西门子S7-400模块主机CPU416-2

时间：2023-06-07

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电力系统中，电动机负载的应用非常广泛，又因为电动机是感性设备，所以会使系统的功率因数下降。而功率因数的下降，会带来诸多弊端，所以就需要采取补偿措施。

在低压电网中，较常采用的补偿措施就是并联电容补偿。

那么，电容补偿又是如何改善功率因数的呢?其安装是否会节省或增加电费?带着这样的问题，我们接着往下看。

一、功率因数的含义

即使大家不知道电容补偿，也应该听过功率因数。所谓功率因数，简单来说，就是有功功率P对容量S(视在功率)的占比，用符号“λ”表示，其本质是电压与电流相位差φ的余弦值，即λ=cosφ=P/S。

其中有功功率P其实就是平均功率，是我们日常生活中常用电器上标识的功率，如节能灯的功率40W，热水器的功率1500W等。

而容量S是指供电设备所能发出的最大功率，如变压器容量为630kVA，就表示变压器较大能输出630kW的有功功率，但若功率因数小于1(如0.8)，则变压器仅能输出630×0.8W的有功功率。

既然功率因数变小会降低变压器的有功输出，那减小的那部分容量又去了哪里呢?其实，那部分容量被线圈(电动机绕组)用来进行能量交换了，因为绕组在通过电流时会激发磁场，而磁场是具有能量的。换言之，电流在绕组中激发磁场需要吸收能量，即吸收电能并转换为磁场能量，这个交换能量的过程，就用无功功率来描述。

因为“功率”本身就表示能量变化的快慢，无功功率也是“功率”，所以它也是反映能量交换快慢的物理量，用符号Q表示。

综上，供电设备的视在功率输出，分为两部分，即有功功率和无功功率，它们三者的关系如下图1-1所示，为一直角三角形，称为功率三角形。其中斜边长度表示S的大小，水平直角边长度表示有功功率大小，竖直直角边长度表示无功功率大小。S与P间的夹角φ就是功率因数角。

图1-1

从功率三角形也可以看出，有功功率P为视在功率S的余弦值，这个余弦就是功率因数。

前文提到，功率因数的本质是电压与电流相位差φ的余弦值，也就是说，功率三角形中的夹角φ其实也是电压与电流的相位差。而电动机之所以会使系统功率因数下降，其实是因为电动机绕组的电流与电压之间存在相位差，且电压**前电流，如下图1-2所示。

图1-2

图1-2左边为电动机的电路模型，绕组由电感与电阻串联组成，右边为电动机的电压与电流相量图。所谓相量图，简单来说，就是用有向线段表示电压与电流的大小与(初)相位，其中线段的长度表示大小，头指向表示初相位，例如图1-2所示的电压在电流的逆时针方向，就表示电压**前电流，两者相位差为φ。

既然电动机会使功率因数变小，那么电容又是如何提高功率因数的呢?

二、电容并联补偿的含义

电容之所以可以对电动机设备进行补偿，其本质上因为电容能够产生与电动机相反的电压电流相位差。简单来说，电动机使电压与电生的相位差是电压**前电流，而电容使电压与电生的相位差是电流**前电压，如图1-3所示。

图1-3

由于电容的电压滞后电流(或者说电流**前电压)，而电动机的电压**前电流，把电动机和电容并联时，就可以改变总的电压与电流相位差，也就改变了总的功率因数。

由于并联支路电压相等，所以电动机和补偿电容的电压为同一个电压，此时改变的仅有电流，且为电源总电流。

如下图1-4所示，将电动机的电压电流相量图和电容的电压电流相量图合并到一起，有总电流等于电动机电流加上电容电流，注意，这里的电流相加并不是简单的数值相加，而是要结合相位关系。

图1-4

类同于数学里向量的相加，根据平行四边形定则，两个电流相量的相加，可以得出如图1-4所示的总电流I(红色的有向线段)。对比补偿前和补偿后，补偿前电源总电流等于电动机的电流，而补偿后的电源总电流小于电动机电流(根据线段的长度可以看出);补偿前电源总电流与端口电压相位差为φ1，补偿后电源总电流与端口电压相位差为φ2，可以发现φ2比φ1小，有cosφ2>cosφ1，即补偿后总功率因数变大了。

以上就是并联电容补偿的含义，那么这个电容补偿是否会影响电费的多少呢?在回答这个问题前，我们有必要了解电费与什么有关。

三、并联电容补偿对电费的影响

电费，即电能消耗的费用，所谓“消耗”，是指电能花出去了，它或许以热能的形式、机械能的形式、光能的形式被消耗，一去不复返，就好像你将钱从银行取出来，拿去买菜买零食。而电能消耗的快慢用有功功率来表示，换言之，有功功率是电能被消耗的重要标志。

无功，正如上文所言，它表示的是电能交换的速度，所谓“交换”，是指电能并没有被消耗，而是在电源与电感(或电容)之间来回交换，就好比你将钱存在银行，又取出来，又存进去，整个过程钱都没有被花掉。

综上，电费的支付仅与有功功率有关，与无功功率无关。另外，大家仔细观察电容补偿的电路图，可以发现，有功功率是仅与电动机有关的，电容没有有功功率。

也就是说，电费的多少，只和电动机的运行有关，而并联电容补偿前后，电动机本身的电压与电流都没变，变的是电源总电流，所以电动机自身的功率因数和有功功率也没变。基于有功功率不变，电费自然也就不会变少或增加啦。

并联电容补偿后，电动机的运行情况不变，但总电流变小，这样就可以相应地减少线路的损耗(焦耳热)，提高变压器的输出效率，这也是供电局要求用户提高功率因数的原因。

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