最佳負(fù)載概念

最佳負(fù)載在變壓器中常用功率因素來表征，功率因數(shù)的高低，主要與負(fù)載大小有關(guān)。一般電機空載時，功率因數(shù)很低，通常小于0.2。電機帶負(fù)載后，要輸出機械功率，因此，定子電流中的有功分量增大，功率因數(shù)逐漸提高。在額定負(fù)載運行時，電機的功率因數(shù)最高。電機運行時，效率高低與負(fù)載大小有關(guān)。一般電機空載運行時，效率為零。負(fù)載增加時，效率也增加。當(dāng)負(fù)載為（0.7~1）倍額定負(fù)載時，效率最高。因此，電機在接近額定負(fù)載下運行時，效率最高，最為經(jīng)濟。綜上述，電機最佳的負(fù)載率是在：電機在額定負(fù)載或接近額定負(fù)載下運行時。

最佳負(fù)載最高工作效率與經(jīng)濟性的關(guān)系

變壓器所帶實際負(fù)載與其額定出力之比稱為變壓器的負(fù)載系數(shù)。用 β表示?，F(xiàn)假定不同負(fù)載下功率因數(shù)(用cosφ表示)近似不變。變壓器運行的功耗率為：

顯然，在功率耗率最低時工作效率便最高。將此狀態(tài)下的負(fù)載系數(shù)稱最佳負(fù)載系數(shù)。這說明運行中當(dāng)變壓器的實際銅耗等于鐵耗時，便是處在最高效率狀態(tài)。對恒定負(fù)荷或均衡負(fù)荷時段內(nèi)也便是最經(jīng)濟狀態(tài)。其設(shè)計結(jié)果必然使額定負(fù)載下的銅耗比鐵耗大了約 4～7倍。故總有β<1。由于實際負(fù)載的波動，變壓器使用時β常小于1。這利于取得變壓器運行的經(jīng)濟性。

在最佳負(fù)載系數(shù) β下運行時，功耗率最低。由于在恒定負(fù)荷時段內(nèi)，功耗表征了每傳遞單位電量時變壓器本身所消耗的電能。故此可理解為 “變電單耗 ”。在此前提下，功耗率最低也便是能耗率最低。對于變壓器投運中的每時每刻都需盡可能爭取處在或十分接近于最高效率狀態(tài)下為最經(jīng)濟。而對大量存在的變動負(fù)荷，則要求在變動負(fù)荷時段(如年月或日)內(nèi)其能損率最低，始為努力追求的經(jīng)濟運行目標(biāo)。

在 β下運行時變壓器的功損為其空載損耗(近似鐵耗) 的兩倍。故實踐中推薦采用優(yōu)質(zhì)低耗變壓器對運行極為有利，此為變壓器的理想工作狀態(tài)，也是實踐中努力爭求的目標(biāo)。若能使變壓器投用過程中，始終處于β(或近于β)狀態(tài)下，則必然能取得最經(jīng)濟的效果。故實際工作中所采用的調(diào)整變壓器負(fù)荷等許多技術(shù)措施，也都是為了盡可能實現(xiàn)或接近β狀態(tài)下的最經(jīng)濟運行。

變壓器的功率損失，功耗率(恒載時段內(nèi)的變電單耗)及工作效率，都是負(fù)載系數(shù)的函數(shù)。在由空載到滿載的閉區(qū)間定義域內(nèi)，它們的典型特性曲線?？梢姡β蕮p失為一遞增函數(shù)。隨著負(fù)載增加，實際功率損失將逐漸增大；工作效率為一上凹曲線，由0起在β₀。時達最高效率，此后便緩慢下降，但達滿載時其效率也在95%以上；而功耗率變化正相反，是下凹曲線，在β₀時出現(xiàn)最低值，隨著負(fù)載增加而緩慢增高(滿載時較β₀狀態(tài)下約增大20%左

右)，負(fù)載降低時則急劇增高。同時可推求得功耗率與滿載時相等的β_i值(為P₀/P_k，即變壓時損失比的倒數(shù)也等于β₀²)。當(dāng)實際負(fù)載率低于β_j時，則功率將成幾倍，幾十倍地劇增，此狀態(tài)下運行經(jīng)濟性極差。故 β₀ 確系為實現(xiàn)變壓器經(jīng)濟運行而要捕捉并深入探討的關(guān)鍵點。

最佳負(fù)載最佳負(fù)載系數(shù)的實用性

變壓器運行的經(jīng)濟性，需順應(yīng) “工作效率最高→功耗率最低→實耗率最低”的模式來考慮。只有在盡可能長時間地使變壓器工作在最高效率，最低功耗率狀態(tài)下，求得全年、全月或全日變壓器能耗率最低，方可取得最好的經(jīng)濟性，也才能稱得上屬經(jīng)濟運行。這是由于不講工作效率的能耗最低，事實上是毫無實際意義的。因為絕不會將全年處于空載狀態(tài)下的變壓器算作是最經(jīng)濟運行。故運行經(jīng)濟性的前提必須首先建立在最低功耗率的基礎(chǔ)上。最佳負(fù)載系數(shù)既有理論性，瞬時性含義，又具現(xiàn)實性與實用性意義，它是研究經(jīng)濟運行的基礎(chǔ)與精髓。其現(xiàn)實意義可具體在：

1) 對于已投運的變壓器可以據(jù)此判定其是否處于經(jīng)濟運行狀態(tài)。這類變壓器的額定容量已經(jīng)選定，由其實際負(fù)載系數(shù)與β ′的差值情況即可認(rèn)定運行是否經(jīng)濟。繼之可采取調(diào)整負(fù)荷或更換合適變壓器等辦法以實現(xiàn)經(jīng)濟運行?？梢姳?進行比較計算得出論據(jù)。

2) 對恒定負(fù)荷及負(fù)荷變動甚小的變壓器(如鋁電解連繼性用電行業(yè)，三班連續(xù)性生產(chǎn)用變壓器)或其它分段性用電行業(yè)等負(fù)荷及分段負(fù)荷變化很小的變壓器(如地區(qū)或地域性主變壓器及三班制間斷性生產(chǎn)的配變)，在負(fù)荷基本恒定與均衡負(fù)荷時段內(nèi)，誠如前面已指出的功耗率實質(zhì)上可理解為變電單耗那樣，若實際負(fù)載系數(shù)近于β′，則單耗最低，運行屬最經(jīng)濟。在上述前提下，同樣可反過來以此作為選擇變壓器適宜容量的依據(jù)。

3) 明確了 β′ 下變壓器功耗率最低，效率最高這一觀點就可以由此導(dǎo)出及建立變壓器究竟運行在何種狀態(tài)下方為經(jīng)濟的概念。對于負(fù)荷變動較大的地區(qū)或區(qū)域性主變，以及大量農(nóng)村或城市單、雙班生產(chǎn)用配變，則可通過具體反映實際負(fù)荷曲線不同波動性質(zhì)與幅度的 “形狀系數(shù) ”來溝通與 β′ 的關(guān)系，以求其全年電能損耗率為最低而實現(xiàn)經(jīng)濟運行。

4) 通過對單臺變壓器所建立的最佳負(fù)載系數(shù)，最低功耗率與能耗率的經(jīng)濟運行觀點，可進一步推出多臺變壓器并列實現(xiàn)經(jīng)濟運行的法則(即何時并列與何時切除等)；可據(jù)此提出更換適宜容量的條件與選擇方法，此外，還能由此引申選擇一大一小的“母子變”及采用可調(diào)容量的“調(diào)容變”等措施的基本原則。

150℃以下的低溫?zé)崮軓V泛存在于自然界和工業(yè)生產(chǎn)過程中，如太陽能、生物質(zhì)能、地?zé)崮埽约八鄰S、熱力發(fā)電廠和化工廠的工業(yè)余熱，若不加以利用，則是對能源的巨大浪費，因此，安全、可靠、高效地利用這部分熱能的意義重大。與傳統(tǒng)的水蒸氣朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)相比，有機物朗肯循環(huán)（ORC）發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率高、環(huán)境友好、結(jié)構(gòu)簡單及可靠性高，已成為回收利用低溫?zé)崮艿淖罴堰x擇。國內(nèi)外關(guān)于ORC系統(tǒng)的理論研究較多，但相關(guān)的實驗研究相對較少。Gu等通過理論和實驗的方法研究了余熱回收ORC系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)部件中蒸汽發(fā)生器的不可逆損失最大，而且系統(tǒng)的最大熱效率為5.2%；Mathias等搭建了可采用渦旋式或擺線式膨脹機的有機物發(fā)電實驗臺，其最大輸出功率為2.96kW；Peterson等建立了一個采用渦旋式膨脹機的實驗系統(tǒng)，其熱源溫度為165～183℃，系統(tǒng)輸出功率為187～256W；Quoilin等通過實驗和半經(jīng)驗理論模型對渦旋式膨脹機進行了研究，并考慮了膨脹機的內(nèi)泄漏、漏熱、過膨脹或欠膨脹等損失；Li等搭建了實驗臺并對回?zé)崾桨l(fā)電系統(tǒng)進行實驗研究；Kang等研究了采用徑流式渦輪膨脹機的ORC系統(tǒng)，并分析了影響系統(tǒng)性能的因素；Pei等分析了膨脹機的各項損失對系統(tǒng)性能的影響及熱電聯(lián)產(chǎn)的相關(guān)問題；Gao等研究了太陽能混合工質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)。這些研究推動了ORC技術(shù)的發(fā)展，但對膨脹機－發(fā)電機－負(fù)載三者的相關(guān)性研究還很少。

最佳負(fù)載實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

研究所用低溫?zé)崮苡袡C物朗肯循環(huán)發(fā)電實驗系統(tǒng)外觀及結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由有機物朗肯循環(huán)與熱源循環(huán)2個環(huán)路組成。有機物朗肯循環(huán)環(huán)路主要包括蒸發(fā)器、冷凝器、儲液罐、工質(zhì)泵和膨脹機；熱源循環(huán)環(huán)路是加熱油爐循環(huán)系統(tǒng)；另外，實驗系統(tǒng)中還包括發(fā)電機、負(fù)載電阻、背壓閥、球閥、膜片式脈沖阻尼器及干燥過濾器等配件和一整套測試設(shè)備。

為了減小發(fā)電實驗系統(tǒng)的體積，將實驗設(shè)備與測試設(shè)備集成在一個箱體中，并在箱體底部安裝滑輪以便于移動。實驗系統(tǒng)的工作原理如下：將蒸發(fā)器、膨脹機、冷凝器、儲液罐與工質(zhì)泵用銅管依次連接而形成工質(zhì)循環(huán)的閉路系統(tǒng)；渦旋式膨脹機通過聯(lián)軸器與永磁交流發(fā)電機連接；3個相同的瓷盤變阻器通過三角形接法與發(fā)電機相連；采用導(dǎo)熱油爐模擬熱源，油泵將高溫導(dǎo)熱油送入蒸發(fā)器中以加熱有機物工質(zhì)；工質(zhì)冷凝以風(fēng)冷為主；另外，為保證實驗?zāi)軌蛟诓煌r下順利進行，在冷凝器的散熱盤管上安裝噴霧系統(tǒng)，以便于冷凝負(fù)載較大時使用。

最佳負(fù)載最佳功率負(fù)載線

圖2示出了當(dāng)熱源溫度為100℃時實驗所獲功率－轉(zhuǎn)速特性曲線。其中，實線為相同工質(zhì)流量下渦旋膨脹機的功率－轉(zhuǎn)速特性曲線，虛線為相同負(fù)載電阻下發(fā)電機的功率－轉(zhuǎn)速特性曲線，2條曲線的交點即為渦旋式膨脹機、發(fā)電機及負(fù)載的耦合工況點，例如電阻為60Ω的發(fā)電機功率－轉(zhuǎn)速特性曲線上的耦合工況點為A、B和C。

在不同的工質(zhì)流量下，渦旋式膨脹機均存在一個最佳轉(zhuǎn)速與一個最大輸出功率相對應(yīng)。將不同工質(zhì)流量下的最佳工況點相連接，則可得到渦旋式膨脹機的最佳功率轉(zhuǎn)速線。由于聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)速與負(fù)載電阻成正相關(guān)關(guān)系，故在不同工質(zhì)流量下都存在一個最佳負(fù)載電阻，以使渦旋式膨脹機工作在最佳工況點，所以渦旋式膨脹機的最佳功率轉(zhuǎn)速線也即最佳功率負(fù)載線。從理論上講，要想使得膨脹機與發(fā)電機及負(fù)載達到最佳的匹配，就應(yīng)使配套發(fā)電機的功率－轉(zhuǎn)速曲線與膨脹機的最佳功率負(fù)載線重合，以使膨脹機不會工作在過載和欠載狀態(tài)下。

最佳負(fù)載熱源溫度的影響

由圖3可見，當(dāng)熱源入口溫度不同時，系統(tǒng)的最佳負(fù)載電阻約為60Ω，但最佳的轉(zhuǎn)速和發(fā)電功率隨著熱源溫度的增加而增大。發(fā)電效率表示熱源熱能轉(zhuǎn)化為電能的程度，決定了發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用價值，其與發(fā)電功率的比值即為單位質(zhì)量工質(zhì)的發(fā)電量，表示工質(zhì)的做功能力。由圖4可以看出：當(dāng)負(fù)載電阻為60Ω 時，發(fā)電效率和比發(fā)電功率均達到最大值。隨著負(fù)載電阻增加，系統(tǒng)的發(fā)電效率呈現(xiàn)出先增后減的變化趨勢，并存在一個最佳的負(fù)載電阻，使得系統(tǒng)具有最大的發(fā)電效率，而且當(dāng)熱源溫度升高時，最佳負(fù)載電阻對應(yīng)的發(fā)電效率隨著熱源溫度升高而增大；同時，比發(fā)電功率隨負(fù)載電阻變化的關(guān)系與發(fā)電效率和發(fā)電功率的相似，即存在一個最佳負(fù)載電阻，以使比發(fā)電功率最大，且在不同溫度下均存在最佳的負(fù)載電阻，熱源溫度越高，最佳負(fù)載電阻對應(yīng)的最大比發(fā)電功率越大，即最佳負(fù)載電阻不僅使得系統(tǒng)具有最大的發(fā)電功率和發(fā)電效率，而且使得循環(huán)工質(zhì)的比發(fā)電功率最大。因此，合理設(shè)置負(fù)載電阻，能夠使得發(fā)電系統(tǒng)發(fā)揮最佳的性能。

最佳負(fù)載研究結(jié)論

（1）在不同的熱源溫度和工質(zhì)流量條件下，均存在一個最佳的負(fù)載電阻，使得系統(tǒng)具有最大的發(fā)電功率、比發(fā)電功率及發(fā)電效率。

（2）在設(shè)計發(fā)電系統(tǒng)時，應(yīng)為渦旋式膨脹機選擇合適的永磁發(fā)電機和負(fù)載電阻，以使系統(tǒng)運行時發(fā)電機的負(fù)載電阻－功率－轉(zhuǎn)速特性曲線盡可能靠近膨脹機的最佳功率負(fù)載線，使得系統(tǒng)發(fā)揮最佳的性能。

（3）在熱源溫度不超過120℃ 時，實驗所測系統(tǒng)的最大發(fā)電功率可達1.05kW，最高發(fā)電效率可達4.51%，膨脹機的最大轉(zhuǎn)速和膨脹比分別可以達到2922 r/min和3.03。

感性負(fù)載：

即和電源相比當(dāng)負(fù)載電流滯后負(fù)載電壓一個相位差時負(fù)載為感性(如負(fù)載為電動機、變壓器)

容性負(fù)載：

即和電源相比當(dāng)負(fù)載電流超前負(fù)載電壓一個相位差時負(fù)載為容性(如負(fù)載為補償電容)。

阻性負(fù)載：

即和電源相比當(dāng)負(fù)載電流負(fù)載電壓沒有相位差時負(fù)載為阻性(如負(fù)載為白熾燈；電爐)。

容性負(fù)載，即具有電容的性質(zhì)，（充放電，電壓不能突變）。

感性負(fù)載，即具有電感的性質(zhì)，（磁場，電流不能突變）。

混聯(lián)電路中容抗比感抗大,電路呈容性反之為感性。

負(fù)載性質(zhì)包括：容性負(fù)載、感性負(fù)載和純電阻負(fù)載。容性負(fù)載：電流相位超前電壓；感性負(fù)載：電流相位滯后電壓；純電阻負(fù)載，電流與電壓相位相同。

負(fù)載特性常見的是發(fā)電機和電動機的負(fù)載特性，其又分為同步電機和異步電機，負(fù)載可分為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性以及恒功率負(fù)載特性。