节电原理

三相异步电动机无功功率就地补偿

洛阳春瑾节能技术有限公司   胡火安  

我国中小型三相异步电动机用电量占全国总发电量的60%-70%左右，可是大马拉小车浪费用电现象非常严重。采用无功就地补偿技术，是节约电能行之有效的方法。

一、企业中电动机配置和无功补偿方式的问题

1、配置不合理造成能耗大

许多企业在配置三相异步电动机容量时，往往是所悬着的电机功率比被拖动的负载容量大许多，有的甚至处于大马拉小车的现象，此时随着负载的降低，虽然输入功率减少了，但是电动机的效率和功率因数也随着下降，电动机的负载率低，电动机的效率也就随着降低，从而有功功率的损耗也就增大，同时功率因数也低，无功功率相对于有功功率的百分比就更大，浪费电能也就更多。

2、不合理而造成的耗能

三相异步电动机的额定功率因数一般不超过0.89。Y系类低压电动机的额定功率为0.75kw-200kw，其额定的功率因数为0.70-0.89：Y系列中型高压电动机额定功率为220kw-2800kw,其额定功率因数为0.73-0.89.随着负载的降低，电动机的功率因数也随之降低，一般工矿企业的功率因数为0.65-0.84，这样一来就必须要在供电电源（企业变压所的变压器）供给大量的无功功率（无功电流）以维持电动机的正常运转。

为了提高系统的供电质量和能力，以及降低损耗电力部门要求各工矿企业采用集中补偿无功功率的措施，既在企业的高、低压配电所内设置若干组电容器接在配电母线上，补偿该配电所范围内的无功功率，并使企业的总功率因数达到规定值（0.9或0.85）以上，这种补偿方法只能补偿高低压母线之前（电源方向）线路上的无功功率，它们相当于把武功功率源移到了用电企业的配电所，是企业对供电系统要求的无功功率减少，但对配电母线一下的企业内部变压器和线路及用电设备的无功功率不能起到补偿作用，企业内部仍有大量的无功功率（无功电流）在企业内部线路上流动，并产生有功损耗。

集中补偿方式是对电力系统起到了补偿作用，便于集中管理，能合理的 补偿无功功率和提高企业总的功率因数，也是供电部门所规定的必须要装置的补偿方式，所以一般企业也都在配电所安装了集中补偿装置，但是众多企业对另外两种无功补偿方式：就地补偿、和分组补偿的重视还不够的，许多企业应用很少，甚至没有安装，这就造成了大量的无功功率（无功电流）在企业内部的供电线路中的流动而引起的有功损耗。

二、步电动机无功就地补偿

所谓就地补偿就是在用电设备的附近设置补偿装置，这种补偿方式相当于把无功电源直接搬移到三相异步电动机旁边，使异步电机所需求的无功功率不在由电力系统供给，直接就地补偿装置供给，这样一来无功功率（无功电流）仅在电动机与就地补偿装置之间流动，从而消除了无功功率（无功电流）在高低压电网上的流动，减少了线路电流和有功功率损耗，这是一种最好的也是最彻底的补偿方式。

1、电能损耗及相应的电费

如企业中对于电动机容量较大，且长期处于轻负载状态下运行，供电线路较长，采用就地补偿后，可取得较显著地节电效果。例；某自来水公司一台电动机，额定功率为40KW，电压380V，4极，供电线路长350米，铝芯35平方，补偿前供电线路电流为59.8A功率因数为0.87，无功就地补偿15kvar后，线路电流为50.2A功率因数为0.978，安装后全年运行节约电能6043kwh，节约电费3626元（按0.60元/kwh）计算仅4个月就可收回投资。

2、提高功率因数和减少相应电费

电动机进行就地补偿后，效率也相应的提高了。在输出相当功率的情况下（既拖动相同负载）输入功率减少，从而使相应的电费支出减少。   

3、增加电功率和减少用电贴费

采用就地补偿后，异步电动机所需要的大部分无功功率由补偿器供给，电动机的用功功率仍有电源（配电所变压器）供给，这样就减轻了电源（变压器）的负荷，相应的提高了变压器的供电能力，一般可提高15%-20%左右。如果企业要扩大生产增容值在20%左右，就完全可用就地补偿的办法来满足增容要求，无需再购置变压器和其他配套电器设备，节约了投资费用和基本电费支出。

4、电器开关盒供电线路负荷，减少维修量，延长电器设备使

用寿命由于电动机采用无功就地补偿后，电器设备和供电线路的电流减少了，开关触点的故障也因电流的下降而减少了，供电线路也随着电流下降发热也降低了，从而使安全可靠性得到提高。

5、改善电机运行状况

电动机采用就地补偿后，除电动机的效率和功率因数得到提高外，由于供电线路的电流下降，相应的线路电压降减少，电动机的末端电压升高，电磁转矩提高，特别对供电线路较长的电动机，启动状况得到改善，减少了启动时间和启动困难的情况。

功率因数对企业用电设备有多大帮助与降低电费比例

河南省设备管理协会节能中心    胡火安

在交流电路中，电压与电流之间的相位差(Φ)的余弦叫做功率因数，用符号cosΦ表示，在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值，即cosΦ=P/S 功率因数的大小与电路的负荷性质有关，如白炽灯泡、电阻炉等电阻负荷的功率因数为1，一般具有电感或电容性负载的电路功率因数都小于1。功率因数是电力系统的一个重要的技术数据。功率因数是衡量电气设备效率高低的一个系数。功率因数低，说明电路用于交变磁场转换的无功功率大， 从而降低了设备的利用率，增加了线路供电损失。所以，供电部门对用电单位的功率因数有一定的标准要求。 (1) 最基本分析：拿设备作举例。例如：设备功率为100个单位，也就是说，有100个单位的功率输送到设备中。然而，因大部分电器系统存在固有的无功损耗，只能使用70个单位的功率。很不幸，虽然仅仅使用70个单位，却要付100个单位的费用。在这个例子中，功率因数是0.7 (如果大部分设备的功率因数小于0.9时，将被罚款)，这种无功损耗主要存在于电机设备中，又叫感性负载。功率因数是马达效能的计量标准。 (2) 基本分析：每种电机系统均消耗两大功率，分别是真正的有用功(叫千瓦)及电抗性的无用功。功率因数是有用功与总功率间的比率。功率因数越高，有用功与总功率间的比率便越高，系统运行则更有效率。 (3) 高级分析：在感性负载电路中，电流波形峰值在电压波形峰值之后发生。两种波形峰值的分隔可用功率因数表示。功率因数越低，两个波形峰值则分隔越大。保尔金能使两个峰值重新接近在一起，从而提高系统运行效率。 对于功率因数改善电网中的电力负荷如电动机、变压器、日光灯及电弧炉等，大多属于电感性负荷，这些电感性的设备在运行过程中不仅需要向电力系统吸收有功功率，还同时吸收无功功率。因此在电网中安装了无功补偿设备后，将可以提供补偿感性负荷所消耗的无功功率，减少了电网电源侧向感性负荷提供及由线路输送的无功功率。由于减少了无功功率在电网中的流动，因此可以降低输配电线路中变压器及母线因输送无功功率造成的电能损耗，这就是无功补偿的效益。无功补偿的主要目的就是提升补偿系统的功率因数。大部分的无效功都是电感性，也就是一般所谓的电动机、变压器、日光灯……，几乎所有的无效功都是电感性，电容性的非常少见。也就是因为这个电感性的存在，造成了系统里的一个KVAR值，三者之间是一个三角函数的关系：KVA的平方=KW的平方+KVAR的平方，简单来讲，在上面的公式中，如果今天的KVAR的值为零的话，KVA就会与KW相等，那么供电局发出来的1KVA的电就等于用户1KW的消耗，此时成本效益最高，所以功率因数是供电局非常在意的一个系数。用户如果没有达到理想的功率因数，相对地就是在消耗供电局的资源，所以这也是为什么功率因数是一个法规的限制。 

目前就国内而言功率因数规定是必须介于电感性的0.9～1之间，低于0.9，或高于1.0都需要接受处罚。这就是为什么我们必须要把功率因数控制在一个非常精密的范围，过多过少都不行。供电局为了提高他们的成本效益要求用户提高功率因数，那提高功率因数对我们用户端有什么好处呢？ 

① 通过改善功率因数，减少了线路中总电流和供电系统中的电气元件，如变压器、电器设备、导线等的容量，因此不但减少了投资费用，而且降低了本身电能的损耗。 

② 藉由良好功因值的确保，从而减少供电系统中的电压损失，可以使负载电压更稳定，改善电能的质量。 

③ 可以增加系统的充裕度，挖掘出了供电设备的潜力。如果系统的功率因数低，那么在既有设备容量不变的情况下，装设补偿器后，可以提高功率因数，增加负载的容量。 举例而言，将1000KVA变压器之功率因数从0.8提高到0.98时：补偿前：1000×0.8=800KVA，补KVA偿后：1000×0.98=980KVA，同样一台1000KVA的变压器，功率因数改变后，它就可以多承担180KVA的负载。  

④ 减少了用户的电费支出；透过上述各元件损失的减少及功率因数提高的电费优惠。此外，有些电力电子设备如整流器、变频器、开关电源等；可饱和设备如变压器、电动机、发电机等；电弧设备及电光源设备如电弧炉、日光灯等，这些设备均是主要的谐波源，运行时将产生大量的谐波。谐波对发动机、变压器、电动机、电容器等所有连接于电网的电器设备都有大小不等的危害，主要表现为产生谐波附加损耗，使得设备过载过热以及谐波过电压加速设备的绝缘老化等。并联到线路上进行无功补偿的补偿器对谐波会有放大作用，使得系统电压及电流的畸变更加严重。另外，谐波电流叠加在补偿器的基波电流上，会使补偿器的电流有效值增加，造成温度升高，减少电容器的使用寿命。谐波电流使变压器的铜损耗增加，引起局部过热、振动、噪音增大、绕组附加发热等。谐波污染也会增加电缆等输电线路的损耗。而且谐波污染对通讯质量有影响。当电流谐波分量较高时，可能会引起继电保护的过电压保护、过电流保护的误动作。 

因此，如果系统量测出谐波含量过高时，除了补偿器前端需要串联适宜的调谐电抗器外，并需针对负载特性专案研讨加装谐波改善装置。

无功功率不但增加线损和设备的发热，更主要的是功率因数的降低导致电网有功功率的降低，大量的无功电能消耗在线路当中，设备使用效率低下，浪费严重，由公式

P有=S×COSФ

Q=S×SINФ

其中S－视在功率，P有－有功功率，P无－无功功率，COSФ－功率因数，

可知COSФ越大，有功功率P越大，普通水泵电机的功率因数在0.6-0.7之间，使用调速电机后，由于永磁无刷电机驱动器的功率因数校正的作用，COSФ≈1，从而减少了无功损耗，增加了电网的有功功率。

3.调速水泵的软启动节能

由于异步电机为直接启动或Y/D启动，启动电流等于（4-7）倍额定电流。这样会对机电设备和供电电网造成严重的冲击，如果功率过大时还会对电网容量要求过高，启动时产生的大电流和震动时对挡板和阀门的损害极大，对设备、管路的使用寿命极为不利。而使用永磁无刷电机后，利用驱动器的软启动功能将使启动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了设备和阀门的使用寿命。节省了设备的维护费用。