如何提高功率因数？

1.功率因数

由前面内容分析可知R、L、C混合电路中负载取用的功率输出电流的有效值的乘积有关，而且与电路（负载）的参数有关。电路所具有的参数不同，电压与电流之间的相位差φ也就不同，在同样的电压U和电流I作用下，电路的有用功功率和无用功功率也就不同。

因此，电工学中将P＝UIcosφ中的cosφ称为功率因数。

只有在电阻负载（如白炽灯、电阻炉等）的情况下，电压与电流才同相，其功率因数为1。对其他负载来说，其功率因数均介于0与1之间，这时电路中发生能量互换，出现无功功率Q＝UIsinφ。无功功率的出现，使电能不能充分利用，其中有一部分能量即在电源与负载之间进行能量互换同时增加了线路的功率损耗。所以对用电设备来说，提高功率因数可以使电源设备的容量得到充分利用，同时也能使电能得到大量节约。

功率因数不高，根本原因是电感性负载的存在。例如，工程施工中常用的异步电动机，在额定负载时功率因数为0.7～0.9。如果在轻载时其功率因数就更低。电感性负载的功率因数之所以小于1，是由于负载本身需要一定的无功功率。

国家电业部门规定用电企业的功率因数必须维持在0.85以上，高于此指标的给予奖励，低于此指标的则罚款，而低于0.5者停止供电。功率因数的高低为什么如此重要？功率因数低有哪些不利？从以下两方面来说明。

（1）电源设备的容量不能充分利用。

设某供电变压器的额定电压UN＝230 V，额定电流IN＝434.8 A，额定容量为

若负载功率因数等于1，则变压器可以输出有功功率为

若负载功率因数等于0.5，则变压器可以输出有功功率为

可见，负载的功率因数越低，供电变压器输出的有功功率越小，设备的利用率越不充分，经济损失越严重。

（2）增加输电线路上的功率损失。

当发电机的输出电压U和输出的有功功率P一定时，发电机输出的电流（即线路上的电流）为

可见，电流I和功率因数cosφ成反比。若输电线的电阻为R，则输电线上的功率损失为

功率损失ΔP和功率因数cosφ的平方成反比，功率因数越低，功率损失越大。

以上讨论的是一台发电机的情况，但其结论也适用于一个工厂或一个地区的用电系统。功率因数的提高意味着电网内的发电设备得到了充分利用，提高了发电机输出的有功功率和输电线上有功电能的输送量。与此同时，输电系统的功率损失也大大降低，可以节约大量电力。

2.功率因数提高的方法

提高功率因数的首要原则是：只能减小电源与负载间的无功互换规模，不能改变原负载的工作状态，即保持用电设备原有的额定电压、额定电流及功率不变。通常采取的方法是：在感性负载两端并联容性元件去补偿其无功功率；容性负载则并联感性元件补偿之。

提高功率因数简便而有效的方法，是给电感性负载并联适当大小的电容器，其电路图和相量图如图2－52所示。

图2－52　提高功率因数

（a）电路图；（b）相量图

由于是并联，电感性负载的电压不受电容器的影响。电感性负载的电流IL仍然等于原来的电流，这是因为电源电压和电感性负载的参数并未改变的缘故。但对总电流来说，却多了一个电流分量IC，即

由图2－51（b）可知，未并联电容器，总电流（等于电感性负载电流）与电源电压的相位是φ1；并联电容器之后，总电流（等于）与电源电压的相位差为φ2，相位差减小了，由φ1减小为φ2，功率因数cosφ就提高了。应当注意，这里所说的功率因数提高了，是指整流器电路系统（包括电容器在内）的功率因数提高了（或者说此时电源的功率因数提高了），而原电感性负载的功率因数并未改变。

由电路图和相量图可知，若增加电容量，容抗减小，则IC增大，顺I的延长线伸长，φ2角随着减小，功率因数逐渐提高。若C值选得适当，电流I和电压U同相，则cosφ＝1，获得最佳状态。若C值选得过大，IC增大太多，电流I将超前电压，功率因数反而减小。因此C必须选择适当。C的计算公式推导如下。

由相量图可知

式中，IC为电容器的电流；I1和I分别为功率因数提高前、后的电流。

IC可由下面关系得出(www.xing528.com)

P＝UI2cosφ2（功率因数提高后电路的有功功率，电容器不消耗功率）

即

式中，P为电源向负载提供的有功功率（W）；U为电源电压（V）；φ1为并联电容前电路的功率因数角（°）；φ2为并联电容后整个电路的功率因数角（°）。

提高功率因数要以不影响负载正常工作为前提，电容只能与感性负载并联而不能串联。因为感性负载串联电容后，虽然也可以改变功率因数，但是负载上的电压也发生了变化，会影响负载正常工作。补偿电容的外形如图2－53所示。

图2－53　补偿电容的外形

把普通日光灯中传统的电感镇流器换成新型电子镇流器，不仅降低了镇流器本身功耗和提高了功率因数，还可以实现低电压启动。

（1）当使用普通电感镇流器时，cosφ＝0.5。由于变压器的视在功率

故该变压器可提供的有功功率为

可以连接的日光灯个数为

（2）当采用新型电子镇流器后，cosφ提高到了0.95。这时可提供的有功功率为

可以连接的日光灯个数为

可以看出，同一个变压器，如果把普通电感镇流器改为新型电子镇流器或功率因数cosφ由0.5提高到0.95时，带的日光灯数量翻了一倍还多。

（3）除采用更换镇流器方法外，通过并联补偿电容的形式也可提高功率因数。假设之前的功率因数为cosφ1，提高后的功率因数为cosφ，则具体为

需要并联的电容大小为

【例2-34】　一台三相电动机，额定功率PN＝75 kW，UN＝3 000 V，cosφN＝0.85，效率ηN＝0.82，试求额定状态运行时，电动机的电路IN为多少？电动机的有功功率、无功功率及视在功率各为多少？

解：电动机的额定功率PN是指机轴上输出的机械功率，则电动机的电功率P为

故电动机的额定功率为

电动机的容量为

电动机消耗的无功功率为

【例2-35】　感性负载，其功率P＝10 kW，cosφ＝0.6，接在U＝220 V，f＝50 Hz的电源上。

（1）如将功率因数提高到cosφ＝0.95，需要并联多大的电容C？求并联C前后线路的电流。

（2）如将cosφ从0.95提高到1，试问还需并联多大的电容C？

解：（1）

（2）cosφ从0.95提高到1时所需增加的电容值为

可见，功率因数已经很大时再继续提高，则所需电容值很大（不经济），所以一般不必提高到1。