(yè)用電量的60 %～ 68 %左右1 因此做好電動(dòng)機(jī)的降損節(jié)能具有十分重要的經(jīng)濟(jì)意義1 正確選用異步電動(dòng)機(jī),使其額定容量與所帶負(fù)載相配合,對(duì)于改善功率因數(shù)是十分重要的1 在選型方面,要注意選用節(jié)能型,淘汰高能耗的電動(dòng)機(jī),并依據(jù)電機(jī)機(jī)械工作對(duì)啟動(dòng)力矩、啟動(dòng)次數(shù)、調(diào)速等方面的具體要求,選用不同的型號(hào)。 電動(dòng)機(jī)的效率η與功率因數(shù)cosφ是反映電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平的主要指標(biāo),都與負(fù)載率β有密切關(guān)系1 GB/ T 12497 - 90 對(duì)三相異步電機(jī)三個(gè)運(yùn)行區(qū)域規(guī)定如下:
當(dāng)負(fù)載率β在70 %～ 100 %之間時(shí),為經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū);
當(dāng)40 % ≤β ≤70 %時(shí),為一般運(yùn)行區(qū);
當(dāng)β < 40 % 時(shí),為非經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)1
(2) 　根據(jù)負(fù)荷選用相匹配的變壓器。電力變壓器一次側(cè)功率因數(shù)不但與負(fù)荷的功率因數(shù)有關(guān),而且與負(fù)荷率有關(guān)1 若變壓器滿載運(yùn)行,一次側(cè)功率因數(shù)僅比二次側(cè)降低約3 ～ 5 %;若變壓器輕載運(yùn)行,當(dāng)負(fù)荷小于0. 6 時(shí),一次側(cè)功率因數(shù)就顯著下降,下降達(dá)11 ～ 18 %,所以電力變壓器的負(fù)荷率在0. 6 以上運(yùn)行時(shí)才較經(jīng)濟(jì),一般應(yīng)在60 %～ 70 %比較合適1 為了充分利用設(shè)備和提高功率因數(shù),電力變壓器一般不宜作輕載運(yùn)行。當(dāng)電力變壓器負(fù)荷率小于30 %時(shí),應(yīng)當(dāng)更換成容量較小的變壓器1
(3) 　合理安排和調(diào)整工藝流程。合理安排和調(diào)整工藝流程, 改善電機(jī)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài), 限制電焊機(jī)和機(jī)床電動(dòng)機(jī)的空載運(yùn)行1 例如可采用空載自動(dòng)延時(shí)斷電裝置流程等1
(4) 　異步電動(dòng)機(jī)同步化運(yùn)行。對(duì)于負(fù)荷率不大于0. 7 及最大負(fù)荷不大于90 % 額定功率的繞線式異步電動(dòng)機(jī),必要時(shí)可使其同步化,即當(dāng)繞線式異步電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)完畢以后,向轉(zhuǎn)子三相繞組中送入直流勵(lì)磁,即產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩把異步電動(dòng)機(jī)牽入同步運(yùn)行,其運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)與同步電動(dòng)機(jī)相似1 在過(guò)勵(lì)磁的情況下,電動(dòng)機(jī)可向電網(wǎng)送出無(wú)功功率,從而達(dá)到改善功率因數(shù)的目的。
5. 2 　提高功率因數(shù)的補(bǔ)償方法
采用供應(yīng)無(wú)功功率的設(shè)備來(lái)補(bǔ)償用電設(shè)備所需的無(wú)功功率,以提高其功率因數(shù)的措施,稱為提高功率因數(shù)的補(bǔ)償方法。采用補(bǔ)償法來(lái)提高功率因數(shù),必須增加新設(shè)備、增加有色與黑色金屬的需用量。 此外,補(bǔ)償設(shè)備本身也有功率損失,所以從整體來(lái)看,應(yīng)首先采用提高用電設(shè)備自然功率因數(shù)的方法。 但當(dāng)功率因數(shù)還達(dá)不到《電力設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》所要求的數(shù)值時(shí),則需采用專門的補(bǔ)償設(shè)備來(lái)提高功率因數(shù)。應(yīng)用人工補(bǔ)償無(wú)功功率的方法通常有應(yīng)用移相電容器(即靜電電容器) 、采用同步電動(dòng)機(jī)和采用同步調(diào)相機(jī)三種方法。
同步電動(dòng)機(jī)在過(guò)勵(lì)磁方式運(yùn)行(0. 8 ～ 0. 9 超前) 時(shí),就向電力系統(tǒng)輸送無(wú)功功率,提高了工業(yè)企業(yè)的功率因數(shù)1 一般在滿足工藝條件下,采用或不采用同步電動(dòng)機(jī)來(lái)提高企業(yè)的功率因數(shù),應(yīng)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。通常對(duì)低速、恒速且長(zhǎng)期連續(xù)工作的容量較大的電動(dòng)機(jī),宜采用同步電動(dòng)機(jī)組,如軋鋼的電動(dòng)機(jī)組、球磨機(jī)、空壓機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備1 這些設(shè)備采用同步電動(dòng)機(jī)為原動(dòng)機(jī)時(shí),其容量一般在250 KW 以上,環(huán)境與啟動(dòng)條件均能滿足同步電動(dòng)機(jī)的要求,而且停歇時(shí)間較少,因此對(duì)改善功率因數(shù)能起很大作用1 但是同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,并且附有一套啟動(dòng)控制設(shè)備,維護(hù)工作量大,價(jià)格較異步電動(dòng)機(jī)貴,而且目前高壓移相電容器價(jià)格普遍降低,這就相應(yīng)地提高了“異步電動(dòng)機(jī)加移相電容器的補(bǔ)償方案”的優(yōu)越性1 移相電容器由于具有功率損耗小、運(yùn)行維修很方便、短路電流小等優(yōu)點(diǎn)而在工業(yè)企業(yè)中被廣泛用作人工補(bǔ)償裝置。
綜上所述,提高功率因數(shù)必然對(duì)國(guó)家的能源利用、企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益起到促進(jìn)作用, 是保證電力系統(tǒng)電能質(zhì)量、電壓質(zhì)量、降低網(wǎng)絡(luò)損耗以及安全運(yùn)行所不可缺少的條件1 應(yīng)根據(jù)不同情況采取相應(yīng)措施來(lái)提高功率因數(shù),降低無(wú)功損耗,從而提高經(jīng)濟(jì)效益。