淺析怎樣才能提高異步電動機自然功率因數(shù)

感應(yīng)電動機

感應(yīng)電動機 ，又稱“異步電動機”，是將轉(zhuǎn)子置于旋轉(zhuǎn)磁場中，在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下，獲得一個轉(zhuǎn)動力矩，因而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的裝置。轉(zhuǎn)子是可轉(zhuǎn)動的導(dǎo)體，通常多呈鼠籠狀。由電氣工程師尼古拉·特斯拉于1887年發(fā)明。詞條介紹了感應(yīng)電動機的概念、發(fā)明者、工作原理、基本結(jié)構(gòu)、工作方式、制動方式、異步特征、規(guī)格以及故障檢查。

通過定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場（其轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速n1）與轉(zhuǎn)子繞組的相對運動，轉(zhuǎn)子繞組切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，從而使轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流。轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電流與磁場作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。由于當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速逐漸接近同步轉(zhuǎn)速時，感應(yīng)電流逐漸減小，所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)減小，當(dāng)異步電動機工作在電動機狀態(tài)時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速小于同步轉(zhuǎn)速。為了描述轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與同步轉(zhuǎn)速n1之間的差別，引入轉(zhuǎn)差率（slip）。

基本結(jié)構(gòu)

單相異步電機的基本結(jié)構(gòu)

單相異步電動機就是只需單相交流電源供電的電動機 。單相異步電動機由定子、轉(zhuǎn)子、軸承、機殼、端蓋等構(gòu)成。定子由機座和帶繞組的鐵心組成。鐵心由硅鋼片沖槽疊壓而成，槽內(nèi)嵌裝兩套空間互隔90°電角度的主繞組（也稱運行繞組）和輔繞組（也稱起動繞組成副繞組）。主繞組接交流電源，輔繞組串接離心開關(guān)S或起動電容、運行電容等之后，再接入電源。轉(zhuǎn)子為籠型鑄鋁轉(zhuǎn)子，它是將鐵心疊壓后用鋁鑄入鐵心的槽中，并一起鑄出端環(huán)，使轉(zhuǎn)子導(dǎo)條短路成鼠籠型。

單相異步電動機又分為單相電阻起動異步電動機，單相電容起動異步電動機、單相電容運轉(zhuǎn)異步電動機和單相雙值電容異步電動機。

三相異步電機的基本結(jié)構(gòu)

三相異步電動機主要有由定子和轉(zhuǎn)子，軸承組成 。定子主要由鐵心，三相繞組，機座，端蓋組成。定子鐵心一般由0.35~0.5毫米厚表面具有絕緣層的硅鋼片沖制、疊壓而成，在鐵心的內(nèi)圓沖有均勻分布的槽，用以嵌放定子繞組。三相繞組由三個在空間互隔120°電角度、隊稱排列的結(jié)構(gòu)完全相同繞組連接而成，這些繞組的各個線圈按一定規(guī)律分別嵌放在定子各槽內(nèi)。其作用是通入三相交流電，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。機座通常為鑄鐵件，大型異步電動機機座一般用鋼板焊成，微型電動機的機座采用鑄鋁件，其作用是固定定子鐵心與前后端蓋以支撐轉(zhuǎn)子，并起防護、散熱等作用。封閉式電機的機座外面有散熱筋以增加散熱面積，防護式電機的機座兩端端蓋開有通風(fēng)孔，使電動機內(nèi)外的空氣可直接對流，以利于散熱。端蓋主要起固定轉(zhuǎn)子，支撐和防護作用。轉(zhuǎn)子主要由鐵心和繞組組成。轉(zhuǎn)子鐵心所用材料與定子一樣，由0.5毫米厚的硅鋼片沖制、疊壓而成，硅鋼片外圓沖有均勻分布的孔，用來安置轉(zhuǎn)子繞組。通常用定子鐵心沖落后的硅鋼片內(nèi)圓來沖制轉(zhuǎn)子鐵心。一般小型異步電動機的轉(zhuǎn)子鐵心直接壓裝在轉(zhuǎn)軸上，大、中型異步電動機（轉(zhuǎn)子直徑在300~400毫米以上）的轉(zhuǎn)子鐵心則借助與轉(zhuǎn)子支架壓在轉(zhuǎn)軸上。轉(zhuǎn)子繞組分為鼠籠式轉(zhuǎn)子和繞線式轉(zhuǎn)子。 （1）鼠籠式轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子繞組由插入轉(zhuǎn)子槽中的多根導(dǎo)條和兩個環(huán)行的端環(huán)組成。若去掉轉(zhuǎn)子鐵心，整個繞組的外形像一個鼠籠，故稱籠型繞組。小型籠型電動機采用鑄鋁轉(zhuǎn)子繞組，對于100KW以上的電動機采用銅條和銅端環(huán)焊接而成。鼠籠轉(zhuǎn)子分為：阻抗型轉(zhuǎn)子、單鼠籠型轉(zhuǎn)子、雙鼠籠型轉(zhuǎn)子、深槽式轉(zhuǎn)子幾種，起動轉(zhuǎn)矩等特性各有不同。 （2）繞線式轉(zhuǎn)子：繞線轉(zhuǎn)子繞組與定子繞組相似，也是一個對稱的三相繞組，一般接成星形，三個出線頭接到轉(zhuǎn)軸的三個集流環(huán)上，再通過電刷與外電路聯(lián)接。

工作方式

1 異步電動機起動方式

1.1 軟起動

隨著微型計算機控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，在相關(guān)的控制工程領(lǐng)域中先后研制成功了一批電子式軟起動控制器，廣泛應(yīng)用在電動機的起動過程，降壓啟動器隨之被替代。當(dāng)前電子式的軟起動設(shè)施都使用的是晶閘管的調(diào)壓電路，其電路構(gòu)成如下所描述：晶閘管六只，兩兩反并聯(lián)后串聯(lián)至三相電源上，待系統(tǒng)發(fā)送起動信號后，微機控制起動器系統(tǒng)立即進行數(shù)據(jù)計算，令晶閘管輸送觸發(fā)信號，使晶閘管的導(dǎo)通角得到控制，根據(jù)給定的輸出，調(diào)節(jié)輸出電壓，實現(xiàn)電動機的控制。該起動方式適合各種功率值的三相交流異步電動機包括六根和三根連接方式的起動控制。

1.2 直接起動

此種起動方式是電機起動方式中最基礎(chǔ)最簡單的，首先借助用刀開關(guān)使電動機與電網(wǎng)進行連接，此時在額定電壓下電動機起動并運行起來，該方式特點為：投資少，設(shè)備簡單、數(shù)量少，雖然起動時間短，但起動時的轉(zhuǎn)矩較小，電流較大，比較適合應(yīng)用在容量小的電動機起動。

1.3 降壓起動

由于直接起動存在較大的缺點，降壓起動隨之產(chǎn)生。這種起動方式適用的起動環(huán)境為空載和輕載這兩種情況，由于降壓起動方式是在同時實現(xiàn)了限制起動轉(zhuǎn)矩和起動電流的，因此起動工作結(jié)束后需要使工作的電路恢復(fù)到額定狀態(tài)。

感應(yīng)電動機的功率因數(shù)有兩種，分別是自然功率因數(shù)和總功率因數(shù)。自然功率因數(shù)就是設(shè)備本身固有的功率因數(shù)，其值決定于本身的用電參數(shù)（如結(jié)構(gòu)、用電性質(zhì)等）。倘若自然功率因數(shù)偏低，不能滿足標(biāo)準和節(jié)約用電的要求，就需設(shè)置人工補償裝置來提高功率因數(shù)，這時的功率因數(shù)叫總功率因數(shù)。由于設(shè)置人工補償裝置需增加很多投資，所以提高電動機自然功率因數(shù)是首要的任務(wù)。在農(nóng)網(wǎng)中消耗無功功率比重最多的是感應(yīng)電動機，約占60%以上，因此，研究如何提高農(nóng)網(wǎng)中電動機的自然功率因數(shù)，減少輸送的無功負荷，降損節(jié)能，提高運行效率，很有必要?，F(xiàn)在就來說一下這個問題：

1嚴格控制電動機容量，提高設(shè)備負載率，達到合理運行

（1）合理選用電動機容量，提高自然功率因數(shù)和效率，降低功率損失：

“大馬拉小車”、輕載和空載運行情況，造成電動機自然功率因數(shù)偏低，耗用無功比例較大，損失電能增加。因此，合理選擇電動機容量，使之與機械負載功率相匹配，提高電動機的負載率，是改善其自然功率因數(shù)的主要方法之一。

電動機的負載率與功率因數(shù)的關(guān)系如表1所示。

表1

負載率 0 0.25 0.5 0.75 1

cosφ 0.2 0.5 0.77 0.85 0.88

由表1可知，隨著負載率的提高，電動機自然功率因數(shù)也就提高了，也就是說，合理選擇電動機容量能提高其功率因數(shù)，達到節(jié)約電能之目的。

電動機當(dāng)其處于最佳負載率狀態(tài)下運行時，其效率最高，自然功率因數(shù)最大。

（2）合理使用電動機，提高自然功率因數(shù)和效率，降低功率損失：

可以對輕負荷電動機容量下調(diào)，即將負荷不足的大容量電動機進行替換。

當(dāng)電動機的負載率Kfz＜40%時，可以調(diào)換；當(dāng)40%＜Kfz＜70%時，則需通過技術(shù)經(jīng)濟比較后，再做決定，其主要判定條件是：

ΔPd1-ΔPd2＞0

式中ΔPd1--原有電動機的有功損失，kW

ΔPd2-替換電動機的有功損失，kW

2對輕負荷電動機實行降壓運行，提高自然功率因數(shù)和效率，降低功率損失

當(dāng)負載系數(shù)Kfz＜50%時，應(yīng)對電動機采用降壓運行，具體做法是將定子繞組由Δ改接為Y接線。

不同負載率改接前后效率和功率因數(shù)的變化，如表2、表3所示。

表2感應(yīng)電動機定子繞組Δ改Y變接后的效率變化

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感應(yīng)電動機定子繞組Δ改Y變接后的功率因數(shù)變化

cosφ的

額定值 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

當(dāng)電動機負載系數(shù)Kfz＜0.5時，由Δ改為Y接線降壓運行后，可提高電動機的自然功率因數(shù)和效率，達到降低電能損耗的目的。由于很多地方中絕大部分是小容量輕載異步電動機，所以這種法很適使用。