淺析怎樣才能提高異步電動(dòng)機(jī)自然功率因數(shù)

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)

感應(yīng)電動(dòng)機(jī) ，又稱“異步電動(dòng)機(jī)”，是將轉(zhuǎn)子置于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中，在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下，獲得一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，因而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的裝置。轉(zhuǎn)子是可轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)機(jī)的概念、發(fā)明者、工作原理、基本結(jié)構(gòu)、工作方式、制動(dòng)方式、異步特征、規(guī)格以及故障檢查。

通過(guò)定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)（其轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速n1）與轉(zhuǎn)子繞組的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子繞組切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，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(chǎng)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(shí)，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(dòng)機(jī)工作在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)時(shí)，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(jī)的基本結(jié)構(gòu)

單相異步電動(dòng)機(jī)就是只需單相交流電源供電的電動(dòng)機(jī) 。單相異步電動(dòng)機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子、軸承、機(jī)殼、端蓋等構(gòu)成。定子由機(jī)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(yùn)行繞組）和輔繞組（也稱起動(dòng)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(dòng)電容、運(yùn)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(dòng)機(jī)又分為單相電阻起動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)，單相電容起動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)、單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)異步電動(dòng)機(jī)和單相雙值電容異步電動(dòng)機(jī)。

三相異步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

三相異步電動(dòng)機(jī)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(jī)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(gè)在空間互隔120°電角度、隊(duì)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(gè)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(chǎng)。機(jī)座通常為鑄鐵件，大型異步電動(dòng)機(jī)機(jī)座一般用鋼板焊成，微型電動(dòng)機(jī)的機(jī)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(hù)、散熱等作用。封閉式電機(jī)的機(jī)座外面有散熱筋以增加散熱面積，防護(hù)式電機(jī)的機(jī)座兩端端蓋開有通風(fēng)孔，使電動(dòng)機(jī)內(nèi)外的空氣可直接對(duì)流，以利于散熱。端蓋主要起固定轉(zhuǎn)子，支撐和防護(hù)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(lái)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(lái)沖制轉(zhuǎn)子鐵心。一般小型異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵心直接壓裝在轉(zhuǎn)軸上，大、中型異步電動(dòng)機(jī)（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(gè)環(huán)行的端環(huán)組成。若去掉轉(zhuǎn)子鐵心，整個(gè)繞組的外形像一個(gè)鼠籠，故稱籠型繞組。小型籠型電動(dòng)機(jī)采用鑄鋁轉(zhuǎn)子繞組，對(duì)于100KW以上的電動(dòng)機(jī)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(dòng)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(gè)對(duì)稱的三相繞組，一般接成星形，三個(gè)出線頭接到轉(zhuǎn)軸的三個(gè)集流環(huán)上，再通過(guò)電刷與外電路聯(lián)接。

工作方式

1 異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)方式

1.1 軟起動(dòng)

隨著微型計(jì)算機(jī)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(dòng)控制器，廣泛應(yīng)用在電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程，降壓?jiǎn)?dòng)器隨之被替代。當(dāng)前電子式的軟起動(dòng)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(dòng)信號(hào)后，微機(jī)控制起動(dòng)器系統(tǒng)立即進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，令晶閘管輸送觸發(fā)信號(hào)，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(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的控制。該起動(dòng)方式適合各種功率值的三相交流異步電動(dòng)機(jī)包括六根和三根連接方式的起動(dòng)控制。

1.2 直接起動(dòng)

此種起動(dòng)方式是電機(jī)起動(dòng)方式中最基礎(chǔ)最簡(jiǎn)單的，首先借助用刀開關(guān)使電動(dòng)機(jī)與電網(wǎng)進(jìn)行連接，此時(shí)在額定電壓下電動(dòng)機(jī)起動(dòng)并運(yùn)行起來(lái)，該方式特點(diǎn)為：投資少，設(shè)備簡(jiǎn)單、數(shù)量少，雖然起動(dòng)時(shí)間短，但起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩較小，電流較大，比較適合應(yīng)用在容量小的電動(dòng)機(jī)起動(dòng)。

1.3 降壓起動(dòng)

由于直接起動(dòng)存在較大的缺點(diǎn)，降壓起動(dòng)隨之產(chǎn)生。這種起動(dòng)方式適用的起動(dòng)環(huán)境為空載和輕載這兩種情況，由于降壓起動(dòng)方式是在同時(shí)實(shí)現(xiàn)了限制起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和起動(dòng)電流的，因此起動(dòng)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(dòng)機(jī)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(zhǔn)和節(jié)約用電的要求，就需設(shè)置人工補(bǔ)償裝置來(lái)提高功率因數(shù)，這時(shí)的功率因數(shù)叫總功率因數(shù)。由于設(shè)置人工補(bǔ)償裝置需增加很多投資，所以提高電動(dòng)機(jī)自然功率因數(shù)是首要的任務(wù)。在農(nóng)網(wǎng)中消耗無(wú)功功率比重最多的是感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，約占60%以上，因此，研究如何提高農(nóng)網(wǎng)中電動(dòng)機(jī)的自然功率因數(shù)，減少輸送的無(wú)功負(fù)荷，降損節(jié)能，提高運(yùn)行效率，很有必要?，F(xiàn)在就來(lái)說(shuō)一下這個(gè)問題：

1嚴(yán)格控制電動(dòng)機(jī)容量，提高設(shè)備負(fù)載率，達(dá)到合理運(yùn)行

（1）合理選用電動(dòng)機(jī)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(yùn)行情況，造成電動(dòng)機(jī)自然功率因數(shù)偏低，耗用無(wú)功比例較大，損失電能增加。因此，合理選擇電動(dòng)機(jī)容量，使之與機(jī)械負(fù)載功率相匹配，提高電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率，是改善其自然功率因數(shù)的主要方法之一。

電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率與功率因數(shù)的關(guān)系如表1所示。

表1

負(fù)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(fù)載率的提高，電動(dòng)機(jī)自然功率因數(shù)也就提高了，也就是說(shuō)，合理選擇電動(dòng)機(jī)容量能提高其功率因數(shù)，達(dá)到節(jié)約電能之目的。

電動(dòng)機(jī)當(dāng)其處于最佳負(fù)載率狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，其效率最高，自然功率因數(shù)最大。

（2）合理使用電動(dòng)機(jī)，提高自然功率因數(shù)和效率，降低功率損失：

可以對(duì)輕負(fù)荷電動(dòng)機(jī)容量下調(diào)，即將負(fù)荷不足的大容量電動(dòng)機(jī)進(jìn)行替換。

當(dāng)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率Kfz＜40%時(shí)，可以調(diào)換；當(dāng)40%＜Kfz＜70%時(shí)，則需通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(dòng)機(jī)的有功損失，kW

ΔPd2-替換電動(dòng)機(jī)的有功損失，kW

2對(duì)輕負(fù)荷電動(dòng)機(jī)實(shí)行降壓運(yùn)行，提高自然功率因數(shù)和效率，降低功率損失

當(dāng)負(fù)載系數(shù)Kfz＜50%時(shí)，應(yīng)對(duì)電動(dòng)機(jī)采用降壓運(yùn)行，具體做法是將定子繞組由Δ改接為Y接線。

不同負(fù)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)負(fù)載系數(shù)Kfz＜0.5時(shí)，由Δ改為Y接線降壓運(yùn)行后，可提高電動(dòng)機(jī)的自然功率因數(shù)和效率，達(dá)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(dòng)機(jī)，所以這種法很適使用。