浅析怎样才能提高异步电动机自然功率因数

　　感应电动机

 

　　感应电动机 ，又称“异步电动机”，是将转子置于旋转磁场中，在旋转磁场的作用下，获得一个转动力矩，因而转子转动的装置。转子是可转动的导体，通常多呈鼠笼状。由电气工程师尼古拉·特斯拉于1887年发明。词条介绍了感应电动机的概念、发明者、工作原理、基本结构、工作方式、制动方式、异步特征、规格以及故障检查。

 

　　通过定子产生的旋转磁场（其转速为同步转速n1）与转子绕组的相对运动，转子绕组切割磁感线产生感应电动势，从而使转子绕组中产生感应电流。转子绕组中的感应电流与磁场作用，产生电磁转矩，使转子旋转。由于当转子转速逐渐接近同步转速时，感应电流逐渐减小，所产生的电磁转矩也相应减小，当异步电动机工作在电动机状态时，转子转速小于同步转速。为了描述转子转速n与同步转速n1之间的差别，引入转差率（slip）。

 

　　基本结构

 

　　单相异步电机的基本结构

 

　　单相异步电动机就是只需单相交流电源供电的电动机 。单相异步电动机由定子、转子、轴承、机壳、端盖等构成。定子由机座和带绕组的铁心组成。铁心由硅钢片冲槽叠压而成，槽内嵌装两套空间互隔90°电角度的主绕组（也称运行绕组）和辅绕组（也称起动绕组成副绕组）。主绕组接交流电源，辅绕组串接离心开关S或起动电容、运行电容等之后，再接入电源。转子为笼型铸铝转子，它是将铁心叠压后用铝铸入铁心的槽中，并一起铸出端环，使转子导条短路成鼠笼型。

 

　　单相异步电动机又分为单相电阻起动异步电动机，单相电容起动异步电动机、单相电容运转异步电动机和单相双值电容异步电动机。

 

　　三相异步电机的基本结构

 

　　三相异步电动机主要有由定子和转子，轴承组成 。定子主要由铁心，三相绕组，机座，端盖组成。定子铁心一般由0.35~0.5毫米厚表面具有绝缘层的硅钢片冲制、叠压而成，在铁心的内圆冲有均匀分布的槽，用以嵌放定子绕组。三相绕组由三个在空间互隔120°电角度、队称排列的结构完全相同绕组连接而成，这些绕组的各个线圈按一定规律分别嵌放在定子各槽内。其作用是通入三相交流电，产生旋转磁场。机座通常为铸铁件，大型异步电动机机座一般用钢板焊成，微型电动机的机座采用铸铝件，其作用是固定定子铁心与前后端盖以支撑转子，并起防护、散热等作用。封闭式电机的机座外面有散热筋以增加散热面积，防护式电机的机座两端端盖开有通风孔，使电动机内外的空气可直接对流，以利于散热。端盖主要起固定转子，支撑和防护作用。转子主要由铁心和绕组组成。转子铁心所用材料与定子一样，由0.5毫米厚的硅钢片冲制、叠压而成，硅钢片外圆冲有均匀分布的孔，用来安置转子绕组。通常用定子铁心冲落后的硅钢片内圆来冲制转子铁心。一般小型异步电动机的转子铁心直接压装在转轴上，大、中型异步电动机（转子直径在300~400毫米以上）的转子铁心则借助与转子支架压在转轴上。转子绕组分为鼠笼式转子和绕线式转子。 （1）鼠笼式转子：转子绕组由插入转子槽中的多根导条和两个环行的端环组成。若去掉转子铁心，整个绕组的外形像一个鼠笼，故称笼型绕组。小型笼型电动机采用铸铝转子绕组，对于100KW以上的电动机采用铜条和铜端环焊接而成。鼠笼转子分为：阻抗型转子、单鼠笼型转子、双鼠笼型转子、深槽式转子几种，起动转矩等特性各有不同。 （2）绕线式转子：绕线转子绕组与定子绕组相似，也是一个对称的三相绕组，一般接成星形，三个出线头接到转轴的三个集流环上，再通过电刷与外电路联接。

 

　　工作方式

 

　　1 异步电动机起动方式

 

　　1.1 软起动

 

　　随着微型计算机控制技术的迅猛发展，在相关的控制工程领域中先后研制成功了一批电子式软起动控制器，广泛应用在电动机的起动过程，降压启动器随之被替代。当前电子式的软起动设施都使用的是晶闸管的调压电路，其电路构成如下所描述：晶闸管六只，两两反并联后串联至三相电源上，待系统发送起动信号后，微机控制起动器系统立即进行数据计算，令晶闸管输送触发信号，使晶闸管的导通角得到控制，根据给定的输出，调节输出电压，实现电动机的控制。该起动方式适合各种功率值的三相交流异步电动机包括六根和三根连接方式的起动控制。

 

　　1.2 直接起动

 

　　此种起动方式是电机起动方式中最基础最简单的，首先借助用刀开关使电动机与电网进行连接，此时在额定电压下电动机起动并运行起来，该方式特点为：投资少，设备简单、数量少，虽然起动时间短，但起动时的转矩较小，电流较大，比较适合应用在容量小的电动机起动。

 

　　1.3 降压起动

 

　　由于直接起动存在较大的缺点，降压起动随之产生。这种起动方式适用的起动环境为空载和轻载这两种情况，由于降压起动方式是在同时实现了限制起动转矩和起动电流的，因此起动工作结束后需要使工作的电路恢复到额定状态。

　　感应电动机的功率因数有两种，分别是自然功率因数和总功率因数。自然功率因数就是设备本身固有的功率因数，其值决定于本身的用电参数（如结构、用电性质等）。倘若自然功率因数偏低，不能满足标准和节约用电的要求，就需设置人工补偿装置来提高功率因数，这时的功率因数叫总功率因数。由于设置人工补偿装置需增加很多投资，所以提高电动机自然功率因数是首要的任务。在农网中消耗无功功率比重最多的是感应电动机，约占60%以上，因此，研究如何提高农网中电动机的自然功率因数，减少输送的无功负荷，降损节能，提高运行效率，很有必要。现在就来说一下这个问题：

　　1　严格控制电动机容量，提高设备负载率，达到合理运行

　　（1）合理选用电动机容量，提高自然功率因数和效率，降低功率损失：

　　“大马拉小车”、轻载和空载运行情况，造成电动机自然功率因数偏低，耗用无功比例较大，损失电能增加。因此，合理选择电动机容量，使之与机械负载功率相匹配，提高电动机的负载率，是改善其自然功率因数的主要方法之一。

　　电动机的负载率与功率因数的关系如表1所示。

　　表1

　　负载率 0 0.25 0.5 0.75 1

　　cosφ 0.2 0.5 0.77 0.85 0.88

　　由表1可知，随着负载率的提高，电动机自然功率因数也就提高了，也就是说，合理选择电动机容量能提高其功率因数，达到节约电能之目的。

　　电动机当其处于最佳负载率状态下运行时，其效率最高，自然功率因数最大。

　　（2）合理使用电动机，提高自然功率因数和效率，降低功率损失：

　　可以对轻负荷电动机容量下调，即将负荷不足的大容量电动机进行替换。

　　当电动机的负载率Kfz＜40%时，可以调换；当40%＜Kfz＜70%时，则需通过技术经济比较后，再做决定，其主要判定条件是：

　　ΔPd1-ΔPd2＞0

　　式中ΔPd1--原有电动机的有功损失，kW

　　ΔPd2-替换电动机的有功损失，kW

　　2对轻负荷电动机实行降压运行，提高自然功率因数和效率，降低功率损失

　　当负载系数Kfz＜50%时，应对电动机采用降压运行，具体做法是将定子绕组由Δ改接为Y接线。

　　不同负载率改接前后效率和功率因数的变化，如表2、表3所示。

　　表2　感应电动机定子绕组Δ改Y变接后的效率变化

　　ηγ/η△ 1.27 1.1 1.06 1.04 1.02 1.01 1.005 1

　　Kfz 0.1 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5

　　表3　感应电动机定子绕组Δ改Y变接后的功率因数变化

　　cosφ的

　　额定值 cosφ/cosφ2

　　Kfz=0.1 Kfz=0.2 Kfz=0.3 Kfz=0.4 Kfz=0.5

　　0.78 1.94 1.8 1.64 1.49 1.35

　　0.80 1.85 1.73 1.58 1.43 1.30

　　0.82 1.78 1.67 1.52 1.37 1.26

　　0.84 1.72 1.61 1.46 1.32 1.22

　　0.86 1.66 1.55 1.41 1.27 1.18

　　0.88 1.60 1.49 1.35 1.22 1.14

　　0.90 1.57 1.43 1.29 1.17 1.10

　　0.92 1.50 1.36 1.20 1.11 1.06

　　当电动机负载系数Kfz＜0.5时，由Δ改为Y接线降压运行后，可提高电动机的自然功率因数和效率，达到降低电能损耗的目的。由于很多地方中绝大部分是小容量轻载异步电动机，所以这种法很适使用。