三相异步电动机功率设置及使用诸问题的若干措施

张跃锋，高景任

（山西焦煤汾西矿业集团公司洗煤厂，山西 介休 032000）

0 引 言

我国电力消耗60%以上是电动机消耗，使用效率比先进国家低10%。选型过大、耗能高是其特征之一。通常三相异步电动机为三角接法,有用功率计算式为P=1.732IUηcos。由于V线=V相,I线=1.732I相（线电流滞后相应电压30°），三相有功功率P=3V相I相cos=1.732I线U线cos，考虑电机效率η时，功率P=1.732IUηcos。其中IU一般能正常保证。而当没有无功补偿时，η和cos过低时，P值将大大降低，与电气系统η和会叠加，于是出现频繁掉闸、闷车、烧毁电器等现象，使“大马拉小车”不可避免。这种恶性循环，只能依靠容性元件补偿，现在虽然已可实现自动补偿，但其系统造价大大提高。

1 无功功率补偿

图1 无功功率补偿的工作原理

无功补偿是在有感性或容性的交流电路中，电感磁场和电容电场在一周期的一部分时间内，从电源吸收能量，另一部分时间内将能量返回电源，整个周期内平均功率为零，没有消耗能量；能量是在电源和电感、电容之间交换，能量交换率的最大值称无功功率。单相交流电路中，无功功率的计算值等于电压有效值、电流有效值、电压电流间相角的正弦三者之积。无功功率补偿时，在变电所或用户处设置无功功率的电源，以满足电网无功功率平衡，是保证电压水平的一项技术措施。通常并联电容器，接入同步调相机或静止无功功率补偿器。据资料显示，补偿率为有限值，最多可节电8%。见图1，此时的感性电路功率因数cos1变为cos，很明显cos＞cos1，功率因数大大提高。

三相异步电动机的补偿电容器及合理功率因数，依据如下列公式[1]：QC=KC1.QC=KP2.QC=KP3.cos=(cosN)100/β.β=100I/Ie.

式中：QC为无功功率，kW；K1系数据电压选定；C为电容，μF；K2系数据电机极数选；P为电动机功率，kW；K3据实际功率因数选定；cos为补偿前功率因数；cosN额定负载下功率因数；β为电流负载率；I为运行电流，A；Ie为额定电流，A。

习惯算法实例[2]：网块额定功率1 000 kW的负荷，可先测量其自然功率因数值(全部负荷起动情况下，不带电容器时的功率因数值)；若没有办法精确测量，估计大部分负荷都是电机，以功率因数cos1=0.70估算。要想额定状态下，将其功率因数提高到0.90，则需补偿电容器的容量为：补偿前cos1=0.70，1=0.7953,tg1=1.020.补偿后 cos2=0.90，2=0.451,tg2=0.483.于是，Qc=Pe(tg1-tg2)=1 000(1.020-0.483)=537(kvar).约需要补偿537 kvar的电容器。如果功率因素cos从0.7增加到0.9，根据公式有功功率增量P=Scos=1 000(0.9-0.7)=200 kW.这就表明，有功功率增大200 kW，可以大大减小了无功功率，有利于更合理地选用电动机。

无功功率补偿可以收到下列效益：1）提高用电器功率因数，从而提高所电力设备的利用率。2）减少电力网络有功损耗。3）合理控制电力系统的无功功率流动，使其设备补偿降损节能，提高电力利用效果和效率。电磁转换造成的无功损耗占低压电网功率损耗的70%以上。提高电源质量，优化电源环境，可节电节材，使电动机、变压器线损减小。4）无功补偿在电子供电系统中可提高电网功率因数，降低输供电线路损耗，提高供电效率，改变供电环境，是电气系统不可或缺的技术，也是电气检查不能忽略的内容。不久我国将基本实现变输煤为输电，容量增大后提高电网功率因数更是节能良方之一[3]。

2 电压值

电动机名牌上所标电压值是指电动机在额定运行时定子绕组上应加的线电压值。一般规定电动机电压不应高或低于额定值的5%。当电压高于额定值时，磁通将增大、进而引起励磁电流增大，不仅铁损大增，铁芯发热而致过热。常见的电压低于额定值时，转速下降、电流增加；如果在满载情况下，电流超过额定值，会使绕组过热；而在低于额定电压运行时，会使电压平方成正比的最大转矩显著下降。

3 电流值

名牌所标电流值是指电动机在额定运行时定子绕组的线电流值。当空载时，转子电流近于零，这时定子电流几乎全为建立旋转磁场的励磁电流；当功率增大时，转子电流和定子电流都随之增大。图2为一台10 kW三相异步电动机的工作曲线[4]，输出功率与输入功率不等，其差值等于电动机本身的损耗功率，包括铜损、铁损、机械损耗等；鼠笼式电动机效率约75%~92%.η=f(P)曲线如图2，功率为额定功率的90%~100%时效率最高，定子相电流比相电压滞后角 ，cos即其功率因数。三相异步电动机在额定负载时其值约0.7~0.9，轻载空载时约0.2~0.3，从工作特性曲线看出此时效率很低，因此，必须正确选择电动机容量。但因设备不同，安全系数取1.1~1.5；又因防止“大马拉小车”，故应加强信息化、自动化、集中控制，尽量减少设备空转和轻载运转。

图2 三相异步电动机的工作曲线

4 关于变频器的配置

变频技术已普遍用于工业行业[3，4]，并有诸多优点：1）除有调速节能功能外，还有多种保护特性、故障显示和记忆功能，便于故障分析排除。它有瞬时停电保护、过载保护、过流、短路、欠压、直流过电压、过热保护、防止失速和CPU保护等。2）具有加减特性，针对不同负载可有加减速时间设定开关，实现电动机的软启动、限流记录。限制启动电流，保护开关克服因启动电流冲击而跳闸。有恒转矩型者，要RC滤波，且有整流功能，可提高用电质量。3）在诸多领域发挥着不可替代的作用，使用成本不断降低，效率可达95%。不同场合使用都能起到节能降耗、提高设备寿命良好使用性能、装备水平的作用。

例如：普通水泵电动机的功率因数在0.6~0.7之间，使用变频调速装置后，由于变频器内部滤波电容的作用，cos≈1，从而减少了无功损耗，增加了电网的有功功率。由于风机、泵类平方转矩负载的变频调速节能，风机、泵类通用设备的用电占到电动机用电的50%左右,那就意味着占全国用电量的30%。采用电动机变频调速调节流量(比用挡板、阀门调节)，可节电20%～50%，若按30%计算，节省电量则为全国总用电量的9%，将是巨大的社会效益和经济效益。若对风机、水泵用阀门、挡板节流调节，增加管路阻尼，电动机仍旧以额定速度运行，能量消耗很大。如用变频器对风机、泵类设备进行控制，可将阀门、挡板开到最大，管路阻尼最小，能耗则可大为减少[5]。

5 电气元件配置时的注意事项

1）高输、低用、避峰用电保生产；2）保险系数防护等级要适宜；3）电网电器功率因数相照应；4）本机补偿同启停较好；5）突破瓶颈尽量以额定功率工作；6）自动补偿莫偏废，电动机选择要优质高效适当；7）选用合适的变频器；8）配齐无功功率表、功率因数表、无功电能表、无功电流表等仪表，完善检核措施。

6 结束语

现在较先进的适用节电技术主要有：无功补偿技术、智能控制技术、变频技术、系统技术、动态技术等，需要我们学习钻研消化应用。工程设计和生产中，要严控电网系统的功率因数和机械效率，电气设备要合理配置使用。企业健康来自规范、强化自主创新、推进技术进步和精细管理。要加强对管理、培训、装备治企理念的理解，要能力转型跨越创新发展，为实现10年减排40%~45%温室气体的目标而努力。

[1] 教富智.电工计算100例[M].北京：化学工业出版社，2007.

[2] 陈永甫.电子工程师技术手册[M].北京：科学出版社，2011.

[3] 吴忠智，吴加林.变频器应用手册[M].北京：机械工业出版社，1998.

[4] 秦曾煌.电工学[M].北京：人民教育出版社，1999.

[5] 舒新城，陈望道.辞海[M].上海：辞书出版社，2002.