关于无功功率基本原理与无功补偿的综述
关于无功功率基本原理与无功补偿的综述 杨晓炜 齐金明
【摘要】无功功率和无功补偿是电气学科中的基本概念。如果对无功的认识存在错误或不足，就容易引起设计或设备应用方面的错误，造成经济损失。本文针对不同类型负载在无功功率方面的特点及对电网的影响进行理论分析，并介绍无功补偿的基本原理与常用方法。
关键词无功负载对电网的影响电机的无功功率 无功补偿
1 无功与有功
视在功率包含有功功率和无功功率。有功功率指的是电能转化为如热能等其他形式消耗掉；而无功功率则用于电、磁能量的转换，不对外做功，主要用于建立磁场，为电机、变压器等设备提供运行基础。如果电网中的无功功率过大，功率因数过低，会增大电力在传输过程中的损耗，使电网电压降低，影响设备的正常工作，并造成灯光变暗等情况[1]；如果电网中的无功功率过小，功率因数过大，会使电网电压升高，可能会造成电气设备的损坏。
在工业应用中，一般会将无功分为感性无功和容性无功，感性无功的电流滞后于电压90°，容性无功的电流超前于电压90°。
2 无功负载对电网的影响
无功负载可分为感性负载与容性负载。应用最广泛的感性设备是异步电动机及使用异步电机的起重机、研磨机等机械设备[2]。容性设备有过励的同步电机、各类电容器等。当电网上感性负载过多时，容易造成电网电压下降；而电网上容性负载过多则容易使电网电压上升[3]。
假设同步电机以空载状态运行，此时定子绕组中电流为零，不存在定子磁动势。转子绕组中的励磁电流建立的磁动势在定子绕组中产生空载电动势 ，当定子流过三相对称的电流后，其磁动势将对转子励磁磁场产生影响，此影响被称为电枢反应。电枢反应的性质取决于內功率因数角 ，即空载电动势 和定子电流 之间的相位差。其矢量图如图1所示。
为转子建立的励磁磁动势； 为定子电流建立的电枢磁动势，相位与 相同；励磁磁动势矢量 与电机直轴重合，忽略相关损耗，励磁磁通 相位与其相同；感应出的空载电动势 滞后 90°，位于交轴上
图1 同步发电机矢量图
当定子负载为纯感性时， ， 与 的方向与 相反，起去磁作用，使定、转子磁动势叠加成的合成磁动势的数值变小。
当定子负载为纯容性时， ， 与 的方向与 相同，起增磁作用，使定、转子磁动势叠加成的合成磁动势 的数值变大。
当 在 与 之间变化时，沿直轴与交轴方向，将 分解为 和 ，直轴分量 将根据 的角度产生去磁或增磁作用。
如果发电机所带负载中感性负载的容量过大，则 将向 靠近，去磁作用增大，使气隙磁通减小，定子绕组感应电动势下降，发电机机端电压下降。为了维持线路电压稳定，此时需要增加励磁电流。
如果发电机所带负载中容性负载的容量过大，则 将向 靠近，增磁作用增大，使气隙磁通增大，定子绕组感应电动势上升，发电机机端电压上升。为了维持线路电压稳定，此时需要减小励磁电流。
3 电机的无功
3.1 异步电机
一般的异步发电机无法对转子电流通以励磁电流，由其定子线路提供无功电流建立励磁磁场，异步发电机占用的此部分电流对线路来说可看作一感性负载，所以大容量异步发电机要接入电网或与同步电机相连[4]，以满足其对无功的需求，异步发电机在发出有功的同时吸收无功。
与异步发电机相同，异步电动机也需要由其定子线路提供无功电流建立励磁磁场，所以异步电动机在吸收有功功率的同时也吸收无功功率。
3.2 同步电机
与异步电机不同，电励磁同步电机能够调节流过转子绕组的励磁电流，所以电励磁同步电机的无功功率是可以调节的。当电机的有功功率不变时，根据励磁电流的大小，电机可处于“过励”、“欠励”及“正常励磁”三种状态中的一种。
以隐极电励磁同步发电机为例，若保持机组原动机向发电机提供的有功功率不变，则发电机的电磁功率 和输出有功功率 也应基本不变，且假定发电机在正常运行时，其所在电网电压基本恒定。
根据 、 的关系公式：
（1）
（2）
式中： ——发电机相数
——发电机端电压
——发电机定子感应电动势
—— 与 的夹角，即功角
——功率因数角
——定子绕组感抗
应有： 的值基本不变， 的值基本不变。
忽略定子电阻及其他损耗的话，电动势与机端电压间的关系为：
（3）
保持有功功率不变调节同步发电机无功功率时，感应电动势、发电机端电压、电流的矢量图如图2所示，由于 与 的值不变，电流与电动势的矢量将始终沿着图中的虚线移动。
图2 有功功率不变时同步发电机的无功调节
当电流 的相位与 相同时，发电机处于正常励磁状态，发电机只输出有功功率。
当从正常励磁状态减少励磁电流时， 的相位超前 ，发电机处于欠励状态， 比正常励磁时小，去磁反应减少，发电机除输出有功功率外，还将输出超前的无功功率，发电机进入进相运行状态。
当从正常励磁状态增加励磁电流时， 的相位落后 ，发电机处于过励状态， 比正常励磁时大，去磁反应增加，发电机除输出有功功率外，还将输出滞后的无功功率。
电励磁同步电动机无功功率调节的基本原理与发电机相同，但根据电动机惯例，感应电动势、电压、电流间的关系变为：
（4）
式中： ——输入电流
与发电机惯例比较， 。矢量图如图3所示。有功功率和无功功率
图3 有功功率不变时同步电动机的无功调节
与同步发电机相同，同步电动机在正常工作时一般处于过励状态，此时电动机在吸收有功功率的同时也输出滞后的无功功率来为线路上的异步电机及其他感性设备提供无功功率。
4 无功补偿技术
为了提高系统的电能质量，应实现额定电压下的无功功率平衡。如果负荷的无功功率均由发电设备经长距离输电线路提供，将会导致输电线路中的电流增大，电能损耗增加，故需要做到无功功率的就地供应，根据实际情况配置无功补偿设备，如并联电容器、同步电机、同步调相机、静止无功补偿器、静止无功发生器等。
并联电容器是一种传统的无功补偿设备，通过机械投切装置在用电高峰期感性负载过多、电压下降时将固定容量的并联电容器投入，改变系统负载的无功特性，减弱负载的去磁作用，将系统电压维持在允许范围内。在感性负荷减少、系统电压升高时，则将并联电容器从系统中切除。此方法原理简单，成本较低，应用方便，但调节性能较差。

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