无功功率的产生和提高功率因数的方法

从物理概念来解释感性无功功率：由于电感线圈是贮藏磁场能量的元件，当线图加上交流电压后，电压交变时，相应的磁场能量也随着变化。当电压增大，电流及磁场能量也就相应加强，此时线圈的磁场能量就将外电源供给的能量以磁场能量形式贮藏起来：当电流减小和磁场能量减弱时，线圈把磁场能量释放并输回到外面电路中。交流电感电路不消耗功率，电路中仅是电源能量与磁场能量之间的往复转换。

电网中电力设备大多是根据电磁感应原理工作的，他们在能量转换过程中建立交变的磁场，在一个周期内吸收的功率和释放的功率相等。电源能量在通过纯电感或纯电容电路时并没有能量消耗，仅在负荷与电源之问往复交换，在三相之间流动，由于这种交换功率不对外做功，因此称为无功功率。

无功分类：
1）感性无功：电流矢量滞后于电压矢量90°，如电动机、变压器、晶闸管变流设备等；
2）容性无功：电流矢量超前于电压矢量90°，如电容器、电缆输配电线路等；
3）基波无功：与电源频率相等的无功(50HZ)；
4）谐波无功：与电源频率不相等的无功。

实际供用电系统中的电力负荷并不是纯感性或纯容性的，是既有电感或电容又有电阻的负载。这种负载的电压和电流的相量之间存在着一定的相位差相位角的余弦cosϕ称为功率因数，又称力率。它是有功功率与视在功率之比。
三相功率因数的计算公式为：

式中：P为有功功率kW（active power）；S为视在功率kVA（apparent power）；Q为无功功率Kvar（reactive power）。

视在功率S=UI 视在功率：在具有电阻和电抗的电路内，电压有效值U与电流有效值I的乘积叫视在功率，以字母S或符号 Ps表示，单位为千伏安（kVA）。有效值是指在相同的电阻上分别通过直流电流和交流电流，经过一个交流周期的时间，如果它们在电阻上所消耗的电能相等的话，则把该直流电流（电压）的大小作为交流电流（电压）的有效值，数值为电压或电流峰值的1/根号2.

功率因数通常分为自然功率因数、瞬时功率因数和加权平均功率因数三种。(1)自然功率因数：是指用电设备没有安装无功补偿设备时的功率因数，或者说用电设备本身所具有的功率因数。自然功率因数的高低主要取决于用电设备的负荷性质，电阻性负荷(白炽灯、电阻炉)的功率因数较高，等于1，而电感性负荷(电动机、电焊机)的功率因数比较低，都小于1。(2)瞬时功率因数：是指在某一瞬间由功率因数表读出的功率因数。瞬时功率因数是随着用电设备的类型、负荷的大小和电压的高低而时刻在变化。(3)加权平均功率因数：是指在一定时间段内功率因数的平均值。在三相对称电路中，各相电压、电流为对称，功率因数也相同。那么三相电路总的功率因数就等于各相的功率因数。

无功功率Q=UIsinϕ此能量在往复交换的过程中，没有消耗掉。单位用VAR表示。无功功率：在具有电感（或电容）的电路里，电感（或电容）在半周期的时间里把电源的能量变成磁场（或电场）的能量贮存起来，在另外半周期的时间里又把贮存的磁场（或电场）能量送还给电源。

有功功率P=UIcosϕ,表示实际吸收的功率。有功功率又叫平均功率。交流电的瞬时功率不是一个恒定值，功率在一个周期内的平均值叫做有功功率，它是指在电路中电阻部分所消耗的功率，对电动机来说是指它的出力，以字母P表示，单位为千瓦（kW）。

增设无功补偿装置的原理可以这样理解，这是因为当交流电通入阻性负载中，由于阻性负载没有无功功率，所以它的电流和电压是同步的。但是当交流电通入感性负载中，由于电感的作用，会使交流电的电压相位超前电流相位。同样，当交流电通入容性负载中，由于电容的作用，会使得交流电的电流相位超前电压相位。在日常用电设备中，大部分都是阻性负载和感性负载。阻性负载不需要无功功率，所以也不需要功率补偿。但是感性设备需要无功功率，它会造成电压相位和电流相位不同步、电压超前电流。所以要想电流和电压相位同步，就需要在感性负载上并联电容。因为感性负载造成电压超前电流、容性负载造成电流超前电压，它们一正一负，刚好抵消。现在一般都采用无功补偿控制器实现全自动补偿。

无功控制器Ua、Ub、Uc分别接在三相火线上，它可以给无功控制器提供电压号；三个电流互感器接成星型，另外一端分别接无功控制器的Ia、Ib、Ic端，它们可以给无功控制器提供电流信号。当无功控制器有了电流信号和电压信号以后，它就可以计量出功率因素，从而控制8个接触器的线圈通电与断电。当无功控制器检测到线路功率因素过低，那么它会自动接通一个接触器线圈。这样与该接触器主触头相连的电容组就被并联到了母线上，功率因素会升高。如果功率因素不够，那么无功控制器会继续接通一个线圈，再并联一组电容上去，直到功率因素达到设定值。当无功控制器检测到线路功率因素过高，那么它会自动切除一组电容。由于线路中负载一直是动态变化的，所以无功补偿也是动态的。功率因数大小应该是恰到好处。而这个恰到好处的因数区域为0.9-0.99，而100千伏安（千瓦）及以上的用户标准则为0.85以上。

对比电机功率因数和效率的概念：

（1）功率因数和效率都是电机产品可靠地经济运行的关键指标，客户为了省电或节约电费，希望越大越好；

（2）功率因数考量电机产品将所吸收的电网能量转换有用功的能力，直接影响电网能量的利用水平和电网运营成本。为此，国家对于用电设备功率因数进行严格控制，在连续工作制电机技术条件中有严格的功率因数考核规定。

（3）电机效率是反映电机本体将吸收到的有功功率转换为输出轴上机械功率的能力，GB18613、GB30253和GB30254分别对量大面广的电机产品效率进行了限值控制要求，并通过一些政策倾斜，鼓励企业开发和生产高效电机。

（4）功率因数和效率的表达不同。尽管两者都是比值关系，但功率因数采用直接的比值，而效率则采用百分比表达。

谐波和无功功率有关系吗？

谐波：除了基本频率（50Hz或者60Hz）外的任何频率的周期性电压、电流信号皆称之为谐波。在电力系统中常用的抑制谐波的方法是采用并联的无源滤波器或者有源滤波器。

1、在没有谐波的情况下，无功功率有其固定的概念和定义。而在含有谐波的情况下，无功功率的定义和谐波有很大关系，谐波也会影响负载和电网的无功功率，影响功率因数。

2、产生谐波的装置同时也大都是消耗基波无功功率的装置，如各种电力电子装置、电弧炉和变压器等。

3、补偿谐波的装置通常也都是补偿基波无功功率的装置，如LC无源滤波器、有源电力滤波器中的许多类型都可补偿无功功率，高功率因数整流器既限制了谐波，也提高了功率因数。

简单的说谐波会降低功率因数。当负载为线性负载，系统中没有谐波时功率因数=cosφ。

从功率因数的原始定义，可以推导出功率因数的一个完全表达式：

从表达式中看出，总电流不变的情况下，谐波增加，必然导致基波电流减少，就使得基波因子降低，功率因数下降。同样，电流移相多，移相因子降低，也使得功率因数降低。

传统的理解中，部分人分析电能质量问题的时候，习惯把谐波和功率因数问题分开分析，很少注重到它们的关联性。印象中的功率因数三角形的各功率关系：

这种情况只是考虑在没有波形失真的线性负载的情况下的功率因数三角形。功率因数只受基波有功和基波无功的大小影响。但是现实生活中的负载多种多样，如变频器、点焊机、电弧炉、吊机等等，这些都是非线性负载。在非线性负载存在的情况下，产生了一种波形叫谐波，谐波流过线圈和传输电缆会产生铜耗，这部分损耗，就如无功电流在传输电缆上产生的损耗类似，可以理解为无功损耗。其实也就是谐波衍生了失真无功，并不同于基波无功，使得各功率间关系重新搭建。存在非线性负载的情况下的功率间关系：

看了上面这张图片之后，可能有部分人知道真相了。谐波的失真功率的存在，一样使得功率因数降低。当D足够大的时候，我们就不能忽视它的存在，功率因数三角形也已经不再是三角形。如上图可得：

PF：功率因数；S：视在功率；P：有功功率；Q：基波无功功率；D：失真无功功率。

综上所述，谐波的存在，衍生了谐波失真无功，并不同于基波无功的一种。在谐波含量过高的情况下，也要对谐波失真无功治理，才能达到国家功率因数标准。

说到国家功率因数标准，那么国家功率标准是什么呢？全国供用电规则规定：

160千伏安以上的高压供电工业用户（包括社队工业用户）、装有带负荷调整电压装置的高压供电电力用户和3200千伏安及以上的高压供电电力排灌站。功率因数标准为0.90。

100千伏安及以上的其他工业用户（包括社队工业用户）、100千伏安及以上的非工业用户和100千伏安及以上的电力排灌站。功率因数标准为0.85。大工业用户未划由电业直接管理的趸售用户，功率因数标准应也为0.85。

100千伏安及以上的农业用户和趸售用户，功率因数标准为0.80。

为了应对日益复杂的谐波补偿问题，随着电力电子技术的发展而产生的有源滤波器逐渐被广泛应用。有源电力滤波器（Active Power Filter，简称APF）是一种用于动态治理谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿。有源滤波器之所以称为有源，顾名思义该装置需要提供电源（用以补偿主电路的谐波），其应用可克服LC滤波器等传统的谐波治理和无功补偿方法的缺点（传统的只能固定补偿），实现了动态跟踪补偿，而且可以既补谐波又补无功。有源滤波装置在原有立柜、抽屉、壁挂式产品基础上，进一步缩小了体积并减轻重量；由于其采用了高集成化模块设计，后期维护变得更加轻松、便利，而且治理效果也更显著。其不仅能治理谐波，也能补偿无功：治理谐波，可改善电能质量使设备误动作率大大降低，从而提高电气设备利用率和产品合格率，既保证了电网运行，又能降低用户的电力损耗；补偿无功，使功率因数高达0.98以上，则避免了用户因功率因数不足而被罚款，也为用户带来了可观的经济收益。