西門子S7-400主機(jī)CPU416-2西門子S7-400主機(jī)CPU416-2西門子S7-400主機(jī)CPU416-2
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電力系統(tǒng)中,電動(dòng)機(jī)負(fù)載的應(yīng)用非常廣泛,又因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)是感性設(shè)備,所以會(huì)使系統(tǒng)的功率因數(shù)下降。而功率因數(shù)的下降,會(huì)帶來諸多弊端,所以就需要采取補(bǔ)償措施。
在低壓電網(wǎng)中,較常采用的補(bǔ)償措施就是并聯(lián)電容補(bǔ)償。
那么,電容補(bǔ)償又是如何改善功率因數(shù)的呢?其安裝是否會(huì)節(jié)省或增加電費(fèi)?帶著這樣的問題,我們接著往下看。
一、功率因數(shù)的含義
即使大家不知道電容補(bǔ)償,也應(yīng)該聽過功率因數(shù)。所謂功率因數(shù),簡單來說,就是有功功率P對(duì)容量S(視在功率)的占比,用符號(hào)“λ”表示,其本質(zhì)是電壓與電流相位差φ的余弦值,即λ=cosφ=P/S。
其中有功功率P其實(shí)就是平均功率,是我們?nèi)粘I钪谐S秒娖魃蠘?biāo)識(shí)的功率,如節(jié)能燈的功率40W,熱水器的功率1500W等。
而容量S是指供電設(shè)備所能發(fā)出的最大功率,如變壓器容量為630kVA,就表示變壓器較大能輸出630kW的有功功率,但若功率因數(shù)小于1(如0.8),則變壓器僅能輸出630×0.8W的有功功率。
既然功率因數(shù)變小會(huì)降低變壓器的有功輸出,那減小的那部分容量又去了哪里呢?其實(shí),那部分容量被線圈(電動(dòng)機(jī)繞組)用來進(jìn)行能量交換了,因?yàn)槔@組在通過電流時(shí)會(huì)激發(fā)磁場(chǎng),而磁場(chǎng)是具有能量的。換言之,電流在繞組中激發(fā)磁場(chǎng)需要吸收能量,即吸收電能并轉(zhuǎn)換為磁場(chǎng)能量,這個(gè)交換能量的過程,就用無功功率來描述。
因?yàn)椤肮β省北旧砭捅硎灸芰孔兓目炻?,無功功率也是“功率”,所以它也是反映能量交換快慢的物理量,用符號(hào)Q表示。
綜上,供電設(shè)備的視在功率輸出,分為兩部分,即有功功率和無功功率,它們?nèi)叩年P(guān)系如下圖1-1所示,為一直角三角形,稱為功率三角形。其中斜邊長度表示S的大小,水平直角邊長度表示有功功率大小,豎直直角邊長度表示無功功率大小。S與P間的夾角φ就是功率因數(shù)角。
圖1-1
從功率三角形也可以看出,有功功率P為視在功率S的余弦值,這個(gè)余弦就是功率因數(shù)。
前文提到,功率因數(shù)的本質(zhì)是電壓與電流相位差φ的余弦值,也就是說,功率三角形中的夾角φ其實(shí)也是電壓與電流的相位差。而電動(dòng)機(jī)之所以會(huì)使系統(tǒng)功率因數(shù)下降,其實(shí)是因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)繞組的電流與電壓之間存在相位差,且電壓**前電流,如下圖1-2所示。
圖1-2
圖1-2左邊為電動(dòng)機(jī)的電路模型,繞組由電感與電阻串聯(lián)組成,右邊為電動(dòng)機(jī)的電壓與電流相量圖。所謂相量圖,簡單來說,就是用有向線段表示電壓與電流的大小與(初)相位,其中線段的長度表示大小,頭指向表示初相位,例如圖1-2所示的電壓在電流的逆時(shí)針方向,就表示電壓**前電流,兩者相位差為φ。
既然電動(dòng)機(jī)會(huì)使功率因數(shù)變小,那么電容又是如何提高功率因數(shù)的呢?
二、電容并聯(lián)補(bǔ)償?shù)暮x
電容之所以可以對(duì)電動(dòng)機(jī)設(shè)備進(jìn)行補(bǔ)償,其本質(zhì)上因?yàn)殡娙菽軌虍a(chǎn)生與電動(dòng)機(jī)相反的電壓電流相位差。簡單來說,電動(dòng)機(jī)使電壓與電生的相位差是電壓**前電流,而電容使電壓與電生的相位差是電流**前電壓,如圖1-3所示。
圖1-3
由于電容的電壓滯后電流(或者說電流**前電壓),而電動(dòng)機(jī)的電壓**前電流,把電動(dòng)機(jī)和電容并聯(lián)時(shí),就可以改變總的電壓與電流相位差,也就改變了總的功率因數(shù)。
由于并聯(lián)支路電壓相等,所以電動(dòng)機(jī)和補(bǔ)償電容的電壓為同一個(gè)電壓,此時(shí)改變的僅有電流,且為電源總電流。
如下圖1-4所示,將電動(dòng)機(jī)的電壓電流相量圖和電容的電壓電流相量圖合并到一起,有總電流等于電動(dòng)機(jī)電流加上電容電流,注意,這里的電流相加并不是簡單的數(shù)值相加,而是要結(jié)合相位關(guān)系。
圖1-4
類同于數(shù)學(xué)里向量的相加,根據(jù)平行四邊形定則,兩個(gè)電流相量的相加,可以得出如圖1-4所示的總電流I(紅色的有向線段)。對(duì)比補(bǔ)償前和補(bǔ)償后,補(bǔ)償前電源總電流等于電動(dòng)機(jī)的電流,而補(bǔ)償后的電源總電流小于電動(dòng)機(jī)電流(根據(jù)線段的長度可以看出);補(bǔ)償前電源總電流與端口電壓相位差為φ1,補(bǔ)償后電源總電流與端口電壓相位差為φ2,可以發(fā)現(xiàn)φ2比φ1小,有cosφ2>cosφ1,即補(bǔ)償后總功率因數(shù)變大了。
以上就是并聯(lián)電容補(bǔ)償?shù)暮x,那么這個(gè)電容補(bǔ)償是否會(huì)影響電費(fèi)的多少呢?在回答這個(gè)問題前,我們有必要了解電費(fèi)與什么有關(guān)。
三、并聯(lián)電容補(bǔ)償對(duì)電費(fèi)的影響
電費(fèi),即電能消耗的費(fèi)用,所謂“消耗”,是指電能花出去了,它或許以熱能的形式、機(jī)械能的形式、光能的形式被消耗,一去不復(fù)返,就好像你將錢從銀行取出來,拿去買菜買零食。而電能消耗的快慢用有功功率來表示,換言之,有功功率是電能被消耗的重要標(biāo)志。
無功,正如上文所言,它表示的是電能交換的速度,所謂“交換”,是指電能并沒有被消耗,而是在電源與電感(或電容)之間來回交換,就好比你將錢存在銀行,又取出來,又存進(jìn)去,整個(gè)過程錢都沒有被花掉。
綜上,電費(fèi)的支付僅與有功功率有關(guān),與無功功率無關(guān)。另外,大家仔細(xì)觀察電容補(bǔ)償?shù)碾娐穲D,可以發(fā)現(xiàn),有功功率是僅與電動(dòng)機(jī)有關(guān)的,電容沒有有功功率。
也就是說,電費(fèi)的多少,只和電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行有關(guān),而并聯(lián)電容補(bǔ)償前后,電動(dòng)機(jī)本身的電壓與電流都沒變,變的是電源總電流,所以電動(dòng)機(jī)自身的功率因數(shù)和有功功率也沒變。基于有功功率不變,電費(fèi)自然也就不會(huì)變少或增加啦。
并聯(lián)電容補(bǔ)償后,電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行情況不變,但總電流變小,這樣就可以相應(yīng)地減少線路的損耗(焦耳熱),提高變壓器的輸出效率,這也是供電局要求用戶提高功率因數(shù)的原因。
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