功率因数自动调节器设计Word格式.docx

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无功补偿控制器是无功补偿的核心，其性能直接影响补偿的效果。

它是根据检测的功率因数或无功功率，按照一定的控制规则投入/切除电容器，实现对线路进行无功补偿。

在低压配电网中有相当一部分是感性负荷，它不仅要消耗大量的有功功率，也要吸收很多的无功功率，从而使功率因数下降，导致无功电源不足，系统电压降低，电能损耗增大，这大大影响了电网的供电能力。

因此电力部门千方百计要提高系统的功率因数，除本身采取相应的措施外，更要求每个用户在其母线上进行功率因数的补偿。

即借助于相关的无功功率补偿设备，及时、正确、必要的提供无功功率补偿。

由于这个课题涉及面广，且有较高的经济含量和技术附加量，因此无功功率补偿设备的研究一直是国内外相关企业激烈竞争的项目之一。

无功功率补偿技术近年来己越来越引起人们的关注，它是涉及电力、电子技术、电气自动化技术和理论电子等领域的重大课题。

本设计着重论述了单片机和计算机控制组成控制系统进行功率因数自动补偿装置。

根据部分学者对电网运行状态的调查研究得知，我国电网曾在20世纪70年代由于缺乏无功功率补偿设备而长期处于低电压运行状态。

有些地方想用调节变压器分接头的办法来解决本地区电压低的问题。

开始，这种办法也有一些效果，某些供电点电压升高了，但这是以降低别处电压为代价的，因为总的无功电源不足，局部地区电压升高无功负荷增大，必然使别处无功功率更少、电压更低。

各处普遍采用调节变压器分接头的结果，不仅没能提高负荷的供电电压，而是使得无功损耗加大，整个系统低电压问题更加严重。

在这种情况下，首要的问题应该是增加无功功率补偿设备。

低压运行同时对电网安全带来巨大危害，系统稳定性差，十分脆弱，经受不起事故异常及负荷强烈变化对系统的冲击、十分容易造成大面积的停电和系统瓦解的后果，国内外均有此先例。

由此可见，合理配置无功电源，进行无功补偿是非常重要的，我们进行无功补偿研究是一个重要的课题。

由于人工投切电容不能及时跟踪无功负荷的变化，不能始终保持功率因数和电压质量在规定的范围，所以无功的自动控制是一个值得研究的课题。

无功功率问题，根据世界各个地区电力系统近数十年来的经验，积累了大量资料，我国电力系统亦同样积累了很多宝贵的经验，广泛应用到生产实践中去是有一定重要价值的。

有效的无功补偿有非常大的经济效益和社会效益，主要表现在:

A.减少线路损耗。

就全国讲，线路损耗约占据12%，其中主要是无功分量引起的损耗，若无功线损降低50-60%，一年便可节电500亿度左右，相当于半个三峡工程的发电量。

这种不消耗一次能源，便可增大发电量的工程是绝好的绿色工程。

且投资极小，见效快。

B.避免罚款。

我国电力部及物价局“关于颁发《功率因数调整电费办法》通知”中规定，功率因数0.94时，减少电费1.1%，功率因数0.6时增加电费15%。

例如一个315KVA的变压器，功率因数从0.6提高到0.94以上，年奖罚差3-4万元。

C.不需额外投资，便可以实现扩容。

进行无功补偿后，便可提高用电承载率，变压器可满负荷运行。

例如一台315KVA的变压器，cosφ=0.6负荷的变压器只能提供优质服务189KW的有功功率，不能承受300KW左右的容量，需要购买一台500KVA的变压器替换。

将功率因数由0.6提高到0.98，相当于扩大了63%，即有功由189KW提高到309KW可基本满足需要的容量，便节省了一台500KVA的变压器，经费约三四十万元。

D.改善电能质量，延长了电器寿命，提高了产品质量。

电能质量用电压和频率二个指标来进行衡量，电压的稳定性取决于无功功率的平衡。

频率的稳定性取决于有功功率的平衡，而电压的稳定与否又直接影响电器寿命，影响机械加工精度。

如果电压稳定性提高5%，则仅照明灯（寿命延长50%）全国一年既可节约数亿元。

至于因电压不稳、供电不足而造成废品、次品、设备减寿、停产、停电等各种损失更是难以统计的。

在电网运行中，因大量非线性负载的运行，除了要消耗有功功率外，还要消耗一定的无功功率。

负荷电流在通过线路、变压器时将会产生功率与电能的损耗，由电能损耗公式可知，当线路或变压器输送的有功功率和电压不变时，线路损耗与线路功率因数的平方成反比。

功率因数越低，电网所需要的无功功率就越多，线路损耗就越大。

因此，在受电端安装无功补偿装置，可以减少负荷的无功功率损耗，提高功率因数，降低线路损耗。

在电力系统中要设法减小相位差φ，提高cosφ的值，称为提高功率因数；

提高功率因数，以降低无功功率，减少电能损失。

由下式可以看出：

=

若能使X1-Xc为零，则φ值为最小，功率因数最高，就是说如能使感抗和容抗最大限度地相互抵消，则线路中功率因数为最高。

由容抗抵消感抗（反之亦然）从而减小φ的方法称为功率因数补偿。

进行功率因数补偿可以：

A.降低无功电流，减小线路及变电设备的损耗。

线路损耗的功率与负载电流平方成正比，功率因数提高了，无功电流大大减小，则线路上的损耗也大大减小了。

B.可以改善供电电压质量。

当功率因数提高后由于容性负载的加入，使线路末端的电压比较平滑，起到了稳定电压的作用。

C.提高系统的裕度。

当系统的设备容量不变时，提高功率因数，相当于增加负载的容量。

D.提高电路的功率因数不是负载本身的功率因数有什么改变而是负载本身的性能及指标将不受任何影响。

由此可见，提高功率因数，不但是当今能源形势的缓解之策，也是关系到国计民生的长远政策。

能源是有限的，既然是不可再生的，我们唯一能做的就是减少浪费，高效合理的利用它们，这才是明智之举，是我们除了寻找代替能源以外的最有价值的事情。

因此我们必须重视电能的高效利用，不光在传输过程中，在使用过程中也是一样。

这不仅符合经济效率的规律，还是能源科学使用的具体表现。

既然我们不能给后代生产出不可再生资源，但我们可以高效使用它们，减少无谓的消耗，这跟我们为后人创造能源是同出一辙的，具有相同的深远意义。

1功率因数调控及意义

本章首先介绍无功功率及功率因数的相关知识，利用理论指导简单说明了功率因数的意义，引出了无功补偿的概念。

接着阐述了无功补偿装置的发展概况及无功补偿技术的发展趋势。

1.1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其他形式能量（机械能、光能、热能）的电功率,。

比如，5.5KW的电动机就是把5.5KW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，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，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40W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80Var左右的无功功率供镇流器的线圈建立交变磁场用。

由于它不对外做功，才称之为“无功”。

无功功率的符号用Q表示，单位为乏（Var）或者千乏（kVar）。

无功功率决不是无用功率，对于主要靠电磁转换工作的电器设备，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，若没有无功功率，则电动机就不能转动，变压器也不能变压，交流接触器也不能吸合。

在正常情况下，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、用电产生一定的不良影响，主要表现在：

A．当视在功率一定时，降低了发电机有功功率的输出；

B.降低了输、变电设备的供电能力；

C.造成线路电压损失增大和电能损耗的增加；

D.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。

1.2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来表示。

cosφ则称为功率因数。

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，三相交流电路功率因数的计算公式如式（1-1）所示：

（1-1）

式中cosφ为功率因数；

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。

A.自然功率因数是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。

B.瞬时功率因数是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。

C.加权平均功率因数是指在一定时间段内功率因数的平均值，其计算公式如式（1-2）所示：

（1-2）

1.3提高功率因数及其意义

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。

要改变自然功率因数，需要从改进电气设备和结构、性能等方面入手，这是生产厂家要做的事。

安装人工补偿装置，这是可以办到的，比如一台发电机，其容量Se一定，当发电机的电压和电流达到额定值时，假如电路的功率因数为cosφ1，则发电机输出的有功功率为下式（1-3）所示：

P=Secosφ1=0.5Se（1-3）

由式（1-3）可以看出，输出功率仅占发电机容量的50%，发电机未能得到充分利用。

但若为了增大功率的输出，再在电路中接入一些纯电阻或电感性的负载，则又将导致发电机的输出电流超过额定值，这是不能容许的，但如在负载的两端并联一个适当的电容器C（如图1.1），则总电流I1将减小到I（如图1.2），电路的功率因数就可以提高到cosφ（因为φ<

φ1，故cosφ>

cosφ1），如果并联一个合适的电容，则功率因数可达到0.9，其输出的有功功率可提高到电机容量的90%，这样发电机的利用程度就大大增高了。

图1.1并联电容连接图