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在三相对称正弦电路中,各相的视在功率、功率因数均相同,三相对称正弦电路的总视在功率等于各相视在功率之和,三相对称电路的功率因数等于单相功率因数,因此三相对称电路的总视在功率、功率因数也都有明确的物理意义,三相总视在功率等于各相电压电流有效值的乘积之和,三相功率因数就是等于单相功率因数。
功率因数较低的负荷工作时需要较多的无功功率。譬如电灯、电炉的功率因数COS¢=1,说明它们吸消耗有功功率,异步电动机的功率因数比较低,一般在0.7—0.85左右,说明它们需要一定数量的无功功率。电动机输出功率很低时,所消耗的有功功率减少,但是所需要的无功功率基本不变,所以无功功率所占比例增大,电动机的COS¢就更低,甚至低于0.5。
因此,对于发电厂来说,就必须在输出有功功率的同时,也输出无功功率,在输出的总功率中,有功功率和无功功率各占多少,不是决定于发电机,而是取决于负荷的需要,即取决于负荷的功率因数。如果功率因数过低,就表示在输出功率中,无功功率的比例很大,这对于电力系统的运行是很不利的。
功率因数过低,电源设备的容量就不能充分利用。我们知道,电动机和变压器在运行时不能超过额定电压和额定电流,在相同的变压器端电压和输出电流的情况下,负荷的功率因数越低,变压器能输出的有功功率就越少,电动机也一样。
负荷的功率因数越低,在保证变压器的输出电流不超过额定电流时,能够输出的有功功率就越少。也就是说,有相当大的一部分功率在电源和负载之间送过来又送回去,变压器必须供给负荷所需要的这一部分功率,但是又不能做有用功。也就是变压器不能充分利用。
功率因数过低,在线路上将引起较大的电压降落的功率损失。在线路上输送的有功功率一定时,功率因数越低,说明线路上的无功功率越大,因而通过线路的电流越大。由于线路具有一定的阻抗,能量在线路上送过来又送回去,当然会造成损失,电流越大,线路的压降和功率损失就越大。线路的电压降落增大,会使负载的电压降低,而影响负载的正常工作。例如电动机的转速会降低,。线路功率损失增加,就会造成电能的浪费。
因此要提高电力系统的功率因数,并且改善电网供电质量。
在交流电路中,相电压与相电流之间的相位差(Ф)的余弦,叫做功率因数,用cosФ表示,在数值上,功率因数是有功功率与视在功率的比值。它反映了用于有功的“电力”在电源提供的总功率(视在功率)中所占的比率。所以在电力行业中又把功率因数称为力率。
功率因数低的根本原因是电感性负载的存在。例如,生产中最常见的交流异步电动机在额定负载时的功率因数一般为0.7--0.9,如果在轻载时其功率因数就更低。其它设备如工频炉、电焊变压器以及日光灯等,负载的功率因数也都是较低的。从功率三角形及其相互关系式中不难看出,在视在功率不变的情况下,功率因数越低(Ф角越大),有功功率就越小,同时无功功率却越大。这种使供电设备的容量不能得到充分利用,例如容量为1000KVA的变压器,如果cosФ=1,即能送出1000KW的有功功率;而在cosФ=0.7时,则只能送出700KW的有功功率。功率因数低不但降低了供电设备的有效输出,而且加大了供电设备及线路中的损耗,因此,必须采取并联电容器等补偿无功功率的措施,以提高功率因数。
功率因数既然表示了总功率中有功功率所占的比例,显然在任何情况下功率因数都不可能大于1。由功率三角形可见,当Ф=0°即交流电路中电压与电流同相位时,有功功率等于视在功率。这时cosФ的值最大,即cosФ=1,当电路中只有纯阻性负载,或电路中感抗与容抗相等时,才会出现这种情况。
感性电路中电流的相位总是滞后于电压,此时0°<Ф<90°,此时称电路中有“滞后”的cosФ;而容性电路中电流的相位总是超前于电压,这时-90°<Ф<0°,称电路中有“超前”的cosФ。
功率因数的计算方式很多,主要有直接计算法和查表法。常用的计算公式为:
采用电压表、电流表和功率表在同一时间读得数据后,计算出功率因数,其计算式为
式中cosφ-功率因数;
P-功率表的读数;
U-电压表的读数;
I-电流表的读数。
例如:某用户的功率表读数为120kW,电压表读数为380V,电流表读数为220A,则该用户的功率因数为
cosφ=120×1000/(1. 732×380×220)=0.83。
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