浅谈柴油发电机的功率因数

 

功率因数是衡量发电机效率高低的一个系数，通常以cosθ或cosΦ（cosφ）来进行表达式。发电机功率因素的大小与电路的负荷性质有关，如用电设备中的照明类、电阻炉等电阻负荷的功率因数为1，而类似于电动机、空压机、空调等具有电感性负载的电路功率因数都小于1。功率因数低，说明无功功率大，从而降低了设备的利用率，增加了线路供电损失。康明斯公司发现很多业内技术员仍然对一些概念存有误解，这为柴油发电机组的前期设计带来诸多危害，有必要在此再加以澄清。

 

一、功率因数的由来和含义

 

在电气领域的负载有三个基本品种：电阻、电容和电感。电阻是消耗功率的器件，电容和电感是储存功率的器件。日常所用的交流电在纯电阻负载上的电压和电流是同相位的，即相位差q=0°；交流电在纯电容负载上的电压和电流关系是电流超前电压90°(q=90°)；交流电在纯电感负载上的电压和电流关系是电流滞后电压90°(q=-90°)。

 

发电机功率因素矢量图

 

 

功率因数的定义是：

功率因素F=有功功率P/视在功率S=cosθ

在电阻负载上的有功功率就是视在功率，即二者相等，所以功率因数F=1。而在纯电容和纯电感负载上的电流和电压相位差90°，所以所以功率因数F=cosθ=cos90°=0，即在纯电容和纯电感负载上的有功功率为零。

从这里可以看出一个问题，同样是一个电源，对于不同性质的负载其输出的功率的大小和性质也不同，因此可以说负载的性质决定着电源的输出。换言之，电源的输出不取决于电源的本身，就像一座水塔的供水水流取决于水龙头的开启程度。

从上面的讨论可以看出，功率因数是表征负载性质和大小的一个参数。而且一般说一个负载只有一种性质，就像一个人只有一个身份证号码一样。这种性质的确定是从负载的输入端看进去，称为负载的输入功率因数。一个负载电路完成了，它的输入功率因数也就定了。

比如UPS作为前面市电或发电机的负载而言，比如六脉冲整流输入的UPS，其输入功率因数就是0.8，不论前面是市电电网还是发电机，比如要求输入100kVA的视在功率，都需要向前面的电源索取80kW的有功功率和60kvar的无功功率。如果UPS的输入功率因数是0.6，就需要向前面的电源索取60kW的有功功率和80kvar的无功功率。像这样的输出分配，前面电源是“无权”决定的。

 

功率因素关系图与计算公式

 

 

二、发电机功率因素的确定

 

多数发电机的功率因数为0.8，个别的功率因数可达0.85或0.9。

一般情况下，功率因数由额定值到1.0的范围内变化时，发电机的出力可以保持不变，但为保持系统的静态稳定，要求功率因数不能超过0.95，也就是无功负荷不得小于有功负荷的1/3。当发电机的功率因数低于额定值时，由于转子电流增大，会使转子温度升高，此时，应调整负荷，降低发电机的出力。否则，转子温度可能超出极限值。所以，运行时值班人员必须注意调整负荷，使转于电流不超过在该冷却空气进口温度下的允许值。一般地，功率因数都是0.8-0.9左右吧！这个要根据这台柴油发电机组所规定的功率因数参数和电网的要求。

 

发电机功率因素关系曲线图

 

 

三、无功功率的影响

 

由Q=UIsinΦ和P=UIcosΦ公式可得知，若柴油发电机组发出的无功越多，功率因数就是减小，在发电机输出功率不变的情况下，机端的电压会升高。无功越多，励磁电流就会增大，柴油发电机组的定、转子温度会有所升高，过高的话，两者的绝缘可能也会受到威胁呢.反之，如果功率因数过高，，柴油发电机组所发的无功功率就是很少啦！机端电压也会降低，就会降低运行的稳定性很容易失步或有可能会造成柴油发电机组进行运行呢？

所以柴油发电机组运行时，注意机端电压在规定值和保证柴油发电机组不进相运行就可以了。

 

四、发电机功率因素限值

 

为了保证柴油发电机组的稳定运行，发电机的功率因数一般不应超过迟相0.95运行，或无功负荷应不小于有功负荷的1/3。在发电机自动调整励磁装置投入运行的情况下，必要时发电机可以在功率因数为1.0的情况下短时运行，长时间运行会引起发电机的振荡和失步。目前大柴油发电机组基本上不允许进相运行，有的大柴油发电机组正在进行进相试验，运行人员应根据本柴油发电机组的情况及时调整。当功率因数低于额定值时，发电机出力应降低，因为功率因数越低，定子电流中的无功分量越大，转子电流也必然增大，这会引起转子电流超过额定值而使其绕组发生过热现象，试验证明，当功率因素等于0.7时，发电机的出力将减少8%。因此发电机在运行中，若其功率因数低于额定值时，值班人员必须及时调整，使出力尽量带到允许值，而转子电流不得超过额定值。

 

五、功率因数的影响

 

功率因数过高或过低对发电机运行有影响，主要是指在满负荷的情况下。

（1）当有功负荷满发时，cosφ过高即无功过低，减少系统的无功裕量，会影响发电机的稳定性。虽然提高了经济性，但从长远来看，这是以增加事故的概率换来的，一旦有突发事故发生，发电机可能经受不起小的扰动或震荡，有可能失步。

（2）无功过低将引起发电机端电压下降，使电动机受影响。电动机吸取的电流上升，而使电压更低，形成恶性循环，可能导致整个系统失去稳定运行而崩溃。

（3）功率因素过高还会增加发电机进相运行的机会，使发动机端部容易发热。

（4）功率因素过低即无功过高，励磁电流上升，转子绕组温度上升，寿命缩短。

（5）功率因素过低使得发电机端电压上升，铁芯内磁通密度增加，损耗也增加，铁芯温度上升。

（6）当发电机在额定负荷下运行时，功率因素过低，发动机的励磁电流、定子电流增加，将使设备发热，增加了设备老化、开关跳闸等机会。