Коэффициент мощности двигателя асинхронного: Асинхронные двигатели — Установленные мощности нагрузки

Выбор электродвигателя и расчет его рабочих параметров

Правильность подбора электродвигателя, учитывающая специфику приводного механизма, условия работы и окружающей среды, определяет длительность безаварийной работы и надежность системы «двигатель – нагрузка».

Далее приведены рекомендации по выбору электродвигателя (последовательность, в которой они представлены, не является обязательной).

На первом этапе необходимо определиться с типом электрического двигателя. Ниже даны краткое описание, преимущества и недостатки, сферы предпочтительного применения основных типов двигателей.

Типы электрических двигателей

1. Двигатели постоянного тока

Основным преимуществом данных двигателей, которое определяло повсеместное их использование на этапе развития электрических приводов, является легкость плавного регулирования скорости в широких пределах. Поэтому с развитием полупроводниковой промышленности и появлением относительно недорогих преобразователей частоты процент их использования постоянно уменьшается. Там, где это возможно двигатели постоянного тока заменяются приводами на основе асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.

Основные недостатки двигателя постоянного тока (невысокая надежность, сложность обслуживания и эксплуатации) обусловлены наличием коллекторного узла. Кроме того, для питания двигателя необходим источник постоянного тока или тиристорный преобразователь переменного напряжения в постоянное. При всех своих недостатках двигатели постоянного тока обладают высоким пусковым моментом и большой перегрузочной способностью. Что определило их использование в металлургической промышленности, станкостроении и на электротранспорте.

2. Синхронные двигатели

Основным преимуществом данных двигателей является то, что они могут работать с коэффициентом мощности cosφ=1, а в режиме перевозбуждения даже отдавать реактивную мощность в сеть, что благоприятно сказывается на характеристиках сети: увеличивается ее коэффициент мощности, уменьшаются потери и падение напряжения. Кроме того, синхронные двигатели устойчивы к колебаниям сети. Максимальный момент синхронного двигателя пропорционален напряжению, при этом момент асинхронного двигателя пропорционален квадрату напряжения. Следовательно, при снижении напряжения синхронный двигатель сохраняет большую перегрузочную способность, а возможность форсировки возбуждения увеличивает надежность их работы при аварийных понижениях напряжения. Больший воздушный зазор по сравнению с асинхронным двигателем и применение постоянных магнитов делает КПД синхронных двигателей выше. Их особенностью также является постоянство скорости вращения при изменении момента нагрузки на валу.

При всех достоинствах синхронного двигателя основными недостатками, ограничивающими их применение являются сложность конструкции, наличие возбудителя, высокая цена, сложность пуска. Поэтому синхронные двигатели преимущественно используются при мощностях свыше 100 кВт.

Основное применение – насосы, компрессоры, вентиляторы, двигатель-генераторные установки.

3. Асинхронные двигатели

По конструктивному принципу асинхронные двигатели подразделяются на двигатели с короткозамкнутым и фазным ротором. При этом большинство используемых электродвигателей являются асинхронными с короткозамкнутым ротором. Столь широкое применение обусловлено простотой их конструкции, обслуживания и эксплуатации, высокой надежностью, относительно низкой стоимостью. Недостатками таких двигателей являются большой пусковой ток, относительно малый пусковой момент, чувствительность к изменениям параметров сети, а для плавного регулирования скорости необходим преобразователь частоты. Кроме того, асинхронные двигатели потребляют реактивную мощность из сети. Предел применения асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором определяется мощностью системы электроснабжения конкретного предприятия, так как большие пусковые токи при малой мощности системы создают большие понижения напряжения.

Использование асинхронных двигателей с фазным ротором помогает снизить пусковой ток и существенно увеличить пусковой момент, благодаря введению в цепь ротора пусковых реостатов. Однако, ввиду усложнения их конструкции, и как следствие, увеличения стоимости их применение ограничено. Основное применение – приводы механизмов с особо тяжелыми условиями пуска. Для уменьшения пусковых токов асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором может быть использовано устройство плавного пуска или преобразователь частоты.

В системах, где необходимо ступенчатое изменение скорости (например, лифты) используют многоскоростные асинхронные двигатели. В механизмах, требующих остановки за определенное время и фиксации вала при исчезновении напряжения питания, применяются асинхронные двигатели с электромагнитным тормозом (металлообрабатывающие станки, лебедки). Существуют также асинхронные двигатели с повышенным скольжением, которые предназначены для работы в повторно-кратковременных режимах, а также режимах с пульсирующей нагрузкой.

После того, как определен тип электродвигателя, полностью учитывающий специфику рабочего механизма и условия работы, необходимо определиться с рабочими параметрами двигателя: мощностью, номинальным и пусковым моментами, номинальными напряжением и током, режимом работы, коэффициентом мощности, классом энергоэффективности.

Мощность и моменты

В общем случае для квалифицированного подбора электродвигателя должна быть известна нагрузочная диаграмма механизма. Однако, в случае постоянной или слабо меняющейся нагрузки без регулирования скорости достаточно рассчитать требуемую мощность по теоретическим или эмпирическим формулам, зная рабочие параметры нагрузки. Ниже приведены формулы для расчета мощности двигателя P₂ [кВт] некоторых механизмов.

1. Вентилятор

где Q [м³/с] – производительность вентилятора,

Н [Па] – давление на выходе вентилятора,

η_вент, η_пер – КПД вентилятора и передаточного механизма соответственно,

k_з – коэффициент запаса.

2. Насос

где Q [м³/с] – производительность насоса,

g=9,8 м/с² – ускорение свободного падения,

H [м] – расчетная высота подъема,

ρ [кг/м³] – плотность перекачиваемой жидкости,

η_нас, η_пер – КПД насоса и передаточного механизма соответственно,

k_з – коэффициент запаса.

3. Поршневой компрессор

где Q [м³/с] – производительность компрессора,

А [Дж/м³] – работа изотермического и адиабатического сжатия атмосферного воздуха объемом 1 м³ давлением 1,1·10⁵ Па до требуемого давления,

η_компр, η_пер – КПД компрессора и передаточного механизма соответственно,

k_з – коэффициент запаса.

Кроме того, необходимо сопоставить пусковой момент двигателя (особенно в случае асинхронного с короткозамкнутым ротором) и рабочего механизма, так как некоторые механизмы имеют повышенное сопротивление в момент трогания. Следует иметь в виду и то обстоятельство, что при замене трехфазного асинхронного двигателя на однофазный пусковой момент последнего почти в три раза меньше и механизм, успешно функционировавший ранее, может не тронуться с места.

Развиваемый электродвигателем момент M [Нм] и полезная мощность на валу Р₂ [кВт] связаны следующим соотношением

Полная мощность, потребляемая из сети:

для двигателей постоянного тока (она же активная)

для двигателей переменного тока

 

 

при этом потребляемые активная и реактивная мощности соответственно

В случае синхронного двигателя значение Q₁ может получиться отрицательным, это означает, что двигатель отдает реактивную мощность в сеть.

Важно отметить следующее. Не следует выбирать двигатель с большим запасом по мощности, так как это приведет к снижению его КПД, а в случае двигателя переменного тока также к снижению коэффициента мощности.

Напряжение и ток

При выборе напряжения электродвигателя необходимо учитывать возможности системы энергоснабжения предприятия. При этом нецелесообразно при больших мощностях выбирать двигатель с низким напряжением, так как это приведет к неоправданному удорожанию не только двигателя, но и питающих проводов и коммутационной аппаратуры вследствие увеличения расхода меди.

Если при трогании момент сопротивления нагрузки невелик и для уменьшения пусковых токов асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором может быть применен способ пуска с переключением со «звезды» на «треугольник», необходимо предусмотреть вывод в клеммную коробку всех шести зажимов обмотки статора. В общем случае применение схемы соединения «звезда» является предпочтительным, так как в схеме «треугольник» имеется контур для протекания токов нулевой последовательности, которые приводят к нагреву обмотки и снижению КПД двигателя, в соединении «звезда» такой контур отсутствует.

Режим работы

Нагрузка электродвигателя в процессе работы может изменяться различным образом. ГОСТом предусмотрены восемь режимов работы.

1. Продолжительный S1 – режим работы при постоянной нагрузке в течение времени, за которое температура двигателя достигает установившегося значения. Мощность двигателя, работающего в данном режиме, рассчитывается исходя из потребляемой механизмом мощности. Формулы расчета мощности некоторых механизмов (насос, вентилятор, компрессор) приведены выше.
2. Кратковременный S2 – режим, при котором за время включения на постоянную нагрузку температура двигателя не успевает достичь установившегося значения, а за время отключения двигатель охлаждается до температуры окружающей среды. В случае использования двигателя S1 для работы в режиме S2 необходимо проверить его только по перегрузочной способности, так как температура не успевает достичь допустимого значения.
3. Повторно-кратковременный S3 – режим с периодическим отключением двигателя, при котором за время включения температура не успевает достичь установившегося значения, а за время отключения – температуры окружающей среды. Расчет мощности электродвигателя обычного исполнения для работы в режиме S3 производится по методам эквивалентных величин с учетом пауз и потерь в переходных режимах. Кроме того, двигатель необходимо проверить на допустимое число включений в час. В случае большого числа включений в час рекомендуется использовать двигатели с повышенным скольжением. Данные электродвигатели обладают повышенным сопротивлением обмотки ротора, а, следовательно, меньшими пусковыми и тормозными потерями.
4. Повторно-кратковременный с частыми пусками S4 и повторно-кратковременный с частыми пусками и электрическим торможением S5. Данные режимы рассматриваются аналогично режиму S3.
5. Перемежающийся S6 – режим, при котором работа двигателя под нагрузкой, периодически заменяется работой на холостом ходу. Большинство двигателей, работающих в продолжительном режиме, имеют меняющийся график нагрузки.

При этом для обоснованного выбора двигателя с целью оптимального его использования рекомендуется применять методы эквивалентных величин.

Класс энергоэффективности

В настоящее время вопросам энергоэффективности уделяется огромное внимание. При этом под энергоэффективностью понимается рациональное использование энергетических ресурсов, с помощью которого достигается уменьшение потребления энергии при том же уровне мощности нагрузки. Основным показателем энергоэффективности двигателя является его коэффициент полезного действия

где Р₂ – полезная мощность на валу, Р₁ – потребляемая активная мощность из сети.

Стандартом IEC 60034-30 для асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором были установлены три класса энергоэффективности: IE1, IE2, IE3.

 

Рис. 1. Классы энергоэффективности

Так, например, использование двигателя мощностью 55 кВт повышенного класса энергоэффективности позволяет сэкономить около 8000 кВт в год от одного двигателя.

Степень защиты IP, виды климатических условий и категорий размещения

ГОСТ Р МЭК 60034-5 – 2007 устанавливает классификацию степеней защиты, обеспечиваемых оболочками машин.

Обозначение степени защиты состоит из букв латинского алфавита IP и последующих двух цифр (например, IP55).

Большинство электродвигателей, выпускаемых в настоящее время, имеют степени защиты IP54 и IP55.

Категория размещения обозначается цифрой:

1 – на открытом воздухе;

2 – под навесом при отсутствии прямого солнечного воздействия и атмосферных осадков;

3 – в закрытых помещениях без искусственного регулирования климатических условий;

4 – в закрытых помещениях с искусственно регулируемыми климатическими условиями.

Климатические условия:

У – умеренный климат;

УХЛ – умеренно холодный климат;

ХЛ – холодный климат;

Т – тропический климат.

Таким образом, при выборе электродвигателя необходимо учитывать условия окружающей среды (температура, влажность), а также необходимость защиты двигателя от воздействия инородных предметов и воды.

Например, использование электродвигателя с типом климатического исполнения и категорией размещения У3 на открытом воздухе является недопустимым.

Усилия, действующие на вал двигателя со стороны нагрузки

Наиболее нагруженными в двигателе являются подшипниковые узлы. Поэтому при выборе двигателя должны быть учтены радиальные и осевые усилия, действующие на рабочий конец вала двигателя со стороны нагрузки. Превышения допустимых значений сил приводит к ускоренному выходу из строя не только подшипников, но и всего двигателя (например, задевание ротора о статор).

Обычно допустимые значения сил для каждого подшипника приведены в каталогах. Рекомендуется в случае повышенных радиальных усилий (ременная передача) на рабочий конец вала установить роликовый подшипник, при этом предпочтительным является двигатель с чугунными подшипниковыми щитами.

Особенности конструкции двигателя при работе от преобразователя частоты

В настоящее время все большее распространение приобретает использование частотно-регулируемого привода (ЧРП), выполненного на основе асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором.

При использовании частотно-регулируемого привода достигается:

1. экономия электроэнергии;

2. плавность пуска и снижение пусковых токов;

3. увеличение срока службы двигателя.

В общем случае стандартный электродвигатель нельзя использовать в составе частотно-регулируемого привода, так как при уменьшении скорости вращения снижается эффективность охлаждения. При регулировании скорости вверх от номинальной резко увеличивается нагрузка от собственного вентилятора. В обоих случаях уменьшается нагрузочная способность двигателя. Кроме того, в случае использования двигателя в системах точного регулирования необходим датчик положения ротора двигателя.

При работе электродвигателя от преобразователя частоты в контуре вал – фундаментная плита могут протекать токи. При этом возникает точечная эрозия на шариках и роликах, на беговых кольцах подшипников качения, а также на баббитовой поверхности подшипников скольжения. От электролиза смазка чернеет, подшипники греются. Для разрыва контура прохождения подшипниковых токов на неприводной конец вала устанавливается изолированный подшипник. При этом по условиям безопасности установка изолированных подшипников с двух сторон двигателя не допустима.

Величина подшипниковых токов становится опасной для безаварийной работы двигателя при напряжении между противоположными концами вала более 0,5 В. Поэтому установка изолированного подшипника обычно требуется для электродвигателей с высотой оси вращения более 280 мм.

 Примечание

Необходимо отметить, что в случае отклонения условий эксплуатации двигателя (например, температуры окружающей среды или высоты над уровнем моря), мощность нагрузки должна быть изменена. Кроме того, при снижении мощности нагрузки в определенные моменты времени для рационального использования двигателя может быть изменена схема соединения обмотки, а, следовательно, и фазное напряжение.

 

Популярные товары

Шины медные плетеные

Шины изолированные гибкие и твердые

Шинодержатели

Изоляторы

Индикаторы наличия напряжения

РАЗДЕЛ 4.

РАСЧЕТ ТРЕХФАЗНОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Сайт для электриков

Пример. 3-х фазный АД с КЗ ротором типа АИР180М4 получает питание от 3-х фазной сети с линейным напряжением U1 = 380 В, частотой 50 Гц. Данные номинального режима двигателя: мощность на валу Р2НОМ = 30 кВт; синхронная частота вращения n1 = 1500 об/мин; номинальное скольжение sНОМ = 2,0 %; коэффициент мощности cosϕНОМ = 0,87; коэффициент полезного действия ηНОМ = 92 %; кратности критического кM = 2,7; пускового моментов кП = 1,7; кратность пускового тока iП = 7; соединение обмоток статора — звезда.

Найти: число пар плюсов; номинальную частоту вращения ротора; номинальное фазное напряжение; номинальный фазный ток обмотки статора; номинальный момент на валу; критическое скольжение и момент двигателя; пусковой момент при номинальном напряжении и снижении его значения на 20%; пусковой ток; емкость конденсаторов для увеличения коэффициента мощности до 1 и начертить электрическую схему двигателя с включением конденсаторов.

Решение:

Асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором — это

Определяем число пар полюсов обмотки статора:

Вычисляем номинальная частота вращения ротора: об/мин.

Находим номинальное фазное напряжение: При соединении в «звезду» В.

Рассчитываем номинальный фазный ток обмотки статора: А.

Определяем номинальный момент на валу: Н⋅м.

Вычисляем критическое скольжение:

Находим критический момент: Н⋅м.

Рассчитываем пусковой момент при номинальном напряжении: Н⋅м, при пониженном напряжении: Н⋅м,

Определяем пусковой ток: А.

Вычисляем емкость конденсаторов, для повышения коэффициента мощности до 1.

Формула емкости компенсирующих конденсаторов, соединенных по схеме «звезда», имеет вид: Ф.

Формула емкости компенсирующих конденсаторов, соединенных по схеме «треугольник», имеет вид: Ф,

где f — частота питающей электросети, Гц; QK — реактивная мощность, вар; PHOM — активная мощность, Вт; U1 — линейное напряжение, В; ϕ1 и ϕ2 — соответственно углы сдвига фаз между напряжением и током до включения и после включения конденсаторной батареи, град. град; град.

Тогда, емкость конденсаторов, при соединении «в звезду» будет равна: Ф или 1124,89 мкФ.

При соединении в «треугольник», емкость конденсаторов будет в три раза меньше, чем при соединении «в звезду» и равняется: Ф или 374,96 мкФ.

В схеме соединения конденсаторов в «треугольник» емкость батареи получатся в три раза меньше, зато напряжение на конденсаторах в больше, если сравнивать со схемой соединения конденсаторов в «звезду».

Чертим схему включения конденсаторов для повышения коэффициента мощности электросети с асинхронным двигателем.

Подробно о реактивной мощности читайте здесь.

Исходные данные.

Вариант № 4. Тип двигателя – 4АК200М4У3.
Номинальное напряжение фазы статора U1H, В

Номинальная мощность на валу Р2Н, Вт

Номинальный коэффициент мощности, cos φH

Напряжение на кольцах неподвижного ротора U2, В

Перегрузочная способность двигателя (отношение макс. момента к номинальному) mk, о.е.

Приведенное индукт.сопротивлениецепинамагничивания

Приведённое активное сопротивление фазы статора

Приведённое активное сопротивление фазы статора

Приведённое активное сопротивление фазы ротора

Приведённое индуктивное сопротивление фазы статора

Внутренний диаметр статора d, мм

Отношение момента сопротивления к номинальному Мс, о.е.

Таблица 1.1 – Исходные данные.

Расчет рабочих и пусковых характеристик асинхронного двигателя осуществляется с использованием Г-образной схемы замещения.

Рис. 1.1 – Г-образная схема замещения асинхронного двигателя.

1.1. Номинальная активная мощность, потребляемая двигателем из сети:

1.2. Номинальный ток фазы статора:

Асинхронный двигатель

Асинхронный двигатель состоит из неподвижного статора и вращающегося ротора, разделенных между собой воздушным зазором.

Статор состоит из цилиндрического литого корпуса, сердечника и трехфазной обмотки.

Сердечник собирается из тонких листов электротехнической стали, изолированных друг от друга и запрессовывается в корпусе статора. На внутренней поверхности сердечника вырублены пазы, в которые укладывается трехфазная обмотка статора.

Обмотка подключена к трехфазной сети и представляет собой систему проводников, сдвинутых относительно друг друга в пространстве вдоль окружности статора на 120о. Обмотки статора могут соединяться звездой или треугольником.

Схема соединения обмоток статора зависит от расчетного напряжения двигателей и номинального напряжения двигателей и номинального напряжения сети.

Ротор состоит из стального вала, на который напрессован сердечник, выполненный из отдельных листов электротехнической стали с пазами.

Обмотка ротора бывает двух типов – короткозамкнутая и фазная. Наибольшее распространение имеют двигатели с короткозамкнутым ротором (ротор с беличьей клеткой).

Токопроводящая часть такого ротора состоит из медных или алюминиевых стержней, замкнутых накоротко с торцов (см. рисунок). Обычно «беличья клетка» формируется путем заливки пазов ротора расплавленным алюминием.

Фазный ротор имеет три обмотки, соединенные в звезду. Выводы обмоток присоединены к кольцам, закрепленным на валу и изолированным друг от друга и от вала (см. рис.19)

Рис. 19

Для осуществления электрического контакта с обмоткой вращающегося фазного ротора на каждое контактное кольцо накладывают подпружиненные щетки, расположенные в щеткодержателях.

Асинхронные двигатели с фазным ротором имеют более сложную конструкцию и менее надежны, но они обладают лучшими регулировочными и пусковыми свойствами.

Уравнения состояния и структурная схема асинхронного электродвигателя

Систему уравнений АД представим записанной в форме Коши, одновременно заменяя токи обмоток через функции потокосцеплений.
Или, подставляя выражения для токов, получаем:

Подставляем полученные значения токов и момента в уравнения и, обозначая D1 = L

1
L
2—
L
2
m
, получаем:

Последние уравнения можно рассматривать как уравнения состояния АД. В качестве переменных состояния здесь выступают проекции потокосцеплений на ортогональные оси и угловая частота вращения ротора. Внешними воздействиями на двигатель являются напряжения статора и момент сил сопротивления.

Эти уравнения нелинейны (содержат произведения переменных состояния) и решения в общем виде не имеют. Переходные процессы АД обычно исследуют моделированием на ЭВМ.

Коэффициент мощности асинхронных двигателей

Кроме активной мощности Р1 двигатель потребляет реактивную мощность Q1, в основном необходимую для образования вращающегося магнитного поля. Коэффициент мощности определяется по формуле: Рис.21. Зависимость коэффициента мощности от загрузки двигателя

При холостом ходе cos φ1 имеет малое значение (не превышает 0,2), так как активная мощность расходуется только на относительно небольшие потери в статоре и небольшие механические потери, а реактивная мощность имеет практически постоянное значение.

Дальше > Основы электротехники >

Расчёт числа витков в пазу фазного ротора.

Расчёт однослойной обмотки с частотой тока 50 герц, соединение фаз «Y», количество параллельных ветвей а=1.

• Число витков в пазу.U2
  — напряжение питания обмотки ротора (от 100 до 340 вольт),
  N
  — количество витков в пазу статора,
  Z1
  — число пазов статора,
  U
  — напряжение питания обмотки статора,
  Z2
  — число пазов ротора.

• Число пазов на полюс и фазу.Z2
  — число пазов ротора,
  2р
  — число полюсов,
  m
  — количество фаз.

• Шаг однослойной обмотки по пазам.Z2
  — число пазов ротора,
  2р
  — число полюсов.

Литература по данной теме:

Девотченко Ф.С. «Замена обмотки трёхфазных электродвигателей.» 1991 г. Кокорев А.С. «Справочник молодого обмотчика электрических машин» 1979 г.

Источник

Режимы работы асинхронных машин

Направление вращения асинхронного электродвигателя при прямом порядке чередования фаз (а

—
b
—
с
) принимаем за положительное (первый квадрант), а при обратном порядке чередования фаз (
a
—
c
—
b
) — за отрицательное (третий квадрант). Во втором и четвертом квадрантах представлены характеристики тормозных режимов.

Советуем изучить — Охрана труда

Двигательный режим

Двигательный режим характеризуется изменением частоты вращения электродвигателя от нуля (точка пуска) до W1 (точка идеального холостого хода) при соответствующем изменении момента (тока) от М

пуск (
I
пуск) до нуля.

Устойчивый режим работы обеспечивается частью механической характеристики АД лежащей в диапазоне изменения скольжения от нуля до s

kp.

Рабочие характеристики асинхронного электродвигателя строят в функции полезной мощности электродвигателя Р

2.

Рекуперативное торможение

Рекуперативное торможение (генераторный режим) с отдачей энергии в сеть имеет место тогда, когда под влиянием нагрузочного момента или другой причины угловая частота вращения ротора асинхронной машины превысит синхронную частоту W1. В генераторном режиме скольжение s

Динамическое торможение

Режим динамического торможения применяется для быстрой остановки вращающегося двигателя. Режим динамического торможения осуществляется следующим образом: фазы статора отключаются от сети переменного тока и одна фаза, если выведен нуль, или две фазы, соединенные последовательно, подключаются к источнику постоянного тока. Постоянный ток, создает неподвижное в пространстве магнитное поле, в котором вращается ротор. Создается тормозной момент и двигатель останавливается.

Торможение противовключением

Режим противовключения имеет место тогда, когда во вращающемся двигателе переключают две фазы статорной обмотки, что приводит к изменению направления вращения поля статора: ротор и поле статора вращаются в противоположных направлениях. В режиме противовключения скольжение s

>l. Двигатель потребляет из сети активную мощность, в то же время потребляется механическая мощность вращающегося ротора. Обе эти мощности преобразуются в потери, так как полезная мощность равна нулю. Ротор энергично тормозится. Если в момент, когда
s
=1, фазы обмотки статора не будут отключены от сети, то ротор будет разгоняться в противоположном исходному направлению вращения и произойдет реверс двигателя.

Как коэффициент мощности и асинхронные двигатели могут повлиять на прибыль

Уильям Ливоти

14.04.2016

Что такое коэффициент мощности и как он влияет на прибыль? Всем, у кого на заводах установлены большие асинхронные двигатели, или тем, кто получал компенсацию за корректировку коэффициента мощности от своих электроэнергетических компаний, следует внимательно прочитать эту статью.

Институт инженеров по электротехнике и электронике и Международная электротехническая комиссия определяют коэффициент мощности как отношение между приложенной активной (действительной) мощностью и полной мощностью (см. уравнение 1).

Цепи, содержащие чисто резистивные нагревательные элементы, такие как ленточные нагреватели и электрические плиты, имеют коэффициент мощности 1,0 (коэффициент мощности, равный единице). Цепи, содержащие индуктивные или емкостные элементы, такие как асинхронные двигатели, имеют коэффициент мощности ниже 1,0. Коэффициент мощности асинхронного двигателя определяется в первую очередь конструкционным материалом. Материал с более высокой проницаемостью приводит к лучшей производительности двигателя, более низкому току и более высокому коэффициенту мощности, поэтому статор двигателя содержит большую часть этого материала. Коэффициент мощности варьируется от одного производителя двигателя к другому из-за различных конструкционных материалов.

Рис. 1. На графике показано, как рассчитывается коэффициент мощности. кВт или реальная мощность — это то, что получает пользователь. КВАр, или реактивная мощность, представляет собой дополнительную мощность, передаваемую для компенсации коэффициента мощности менее 1,0. Их комбинация называется полной мощностью (кВА или вольт-ампер). (Графика предоставлена ​​WEG Electric)

Помимо платы за коррекцию коэффициента мощности, существуют текущие расходы на коэффициент мощности меньше единицы из-за проницаемости материалов. Кто-то может назвать это даром, который продолжает дарить. Низкий/плохой коэффициент мощности продолжает влиять на итоговую прибыль предприятия (месяц за месяцем), как указано в уравнениях 3 и 4. Неспособность скорректировать коэффициент мощности почти до единицы может обойтись очень дорого.

Пользователям также необходимо учитывать нагрузку двигателя. В отличие от КПД двигателя, коэффициент мощности падает гораздо быстрее, чем КПД, когда двигатель работает при пониженной нагрузке, как показано на рис. 2.

Рис. 2. При пониженной нагрузке коэффициент мощности падает намного быстрее, чем КПД.

Обратите внимание, как коэффициент мощности (зеленая линия) начинает падать примерно при 80-процентной нагрузке. Уравнение 2 показывает стоимость коэффициента мощности асинхронного двигателя. Его можно использовать для расчета годовых затрат на электроэнергию.

При выполнении расчетов используйте коэффициент мощности, указанный на паспортной табличке, как показано в уравнении 3. В уравнении используются измеренный ток (340) и измеренное напряжение (460), при этом 1,732 — это квадратный корень из трех, 0,85 — мощность, указанная на паспортной табличке. фактор, 4160 — это часы работы, а 0,07 доллара США — это стоимость киловатта (кВт). Выполняя тот же расчет с использованием скорректированного коэффициента мощности 0,75 на основе технических данных двигателя, уравнение 4 показывает использование фактического коэффициента мощности. Экономию можно рассчитать, вычитая уравнение 4 из уравнения 3. Экономия с коррекцией коэффициента мощности (единица) составляет 7 888 долларов США в год.

Преимущества корректировки коэффициента мощности включают:

• Электрическая нагрузка на коммунальное предприятие снижается, что позволяет коммунальному предприятию поставлять избыточную мощность другим потребителям без увеличения генерирующей мощности.
• Большинство коммунальных предприятий налагают штрафы за низкий коэффициент мощности, которые могут быть значительными. Скорректировав коэффициент мощности, этого штрафа можно избежать.
• Высокий коэффициент мощности снижает токи нагрузки, поэтому достигается значительная экономия на аппаратных средствах.

Существует несколько способов решения проблемы коэффициента мощности, включая частотно-регулируемые приводы (применительно к конкретному оборудованию), статические компенсаторы реактивной мощности (вольтамперно-реактивные) и динамические компенсаторы реактивной мощности (также известные как синхронные конденсаторы).

Какой метод использовать, следует оценивать на основе совокупной стоимости владения. Например, частотно-регулируемые приводы рентабельны только при определенных условиях эксплуатации. Статические компенсаторы требуют регулярного обслуживания и должны быть рассчитаны на конкретную единицу оборудования. Размер синхронных конденсаторов может соответствовать требованиям предприятия, но за это приходится платить.

Коэффициент мощности меньше единицы может стоить компании тысячи долларов. Коррекция коэффициента мощности является устойчивой и экономичной мерой, и ее следует рассмотреть любой компании с большой установкой асинхронных двигателей.

Дополнительные статьи о двигателях и приводах см. здесь.

---

Уильям Ливоти — менеджер по развитию производства электроэнергии в WEG Electric Corporation. С Ливоти можно связаться по адресу [email protected].

---

Выпуск

Апрель 2016 г.

PowerFactor-EnergyConservation

Энергосбережение является горячей темой в наши дни, и все «знают», что низкий коэффициент мощности может означать потерю электроэнергии. Много вопросов задают о коэффициенте мощности асинхронных двигателей. Некоторые конкуренты подчеркивают высокий коэффициент мощности своих двигателей. Почему бы и нет?

Асинхронные двигатели являются лишь одним из видов электрооборудования, которое снижает коэффициент мощности установки. При этом учитывается коэффициент мощности всей системы предприятия. Существуют способы корректировки низкого коэффициента мощности системы, поэтому максимальный коэффициент мощности двигателя не является жизненно важным. Коррекция коэффициента мощности системы часто является лучшим способом.

Краткий обзор теории

Истинная мощность , измеряемая в ваттах (Вт), представляет собой мощность, потребляемую электрическим сопротивлением системы, которая выполняет полезную работу.

Реактивная мощность , измеренная в вольт-амперах, реактивная (ВАР) представляет собой мощность, накапливаемую и отводимую асинхронными двигателями, трансформаторами и соленоидами, потребляющими реактивную мощность.

Полная мощность , измеряемая в вольт-амперах (ВА), представляет собой напряжение в системе переменного тока, умноженное на весь ток, протекающий в ней. Это векторная сумма активной и реактивной мощности.

Коэффициент мощности — это отношение фактической мощности, используемой в системе, к полной мощности, потребляемой от источника. Обычно выражается в процентах: Вт/ВА x 100. Косинус угла между ВА и Вт на этой векторной диаграмме ø является мерой коэффициента мощности. Чем больше ток VAR, тем ниже коэффициент мощности.

Только реальная мощность (Вт) в системе совершает полезную работу. Но утилита должна генерировать и распределять то, что действительно течет: Полная мощность (ВА). Коммунальные службы обычно измеряют только ватты, но коммунальные службы могут измерить общий коэффициент мощности предприятия, и обычно взимают штраф за тариф, если этот коэффициент мощности низкий. На предприятии система распределения электроэнергии также должна быть рассчитана на распределение и коммутацию полной мощности, а не только полезных ватт. Короче говоря, разница между полезной мощностью и полной мощностью, на которую указывает коэффициент мощности, представляет собой мощность, которая не работает, но стоит пользователю денег.

Почему не высокий коэффициент мощности двигателя?

Как показано на диаграмме, если вектор реактивной мощности короткий, коэффициент мощности будет высоким. Таким образом, может показаться, что двигатели с высоким коэффициентом мощности помогут, потому что они будут вносить меньший вклад в общий вектор реактивной мощности системы. Но… Во-первых: нагрузка двигателя может не иметь большого влияния на коэффициент мощности системы. Это верно, когда:

1. Нагрузка двигателя относительно мала по сравнению с резистивной нагрузкой (Вт) на систему предприятия, потребляемой таким оборудованием, как освещение предприятия и резистивное отопление.
2. Большая часть нагрузки асинхронных двигателей представлена ​​большими высокоскоростными двигателями. Их коэффициент мощности изначально высок, и коэффициент мощности меньшего количества небольших двигателей не будет иметь большого значения.
3. На заводе используются синхронные двигатели. Они не увеличивают вектор VAR, показанный на диаграмме, они имеют тенденцию уменьшать его.
4. Двигатели являются лишь частью индуктивной нагрузки, отвечающей за длину вектора реактивной мощности диаграммы. Практически на любом заводе есть силовые трансформаторы, вероятно, сварочные трансформаторы, возможно, электромагнитные механизмы и оборудование для индукционного нагрева. Также существует «паразитная индуктивность» в проводке установки, и теоретически эти системы проводки являются чисто резистивными нагрузками.
5. Высокий коэффициент мощности двигателя приводит к нерациональному использованию, если двигатель слишком велик для рабочей нагрузки или большую часть времени работает при пониженной нагрузке.

В описанных выше ситуациях высокий коэффициент мощности двигателя не окажет значительного влияния на общий коэффициент мощности системы. Вероятно, недостаточно, чтобы оправдать стоимость и другие недостатки двигателей, рассчитанных на максимальный коэффициент мощности.

Второй: Вы не получите такую ​​же хорошую конструкцию двигателя, сосредоточившись на высоком коэффициенте мощности. Разработчик двигателя должен учитывать ряд параметров, таких как повышение температуры, характеристики крутящего момента и КПД, а также коэффициент мощности, и он не может оптимизировать их все. Попытка разработать двигатель с высоким коэффициентом мощности и высокой эффективностью обходится дорого, а некоторые конструктивные изменения, улучшающие коэффициент мощности, такие как уменьшенный воздушный зазор, на самом деле оказывают противоположное влияние на эффективность.

Лучший способ

Независимо от того, как двигатели влияют на коэффициент мощности системы предприятия, его можно исправить, и это лучший способ. Вектор VAR на приведенной выше диаграмме представляет собой индуктивное реактивное сопротивление. Но есть еще и емкостное реактивное сопротивление, которое создает противоположный вектор VAR. Если на систему воздействуют оба вида реактивного сопротивления, они имеют тенденцию компенсировать друг друга. На приведенной ниже векторной диаграмме системы емкостная реактивная мощность почти так же велика, как индуктивная реактивная мощность, поэтому W более близко к ВА, а Вт/ВА x 100 — коэффициент мощности системы — является высоким.

Как:

Иногда вращающиеся конденсаторы используются для создания емкостного реактивного сопротивления в системе предприятия, но статические конденсаторы более распространены. Может быть, один центральный банк для корректировки всей системы завода или банк на каждом из нескольких центров нагрузки завода. Или индивидуальная установка конденсатора на каждый двигатель. Какой из этих подходов лучше всего подходит для данного предприятия, требует анализа многих переменных, и мы не можем давать общие рекомендации. Сомневающийся покупатель должен обратиться к крупным производителям конденсаторов за подробной информацией и советом специалиста.

Подводя итоги

Теперь вы понимаете, почему мы не используем самый высокий коэффициент мощности, предусмотренный в конструкции двигателя. Эффективность и другие желательные характеристики должны быть заложены в двигатель, потому что нет хорошего способа — внешнего по отношению к двигателю — добиться их эффекта. Но влияние коэффициента мощности двигателя на коэффициент мощности системы предприятия, в какой бы степени оно ни оказывалось, может быть компенсировано внешними средствами, а конденсаторы могут улучшить коэффициент мощности до 95-98%, что является большим улучшением, чем может быть реализовано в двигателе. . Внешняя коррекция имеет большое преимущество, заключающееся в корректировке трансформаторов и другого оборудования в системе предприятия, которое также имеет тенденцию к снижению коэффициента мощности.