功率包括有功功率、无功功率和视在功率。只有有功元件才能产生机械能或热量.
1.有功功率、无功功率和视在功率的定义
所有电气设备使用的交流电(电动机或变压器)包括两种形式的功率:有功功率和无功功率。有功功率P(kW)是有功能量消耗(kw•h)的结果,可以完全转化为机械能(工作)和热量(损耗);无功能量消耗(kVar•h)用于供应电机磁电路,负载仅消耗无功功率Q(kVar);视在能量(kVar•h)是前两能量的总和。负载的视在功率S(kV•A等于P(kVar)的矢量和。
2.有功电流、无功电流和视在电流的定义
每个有功功率和无功功率都有其对应的电流。 有功电流 (Ia) 是与电网电压同相的电流;无功电流(It)与有功电流相位相差90°,无功电流可能滞后(感性负载)或超前(容性负载); 如果是正弦波电流, 可以使用 Fresnel方程描述,这些电流的向量关系如图5-3
3.有功元件、无功元件
图5-3描述的电流向量关系也适用于功率, 每个电流乘以共同的电压U即可。 因此可以定义:视在功率S=UI(kV•A),有功功率P=Ucosφ(kW),无功功率P=UIsinφ(kVar)。功率向量关系如图5-4所示。
4.功率因数的定义
功率因数定义为有功功率P和视在功率S之比。 如果电压和电流是正弦信号, 功率因数等于 cosφ。在给定时间内,功率因数等于有功功率值和视在功率值之比。
5.补偿目标
对于同一有功功率P,如图5-5所示,无功功率越大,则视在功率越大,因此需要更高的电流。无功能量流通会严重影响电网的技术指标和经济性。
因为会产生较大的电流, 所以无功功率在电网内流通将导致变压器超载、 电缆温度升高、损耗增加、电压下降。为了鼓励功率因数补偿,避免网络功率因数超标,电力行业会对产生超过阈值无功功率的行为进行处罚 。 所以, 应产生尽可能和负载需求相同的无功功率, 以防止在网络中的电流不必要的流通, 这就是 “功率因数补偿”。
电容器可用于为感性负载提供无功功率。
为了减少视在功率Qc=P(tanφ2一tanφ1),可通过连接电容器, 使电网无功功率从S2变为S1, 如图5-6所示为功率因数补偿原理示意图。
6.补偿类型的选择
补偿的经济价值由电容组的安装费及补偿所节约的费用来衡量。决定电容组安装费的因素有装机功率、电压等级、分级、控制模式和保护的质量水平。
1 )补偿位置的选择
全局补偿: 该电容器连接在电源的终端, 并为所有负载进行补偿。这种补偿适用于避免处罚和减轻变压器负载。
局部或部门补偿: 该电容器安装在部门的供电终端以达到补偿的目的。这种补偿安装范围广泛且拥有不同类型负载的车间 。
单独补偿: 电容组直接接在每个负载接线端子上 (尤其是电动机)。电机功率高于所需要的功率时可以考虑釆用。因为直接在消费无功功率处进行补偿, 所以这种补偿方式在技术上最为理想 。
2 )补偿类型的选择
固定式补偿: 整个电容器组采用“开/关”操作模式。可通过手动（断路器和开关），半自动 (接触器)、 或依赖于电动机接线端子接入。这种补偿模式是在变压器电源的无功功率较低(低于变压器功率的l5%)和负载相对稳定时使用 。
自动或“分级”补偿: 该电容器组通常是分级的, 能根据情况自动接入不同数量的电容器。这类电容器组安装在低压配电终端或重要部门。它允许一级一级地调节无功功率。电容器的投切由无功继电器控制 。
7. 针对谐波的功率因数补偿
越来越多地使用电力电子器件的设备 (如变频驱动器, 整流器和UPS)导致了电网中的谐波增加。这些谐波干扰了许多设备的正常运行。因为电容器组的阻抗与谐波阶数成反比, 所以谐波干扰对电容器组影响很大 。
在某些情况下, 可能出现的谐振现象, 会导致电压波形严重畸变和电容过载。各类电力电容器必须根据谐波源的功率进行选择, 表5-l总结了可能的选择方案。其中，Gh是谐波源功率, Sn是变压器功率, H型表示超大电容器。
对于高功率谐波源, 通常需要处理谐波 。 选用设各 (谐波滤波器) 时应同时考虑无功补偿和谐波滤波的功能。