三相異步電動機功率設置及使用諸問題的若干措施

張躍鋒，高景任

（山西焦煤汾西礦業集團公司洗煤廠，山西 介休 032000）

0 引 言

我國電力消耗60%以上是電動機消耗，使用效率比先進國家低10%。選型過大、耗能高是其特征之一。通常三相異步電動機為三角接法,有用功率計算式為P=1.732IUηcos。由于V線=V相,I線=1.732I相（線電流滯后相應電壓30°），三相有功功率P=3V相I相cos=1.732I線U線cos，考慮電機效率η時，功率P=1.732IUηcos。其中IU一般能正常保證。而當沒有無功補償時，η和cos過低時，P值將大大降低，與電氣系統η和會疊加，于是出現頻繁掉閘、悶車、燒毀電器等現象，使“大馬拉小車”不可避免。這種惡性循環，只能依靠容性元件補償，現在雖然已可實現自動補償，但其系統造價大大提高。

1 無功功率補償

圖1 無功功率補償的工作原理

無功補償是在有感性或容性的交流電路中，電感磁場和電容電場在一周期的一部分時間內，從電源吸收能量，另一部分時間內將能量返回電源，整個周期內平均功率為零，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。無功功率補償時，在變電所或用戶處設置無功功率的電源，以滿足電網無功功率平衡，是保證電壓水平的一項技術措施。通常并聯電容器，接入同步調相機或靜止無功功率補償器。據資料顯示，補償率為有限值，最多可節電8%。見圖1，此時的感性電路功率因數cos1變為cos，很明顯cos＞cos1，功率因數大大提高。

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

式中：QC為無功功率，kW；K1系數據電壓選定；C為電容，μF；K2系數據電機極數選；P為電動機功率，kW；K3據實際功率因數選定；cos為補償前功率因數；cosN額定負載下功率因數；β為電流負載率；I為運行電流，A；Ie為額定電流，A。

習慣算法實例[2]：網塊額定功率1 000 kW的負荷，可先測量其自然功率因數值(全部負荷起動情況下，不帶電容器時的功率因數值)；若沒有辦法精確測量，估計大部分負荷都是電機，以功率因數cos1=0.70估算。要想額定狀態下，將其功率因數提高到0.90，則需補償電容器的容量為：補償前cos1=0.70，1=0.7953,tg1=1.020.補償后 cos2=0.90，2=0.451,tg2=0.483.于是，Qc=Pe(tg1-tg2)=1 000(1.020-0.483)=537(kvar).約需要補償537 kvar的電容器。如果功率因素cos從0.7增加到0.9，根據公式有功功率增量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機。

無功功率補償可以收到下列效益：1）提高用電器功率因數，從而提高所電力設備的利用率。2）減少電力網絡有功損耗。3）合理控制電力系統的無功功率流動，使其設備補償降損節能，提高電力利用效果和效率。電磁轉換造成的無功損耗占低壓電網功率損耗的70%以上。提高電源質量，優化電源環境，可節電節材，使電動機、變壓器線損減小。4）無功補償在電子供電系統中可提高電網功率因數，降低輸供電線路損耗，提高供電效率，改變供電環境，是電氣系統不可或缺的技術，也是電氣檢查不能忽略的內容。不久我國將基本實現變輸煤為輸電，容量增大后提高電網功率因數更是節能良方之一[3]。

2 電壓值

電動機名牌上所標電壓值是指電動機在額定運行時定子繞組上應加的線電壓值。一般規定電動機電壓不應高或低于額定值的5%。當電壓高于額定值時，磁通將增大、進而引起勵磁電流增大，不僅鐵損大增，鐵芯發熱而致過熱。常見的電壓低于額定值時，轉速下降、電流增加；如果在滿載情況下，電流超過額定值，會使繞組過熱；而在低于額定電壓運行時，會使電壓平方成正比的最大轉矩顯著下降。

3 電流值

名牌所標電流值是指電動機在額定運行時定子繞組的線電流值。當空載時，轉子電流近于零，這時定子電流幾乎全為建立旋轉磁場的勵磁電流；當功率增大時，轉子電流和定子電流都隨之增大。圖2為一臺10 kW三相異步電動機的工作曲線[4]，輸出功率與輸入功率不等，其差值等于電動機本身的損耗功率，包括銅損、鐵損、機械損耗等；鼠籠式電動機效率約75%~92%.η=f(P)曲線如圖2，功率為額定功率的90%~100%時效率最高，定子相電流比相電壓滯后角 ，cos即其功率因數。三相異步電動機在額定負載時其值約0.7~0.9，輕載空載時約0.2~0.3，從工作特性曲線看出此時效率很低，因此，必須正確選擇電動機容量。但因設備不同，安全系數取1.1~1.5；又因防止“大馬拉小車”，故應加強信息化、自動化、集中控制，盡量減少設備空轉和輕載運轉。

圖2 三相異步電動機的工作曲線

4 關于變頻器的配置

變頻技術已普遍用于工業行業[3，4]，并有諸多優點：1）除有調速節能功能外，還有多種保護特性、故障顯示和記憶功能，便于故障分析排除。它有瞬時停電保護、過載保護、過流、短路、欠壓、直流過電壓、過熱保護、防止失速和CPU保護等。2）具有加減特性，針對不同負載可有加減速時間設定開關，實現電動機的軟啟動、限流記錄。限制啟動電流，保護開關克服因啟動電流沖擊而跳閘。有恒轉矩型者，要RC濾波，且有整流功能，可提高用電質量。3）在諸多領域發揮著不可替代的作用，使用成本不斷降低，效率可達95%。不同場合使用都能起到節能降耗、提高設備壽命良好使用性能、裝備水平的作用。

例如：普通水泵電動機的功率因數在0.6~0.7之間，使用變頻調速裝置后，由于變頻器內部濾波電容的作用，cos≈1，從而減少了無功損耗，增加了電網的有功功率。由于風機、泵類平方轉矩負載的變頻調速節能，風機、泵類通用設備的用電占到電動機用電的50%左右,那就意味著占全國用電量的30%。采用電動機變頻調速調節流量(比用擋板、閥門調節)，可節電20%～50%，若按30%計算，節省電量則為全國總用電量的9%，將是巨大的社會效益和經濟效益。若對風機、水泵用閥門、擋板節流調節，增加管路阻尼，電動機仍舊以額定速度運行，能量消耗很大。如用變頻器對風機、泵類設備進行控制，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 電氣元件配置時的注意事項

1）高輸、低用、避峰用電保生產；2）保險系數防護等級要適宜；3）電網電器功率因數相照應；4）本機補償同啟停較好；5）突破瓶頸盡量以額定功率工作；6）自動補償莫偏廢，電動機選擇要優質高效適當；7）選用合適的變頻器；8）配齊無功功率表、功率因數表、無功電能表、無功電流表等儀表，完善檢核措施。

6 結束語

現在較先進的適用節電技術主要有：無功補償技術、智能控制技術、變頻技術、系統技術、動態技術等，需要我們學習鉆研消化應用。工程設計和生產中，要嚴控電網系統的功率因數和機械效率，電氣設備要合理配置使用。企業健康來自規范、強化自主創新、推進技術進步和精細管理。要加強對管理、培訓、裝備治企理念的理解，要能力轉型跨越創新發展，為實現10年減排40%~45%溫室氣體的目標而努力。

[1] 教富智.電工計算100例[M].北京：化學工業出版社，2007.

[2] 陳永甫.電子工程師技術手冊[M].北京：科學出版社，2011.

[3] 吳忠智，吳加林.變頻器應用手冊[M].北京：機械工業出版社，1998.

[4] 秦曾煌.電工學[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.