三相异步电动机效率低的原因及改进方法

三相异步电动机效率低的原因及改进方法 周小涵 (攀钢动力厂　四川攀枝花　617062) 　　【摘　要】　根据攀钢动力厂的现状, 分析了三相异步电动机的负载率和功率因数的关系。详细介绍了效 率和功率因数低的外部主要原因, 并提出解决 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 。 　　【关键词】　三相异步电动机　负载率　功率因数　改进方法 Prel im inary D iscuss ion on the Eff ic iency of Three-phase A synchronous M otors and Its Im provem en t M ethod Zhou X iaohan (P ow er P lan t of P anz h ihua I ron & S teel Co, P anz h ihua, S ichuan　617062) 【Abstract】　Based on the p resen t sta te of Panzh ihua Iron & Steel Co. ’s pow er p lan t, the rela t ion sh ip betw een the load ra te and the pow er facto r of th ree2phase asynch ronou s mo to rs is analyzed. T he m ain ex ternal cau ses fo r low efficiency and pow er facto r are described in deta il and their so lving m easu res are ra ised. 【Keywords】　 th ree2phase asynch ronou s mo to r, load ra te, pow er facto r, imp rovem en t m ethod 　　攀钢动力厂功率大于 100 kW 的三相异步电动 机近百台, 有些电动机效率低、功率因数低, 尤其是 在低负荷运行时更是增加生产成本。相当部分电动 机在满负荷运行时负载率只有 50%～ 70% , 功率因 数不到 0. 7。如何提高电动机的效率和功率因数, 对 全面开展节能降耗工作具有重要的意义。 1　电动机效率和功率因数的分析 电动机的损耗包含各种形式, 有与负载电流大 小基本无关的铁损、由励磁电流产生的定子铜损以 及机械损耗, 还有与负载电流大小有关的定、转子铜 损、杂散损耗等。即使在电动机空载情况下, 电动机 的损耗也不等于零。 图 1 所示的是企业中广泛应用的三相鼠笼型异 步电动机的效率曲线图。由图 1 可以看出, 电动机容 量越小, 效率就越低, 随着电动机容量的增加, 电动 机的效率得到改善。另外还可看出, 负载率越低, 特 别是小容量电动机, 当负载率低于 50% 时, 其效率 将显著下降。 　　作为电动机特性的指标, 除了效率外, 还有功率 因数。异步电动机产生旋转磁场, 要求电源供给必要 的励磁电流, 这就导致电动机的功率因数降低。励磁 电流为: I 0= 1. 12P (A T ) ( IP) M 1N 1K dp1 式中: M 1——定子相数 　N 1——定子每相绕组串联匝数 　K dp1——定子绕组系数 　P ——极数 　 (A T ) ( IP) ——每极所需的安匝数 从上式可知, 励磁电流与电动机极数 P、安匝数 (A T ) IP成正比, 所以电动机的输入功率因数 co sΥ随 电动机极数的增多而降低, 此外, 定、转子之间的气 隙越大, co sΥ也越低。 图 1　三相鼠笼型异步电动机效率曲线 图 2 表示以输出功率为参量的标准三相鼠笼型 异步电动机的功率因数随负载率变化的曲线。由图 2 可看出, 功率因数随着电动机容量的减小而降低, 同时又随负载率的降低而显著降低。 ·3· 　2000 年第 1 期 　总 第 7 7 期　　　　　　　　　　　　　　　　　 冶 金 动 力 M ETALLU RG ICAL POW ER 另一方面, 功率因数 co sΥ与流入电动机的线电 流的关系为: I = P 1 3 U 1co sΥ×10- 3 式中: U 1——电源电压 从上式可看出, 对于同样的输入功率和电源电 压, 如果 co sΥ低, 电源侧的输入电流要增大, 那么线 损和电压降也增加。因此, 电动机运行在轻载时, 应 采取措施改善电路的功率因数。 图 2　鼠笼型电机功率因数曲线 (以输出功率为参量) 2　影响电动机效率的主要外部原因 2. 1　电源质量对三相异步电动机的影响 电源质量的优劣对电动机的正常运行和节能有 直接的影响。电动机处于非额定电压和非额定频率 下, 其损耗大大增加, 使电动机处于不合理运行状 态, 电源电压和频率允许范围之外的变化对电动机 性能引起显著变化, 尤其当电源频率降低、电压增高 时, 电动机空载损耗和空载电流要大幅度上升, 使功 率因数降低。电压降低时, 电动机转速下降, 使转子 铜损增加, 导致功率因数降低。当三相电压不对称 时, 由于有负序分量的磁场, 产生负序转矩, 增加电 动机负担。同时吸收转轴的机械功率, 能引起转子铁 损和铜损的增加, 使电动机温升增高, 输入功率增 大, 效率降低, 增加电动机的振动和噪音。 2. 2　高次谐波对三相异步电动机的影响 由于晶闸管整流装置和各种变频装置等设备的 大量使用, 给电网注入大量高次谐波, 引起电网公 害, 导致供电质量降低。高次谐波电流流入电动机绕 组, 增加电动机附加损耗, 尤其是使电动机温升增 加, 严重时电动机因过热而烧毁。高次谐波的脉冲电 压波, 使相绕组电压分布不均匀, 绕组首尾端电压分 布过高, 易造成绕组匝间击穿而短路。高次谐波电流 的脉冲, 使电动机电磁转矩脉动, 引起电动机振动和 噪声增大。高次谐波分布电容的影响, 使电动机轴电 流增大。总之, 高次谐波会使三相异步电动机最大转 矩下降, 功率因数降低, 效率也随之降低。 2. 3　电动机处于轻载下运行 电动机的功率因数随负载大小而变化。空载时, 功率因数只有 0. 2～ 0. 3; 额定负载时, 功率因数在 0. 7～ 0. 9 之间。当电动机处于轻载的功率因数要介 于空载和负载之间变化。所以, 电动机轻载运行时, 功率因数低, 其效率也低。 3　提高电动机效率和功率因数的方法 3. 1　首先要求电动机性能符合保证的要求, 不会有 明显的缩短电动机使用寿命的现象。其保证为: 电源 电压与异步电动机的额定电压的偏差在±10% 以 内, 电源频率与额定频率的偏差在±5% 以内, 当电 源电压和频率两者同时变化时, 在±10% 以内则能 保证电动机输出功率基本不变。 3. 2　 克服负荷对电网电压质量的影响。对于大功 率感性负荷应采取必要的补偿。对于过大的单相负 载, 如单相电焊机、单相加热器、单相空调等设备的 投入使用, 应合理安排, 尽量保持三相负荷平衡, 保 证电源质量。 3. 3　抑制和消除综合高次谐波, 可以将电网的畸变 控制在国家规定范围内。概括而言, 抑制高次谐波的 措施有以下几种: 系统隔离方式、增加整流相数、移 相、滤波器装置。简单介绍如下: (1)增加系统短路容量 使系统短路容量远大于整流设备容量。由于系 统短路容量大, 系统电抗小, 所以系统电压畸变 就小。 (2)减少谐波源 采用多脉波换流器, 以增加脉波数, 可以大幅度 地消除低次谐波, 一般采用脉波数为 12。少用未控 桥式接线, 因为这种接线所产生的谐波中含有不易 处理的偶次谐波。 受电变压器的一次和整流变压器的二次分别采 取△联结方式, 可消除 3、6、9 次谐波。 (3)提高脉冲数 采用变压器相位移, 如三绕组变压器, 通过二次 绕组相位移 30°角后, 由两个格雷茨桥串联组成的 换流器单元, 脉冲数提高为 12。 (4)装设滤波器 滤波器安装在非线性负载侧的母线上。如专门 的滤波装置L - C- R 串联滤波器、兼做无功补偿的 滤波装置L - C 滤波器等。 ·4· 冶 金 动 力M ETALLU RG ICAL POW ER　　　　　　　　　　　　　　2000 年第 1 期　总 第 7 7 期　 3. 4　改进电气设备结构, 提高抗谐波能力 (1)为抵抗轴电流, 电动机采用接地电刷装置或 轴承座加绝缘措施。 (2)采用叠片磁络结构, 减少涡流损耗。 ( 3) 为了提高耐热能力, 采用V ·P · I 浸渍 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 。 3. 5　小容量的电动机, 可改为单体大容量的同步电 动机, 因为电动机容量越大, 功率因数越高。 3. 6　用电容器补偿, 提高功率因数, 抑制高次谐波。 3. 7　负载率低于 30% 的△接线电动机, 可改为 Y 接线运行。 3. 8　绕线转子异步电动机使同步化运行。 4　无功补偿装置在电力运行中的经济效益 综上所述, 影响三相异步电动机效率和功率因 数的一个重要因数是电源质量, 而影响电源质量的 最终因素之一也是负荷本身。所以协调好电源与负 荷的关系, 将使电动机的效率得到大幅度的提高。 我们知道, 大功率三相异步电动机从系统中吸 收过多的无功功率, 使功率因数降低, 增加变电器和 线路损耗, 同时增加电压降, 影响供电质量。为了提 高功率因数, 降低电网无功功率的损耗, 同时也抑制 和消除高次谐波, 我们通常采用无功补偿这种方式。 采用无功补偿可获得显著的经济效益。 下面例举我厂一台三相异步电动机采用就地无 功补偿后获得的经济效益。 三相异步电动机, JBG400M - 14, P N = 132 kW ,U N = 308 V , IN = 286 A。实际运行电流: 满载时 I实= 200 A , 50% 负荷时 I实= 180 A , 空载时 I实= 160 A。共四台, 一台运行, 三台备用。 ( 1) 求就地补偿电容无功率Q C 的大小及投资 费用 (以满载计算) 由 P N = 3 U N IN co sΥ可得: co sΥ= P N 3 U N IN = 0. 7 查表 1 得最佳功率因数补偿值。 表 1　最佳功率因数补偿值 原功率因数 co sΥ 0. 2 0. 35 0. 4 0. 45 0. 5 0. 55 0. 6 0. 65 0. 7 0. 75 0. 8 补偿后功率因数 co sΥ′ 0. 97 0. 96 0. 95 0. 94 0. 98 0. 91 0. 90 0. 88 0. 87 0. 85 0. 82 　　可得原来 co sΥ= 0. 7, 补偿后 co sΥ′= 0. 87 为 佳。 又查表知补偿前 co sΥ= 0. 7 时, 补偿到 co sΥ′= 0. 86 和 0. 88 时, 分另需要增加无功功率 Q 为 0. 43 kvar和 0. 48 kvar。 可知, 功率因数由 0. 7 增至 0. 87, 对应的补偿 值为 0. 45 kvarökW , 所以该电动机补偿电容量为: Q C= 132×0. 45= 59. 4 kvar 选取补偿电容量为 60 kvar, 补偿电容和施工材 料费按 50 元ökvar 计, 则需投资: 50×60= 3 000 元。 (2)补偿后的经济效益 线损耗减少的计算: 原定子电流: I 1= P N 3 U N co sΥ= 286. 5 A 补偿后电流: I 1′= P N 3 U N co sΥ′= 230. 53 A 线电阻 r= 0. 03 8 , 则三相线损耗降低∃1 = 3r ( I 21- I 1′2)×10- 3= 2. 6 kW 按全年工作日 330 天, 电费 0. 48 元计算, 一年 可节约电费: 2. 6×24×330×0. 48= 9 884. 16 元 投资费用的回收期 3. 64 月。 由此可见, 只需 4 月便可将全部投资费用收回。 5　结束语 提高三相异步电动机的效率和功率因数, 对开 展节能增效有着重要的意义。攀钢动力厂 1996 年安 装一台集中无功补偿装置, 每年节能 20 多万元。对 大功率两相异步电动机的就地补偿, 每年每台节能 约 1 万元。这些措施创造了极大的经济效益和社会 效益。 1999- 08- 23 收稿 ·5· 　2000 年第 1 期 　总 第 7 7 期　　　　　　　　　　　　　　　　　 冶 金 动 力 M ETALLU RG ICAL POW ER