三相異步電動(dòng)機(jī)功率設(shè)置及使用諸問題的若干措施

張躍鋒，高景任

（山西焦煤汾西礦業(yè)集團(tuán)公司洗煤廠，山西 介休 032000）

0 引 言

我國(guó)電力消耗60%以上是電動(dòng)機(jī)消耗，使用效率比先進(jìn)國(guó)家低10%。選型過大、耗能高是其特征之一。通常三相異步電動(dòng)機(jī)為三角接法,有用功率計(jì)算式為P=1.732IUηcos。由于V線=V相,I線=1.732I相（線電流滯后相應(yīng)電壓30°），三相有功功率P=3V相I相cos=1.732I線U線cos，考慮電機(jī)效率η時(shí)，功率P=1.732IUηcos。其中IU一般能正常保證。而當(dāng)沒有無功補(bǔ)償時(shí)，η和cos過低時(shí)，P值將大大降低，與電氣系統(tǒng)η和會(huì)疊加，于是出現(xiàn)頻繁掉閘、悶車、燒毀電器等現(xiàn)象，使“大馬拉小車”不可避免。這種惡性循環(huán)，只能依靠容性元件補(bǔ)償，現(xiàn)在雖然已可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)償，但其系統(tǒng)造價(jià)大大提高。

1 無功功率補(bǔ)償

圖1 無功功率補(bǔ)償?shù)墓ぷ髟?/p>

無功補(bǔ)償是在有感性或容性的交流電路中，電感磁場(chǎng)和電容電場(chǎng)在一周期的一部分時(shí)間內(nèi)，從電源吸收能量，另一部分時(shí)間內(nèi)將能量返回電源，整個(gè)周期內(nèi)平均功率為零，沒有消耗能量；能量是在電源和電感、電容之間交換，能量交換率的最大值稱無功功率。單相交流電路中，無功功率的計(jì)算值等于電壓有效值、電流有效值、電壓電流間相角的正弦三者之積。無功功率補(bǔ)償時(shí)，在變電所或用戶處設(shè)置無功功率的電源，以滿足電網(wǎng)無功功率平衡，是保證電壓水平的一項(xiàng)技術(shù)措施。通常并聯(lián)電容器，接入同步調(diào)相機(jī)或靜止無功功率補(bǔ)償器。據(jù)資料顯示，補(bǔ)償率為有限值，最多可節(jié)電8%。見圖1，此時(shí)的感性電路功率因數(shù)cos1變?yōu)閏os，很明顯cos＞cos1，功率因數(shù)大大提高。

三相異步電動(dòng)機(jī)的補(bǔ)償電容器及合理功率因數(shù)，依據(jù)如下列公式[1]：QC=KC1.QC=KP2.QC=KP3.cos=(cosN)100/β.β=100I/Ie.

式中：QC為無功功率，kW；K1系數(shù)據(jù)電壓選定；C為電容，μF；K2系數(shù)據(jù)電機(jī)極數(shù)選；P為電動(dòng)機(jī)功率，kW；K3據(jù)實(shí)際功率因數(shù)選定；cos為補(bǔ)償前功率因數(shù)；cosN額定負(fù)載下功率因數(shù)；β為電流負(fù)載率；I為運(yùn)行電流，A；Ie為額定電流，A。

習(xí)慣算法實(shí)例[2]：網(wǎng)塊額定功率1 000 kW的負(fù)荷，可先測(cè)量其自然功率因數(shù)值(全部負(fù)荷起動(dòng)情況下，不帶電容器時(shí)的功率因數(shù)值)；若沒有辦法精確測(cè)量，估計(jì)大部分負(fù)荷都是電機(jī)，以功率因數(shù)cos1=0.70估算。要想額定狀態(tài)下，將其功率因數(shù)提高到0.90，則需補(bǔ)償電容器的容量為：補(bǔ)償前cos1=0.70，1=0.7953,tg1=1.020.補(bǔ)償后 cos2=0.90，2=0.451,tg2=0.483.于是，Qc=Pe(tg1-tg2)=1 000(1.020-0.483)=537(kvar).約需要補(bǔ)償537 kvar的電容器。如果功率因素cos從0.7增加到0.9，根據(jù)公式有功功率增量P=Scos=1 000(0.9-0.7)=200 kW.這就表明，有功功率增大200 kW，可以大大減小了無功功率，有利于更合理地選用電動(dòng)機(jī)。

無功功率補(bǔ)償可以收到下列效益：1）提高用電器功率因數(shù)，從而提高所電力設(shè)備的利用率。2）減少電力網(wǎng)絡(luò)有功損耗。3）合理控制電力系統(tǒng)的無功功率流動(dòng)，使其設(shè)備補(bǔ)償降損節(jié)能，提高電力利用效果和效率。電磁轉(zhuǎn)換造成的無功損耗占低壓電網(wǎng)功率損耗的70%以上。提高電源質(zhì)量，優(yōu)化電源環(huán)境，可節(jié)電節(jié)材，使電動(dòng)機(jī)、變壓器線損減小。4）無功補(bǔ)償在電子供電系統(tǒng)中可提高電網(wǎng)功率因數(shù)，降低輸供電線路損耗，提高供電效率，改變供電環(huán)境，是電氣系統(tǒng)不可或缺的技術(shù)，也是電氣檢查不能忽略的內(nèi)容。不久我國(guó)將基本實(shí)現(xiàn)變輸煤為輸電，容量增大后提高電網(wǎng)功率因數(shù)更是節(jié)能良方之一[3]。

2 電壓值

電動(dòng)機(jī)名牌上所標(biāo)電壓值是指電動(dòng)機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)定子繞組上應(yīng)加的線電壓值。一般規(guī)定電動(dòng)機(jī)電壓不應(yīng)高或低于額定值的5%。當(dāng)電壓高于額定值時(shí)，磁通將增大、進(jìn)而引起勵(lì)磁電流增大，不僅鐵損大增，鐵芯發(fā)熱而致過熱。常見的電壓低于額定值時(shí)，轉(zhuǎn)速下降、電流增加；如果在滿載情況下，電流超過額定值，會(huì)使繞組過熱；而在低于額定電壓運(yùn)行時(shí)，會(huì)使電壓平方成正比的最大轉(zhuǎn)矩顯著下降。

3 電流值

名牌所標(biāo)電流值是指電動(dòng)機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)定子繞組的線電流值。當(dāng)空載時(shí)，轉(zhuǎn)子電流近于零，這時(shí)定子電流幾乎全為建立旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的勵(lì)磁電流；當(dāng)功率增大時(shí)，轉(zhuǎn)子電流和定子電流都隨之增大。圖2為一臺(tái)10 kW三相異步電動(dòng)機(jī)的工作曲線[4]，輸出功率與輸入功率不等，其差值等于電動(dòng)機(jī)本身的損耗功率，包括銅損、鐵損、機(jī)械損耗等；鼠籠式電動(dòng)機(jī)效率約75%~92%.η=f(P)曲線如圖2，功率為額定功率的90%~100%時(shí)效率最高，定子相電流比相電壓滯后角 ，cos即其功率因數(shù)。三相異步電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載時(shí)其值約0.7~0.9，輕載空載時(shí)約0.2~0.3，從工作特性曲線看出此時(shí)效率很低，因此，必須正確選擇電動(dòng)機(jī)容量。但因設(shè)備不同，安全系數(shù)取1.1~1.5；又因防止“大馬拉小車”，故應(yīng)加強(qiáng)信息化、自動(dòng)化、集中控制，盡量減少設(shè)備空轉(zhuǎn)和輕載運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖2 三相異步電動(dòng)機(jī)的工作曲線

4 關(guān)于變頻器的配置

變頻技術(shù)已普遍用于工業(yè)行業(yè)[3，4]，并有諸多優(yōu)點(diǎn)：1）除有調(diào)速節(jié)能功能外，還有多種保護(hù)特性、故障顯示和記憶功能，便于故障分析排除。它有瞬時(shí)停電保護(hù)、過載保護(hù)、過流、短路、欠壓、直流過電壓、過熱保護(hù)、防止失速和CPU保護(hù)等。2）具有加減特性，針對(duì)不同負(fù)載可有加減速時(shí)間設(shè)定開關(guān)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)、限流記錄。限制啟動(dòng)電流，保護(hù)開關(guān)克服因啟動(dòng)電流沖擊而跳閘。有恒轉(zhuǎn)矩型者，要RC濾波，且有整流功能，可提高用電質(zhì)量。3）在諸多領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用，使用成本不斷降低，效率可達(dá)95%。不同場(chǎng)合使用都能起到節(jié)能降耗、提高設(shè)備壽命良好使用性能、裝備水平的作用。

例如：普通水泵電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)在0.6~0.7之間，使用變頻調(diào)速裝置后，由于變頻器內(nèi)部濾波電容的作用，cos≈1，從而減少了無功損耗，增加了電網(wǎng)的有功功率。由于風(fēng)機(jī)、泵類平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載的變頻調(diào)速節(jié)能，風(fēng)機(jī)、泵類通用設(shè)備的用電占到電動(dòng)機(jī)用電的50%左右,那就意味著占全國(guó)用電量的30%。采用電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速調(diào)節(jié)流量(比用擋板、閥門調(diào)節(jié))，可節(jié)電20%～50%，若按30%計(jì)算，節(jié)省電量則為全國(guó)總用電量的9%，將是巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。若對(duì)風(fēng)機(jī)、水泵用閥門、擋板節(jié)流調(diào)節(jié)，增加管路阻尼，電動(dòng)機(jī)仍舊以額定速度運(yùn)行，能量消耗很大。如用變頻器對(duì)風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備進(jìn)行控制，可將閥門、擋板開到最大，管路阻尼最小，能耗則可大為減少[5]。

5 電氣元件配置時(shí)的注意事項(xiàng)

1）高輸、低用、避峰用電保生產(chǎn)；2）保險(xiǎn)系數(shù)防護(hù)等級(jí)要適宜；3）電網(wǎng)電器功率因數(shù)相照應(yīng)；4）本機(jī)補(bǔ)償同啟停較好；5）突破瓶頸盡量以額定功率工作；6）自動(dòng)補(bǔ)償莫偏廢，電動(dòng)機(jī)選擇要優(yōu)質(zhì)高效適當(dāng)；7）選用合適的變頻器；8）配齊無功功率表、功率因數(shù)表、無功電能表、無功電流表等儀表，完善檢核措施。

6 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)在較先進(jìn)的適用節(jié)電技術(shù)主要有：無功補(bǔ)償技術(shù)、智能控制技術(shù)、變頻技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)、動(dòng)態(tài)技術(shù)等，需要我們學(xué)習(xí)鉆研消化應(yīng)用。工程設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中，要嚴(yán)控電網(wǎng)系統(tǒng)的功率因數(shù)和機(jī)械效率，電氣設(shè)備要合理配置使用。企業(yè)健康來自規(guī)范、強(qiáng)化自主創(chuàng)新、推進(jìn)技術(shù)進(jìn)步和精細(xì)管理。要加強(qiáng)對(duì)管理、培訓(xùn)、裝備治企理念的理解，要能力轉(zhuǎn)型跨越創(chuàng)新發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)10年減排40%~45%溫室氣體的目標(biāo)而努力。

[1] 教富智.電工計(jì)算100例[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[2] 陳永甫.電子工程師技術(shù)手冊(cè)[M].北京：科學(xué)出版社，2011.

[3] 吳忠智，吳加林.變頻器應(yīng)用手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[4] 秦曾煌.電工學(xué)[M].北京：人民教育出版社，1999.

[5] 舒新城，陳望道.辭海[M].上海：辭書出版社，2002.