浅论三相异步电动机的机械特性.docx
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浅论三相异步电动机的机械特性
浅论三相异步电动机的机械特性
功率数与无功补偿
·
姓名：
谢强
单位：
黔能天和
专业：
机电设备
摘要
随着工业化程度的加速发展，电力电子技术、微电子技术及现代控制理论的发展。
三相异步电动机在工农业生产及人们的日常生活中却有极其广泛的应用。
从三相异步电动机的作用和性能为出发点，探究三相异步电动机的机械特性及功率因数与无功补偿方面的技术问题和有功与无功间的经济当量。
关键词：
三相异步电动机机械特性功率因数无功补偿经济当理
无功补偿电容器
目录
一、三相异步电动机的机械特性1
二、电动机的功率因数2
三、电动机无功补偿的分类2
四、三相异步电动机的功率因数与无功功率的经济当量3
五、低压异步电动机就地无功补偿3
（一）三相低压异步电动机就地和功补偿的好处4
（二）对电动机进行无功补偿应注意谐波危害6
六、小结7
参考文献：
7
浅论三相异步电动机的机械特性、功率因数与无功补偿
三相异步电动机具有结构简单，运行可靠，价格低，维护方便等一系列优点。
因此三相异步电动机被广泛应用在电力拖动系统中，尤其是随着电子技术的日新月异，使得三相异步电动机的性能得到了大大的提高。
目前三相异步电动机被广泛用在各个工业自动化电气控制领域中，就不得不对它的某些性能进行探索。
一、三相异步电动机的机械特性
三相异步电动机的机械特性是指电动机的转速与电磁转矩之间的关系。
由于转速与转差率有一定的对应关系，所以机械特性也常用转矩，转差率之间按一定的对应关系成立。
三相异步电动机的电磁转矩是由转子电流和主滋通相互作用所产生的。
转子电流与气隙磁密度作用产生电磁力，遵守电磁力定律，但是由于转子电流滞后转子电动势，在气隙磁场同一极性下面的各转子有效导体中，电流方向不会相同，所以电磁转矩与转子电路的功率因数有关。
[1]主磁通决定于定子电动势，而定子电动势则决定于定子的电压平衡关系，当定子漏阻抗电压降可以忽略不计时，定子电动势与电网电压相平衡，因为电网电压实际上是恒定的，所以主磁通可以近似认为是恒定的。
但是当转差率较大时，定子电流较大，定子漏阻抗电压降不能忽略。
转差率增大使转子电动势增大，尽管转子漏抗也增大，但转子漏阻抗的增大比转子漏抗的增大要小，所以转子电流随转差率的增大而增大。
转子电阻不随转差率的增大而减小。
用电磁转矩与转差率之间的关系，绘制出三相异步电动机的特性是一条曲线。
而三相异步电动机的机械特性曲线具有比较复杂的形状。
当转速等于同步转速时，转子频率等于零，转子漏抗等于零，转子功率因数等于1。
但因转子感应电动势等于零，转子电流等于零，所以电磁转矩等于零。
三相异步电动机只有在理想空载下，才能不依靠外力以同步转速旋转。
实际条件下，以同步转速旋转就是指靠外力克服所有静阻转矩的情况。
随着转速从同步转速开始降低，转子绕组中有感应电动势和感应电流。
转差率增大使转子电动势和转子电流均增大，使转子功率因数降低，主磁通也有所减小。
当转速较高即转差率较小时，转子漏抗比转子电阻要小很多，转子电流随转差率增加而增加较快，转子功率因数则减小较慢。
随着转速进一步降低，转子漏抗相对于转子电阻越来越大，使转子电流增加较慢而转子功率因数减小较快，又因定子电流较大，主磁通随转速降低而减小越来越明显，使得电磁转矩随转速降低而减小。
虽然三相异步电动机能够产生的最大转矩是临界转矩，但是如果劳动恰好等于临界转矩的静负载是不能稳定运行的。
根据三相异步电动机的机械特性。
因为只要出现扰动使转速稍有降低，就会导致拖动系统减速直到停止。
因此，设计电动机时都把额定转矩确定为临界转矩一半左右。
[2]用最大转矩与额定转矩之比来衡量电动机短时间允许超过额定负载的能力。
因为，额定转矩是按照发热条件允许的最大转矩，如果使异步电动带动接近于临界转矩的负载长时间运行，就会使电动机因过热而损坏。
二、电动机的功率因数
功率因数是指有功功率与视在功率的比值。
通俗地讲就是用电设备的实际出力与用电设备的容量的比值。
提高功率因数能提高用电质量，改善设备运行条件，可保证设备在正常条件下工作，能提高企业用电设备的利用率，削减感性负载于电源之间原有能量交换等。
异步电动机运行的前提是在气隙内建立主磁场，并随之在某些部位有了漏磁场，这就需要滞后的无功电流和无功功率，所以它的功率因数必然是滞后的。
空载时，定子电流仅有微小的铁损耗电流是有功分量，功率因数很低，约为0.1~0.2。
负载增加，转子电流有功分量增加，定子电流有功分量也随之增加，功率因数提高。
额定负载附近，功率因数达最大。
如果负载进一步增加，转速下降较多，转差率增加较大，转子功率因数角增加，因此两个转子功率因数角的余弦值都随之下降。
一般电动机额定负载时的功率因数约在0.75~0.90范围内。
三、电动机无功补偿的分类
电动机的无功补偿属于末端补偿，通常又称为就地补偿。
从安装位置和被补偿电动机参数的角度来讲，其又可分为单机就地补偿和分散就地补偿。
单台电动机就地补偿，就是将补偿电容器安装在电机附近，且是单独给该台电动机进行无功补偿。
分散就地补偿，是将补偿电容器安装在多台电动机组附近，对多台电机进行无功补偿，如接在车间动力箱出线侧母线上。
这里讲的分散组是相对于总配电房的集中补偿而言。
对不需要频繁操作的电容器。
可用空气断路器操作，而对于需要经常操作的并联电容器，可用专用交流接触器操作。
单机就地补偿主要适合用于年运行时间较长的电动机。
在实际工作中，综合考虑技术和经济等各种因素，不可一概而论，而应和分散补偿及中补偿的其他方式相配合，以取得最佳的经济效益。
采用电容补偿电动机无功功率，以中小型电动机为主要对象。
考虑到节能，节约的实际效益，对年利用小时数很少的，经常停用的中小型电动机一般不采用就地补偿方式。
[3]另外，为了降低补偿技术的复杂性，对高速电机，经济反复开停的，点动，堵转电动机，双向转动或反接制动的电动机以及高压大容量电动机，也都不考虑采用就地补偿。
对于绕线型感应电动机可以采用转子进相器补偿，或者进行同步化改造。
也可以采用电容器就地补偿。
四、三相异步电动机的功率因数与无功功率的经济当量
工矿企业消耗的无功功率电动机约占70%。
不少电动机负载率很低，经济处在轻载或空载运行，功率因数普遍不高。
负载率越低，则功功率因数越低，无功功率相对于有功功率的百分比更为显著地浪费电能。
因此对于异步电动机采用就地无功补偿以提高功率因数、节约电能，减少运行费用以及提高电能质量具有重要的意义。
用户功率因数的高低，直接关系到电网中的功率损耗和电能损耗，关系到供电线路的压损失和电压波动，而且关系到节约用电和整个供电区域的供电质量。
但在实际电力系统中异步电动机作为传统的主要负荷使电网产生感性无功电流，这些无功电流都导致电网中产生大量的无功功率。
在无功功率的传递过程中，会消耗大量的有功功率，由于安装了无功补偿容量，减少了无功功率传输而降低的有功功率损耗值与无功功率减少值的比值，即输送的无功功率减小1KW（或增加1KW无功补偿容量）时所减小的有功功率损耗值就是无功功率的经济当量。
[4]补偿容量越大，对减小有功损耗的作用越小，并非补偿容量越大越经济。
补偿容量的大小需通过技术经济比较来确定。
五、低压异步电动机就地无功补偿
三相低压异步电动机就地无功补偿是一种经济、简单、高效、可靠的无功补偿方法，它不仅适合乡镇分散的加工业，家庭式工业内装置的导步电动机的无功补偿，而且对工矿企业的异步电动机也同样适用。
并根据国产低压异步电动机系列（15KW以下）的实际参数，给出专用无功补偿电容器容量配置表以便查询对照。
异步电动机的功率因数很低，在电网负荷中异步电动机所占的比重较大，是城乡电网的主要无功负荷。
它使各级网损也相应增大，尽管在各级变电所，配电站及厂矿企业内均装有集中无功补偿装置来提高功率因数，减少电网线损，但集中补偿不仅无法降低低压电网的线损，而且价格较贵。
低压电网的高线损率对正在实施的城乡电网同网同价政策带来困难。
因此，必须对乡镇家庭的异步电动机推广低价的就地无功补偿。
三相低压异步电动机就地无功补偿就是一台与异步电动机特性相配合的电容器直接并联于该电机，其保护装置不变。
为了实施城乡电网同价，应大力推广异步电动机就地无功补偿，建议电容器制造厂家应生产与异步电动机相配套的产品。
（一）三相低压异步电动机就地和功补偿的好处
用三相低压异步电动机就地无功补偿有以下好处：
[5]
1、简单、价低。
因为只是在电动机上并联一台合适的专用电容器即可，不需要外加其它保护装置，便于推广。
2、不仅能提高低压电网的功率因数，降低了线损，同时也提高了供电电网的功率因数，降低了配电网线损。
3、对用户来说，节约了内线损耗，减少电费。
同时可以不会因功率因数不合格而罚款（这对各厂矿、企业内的异步电动机也同样）。
装置三相低压异步电动机专用无功补偿电容器，具有较好的经济效益。
4、提高了低压线路的功率因数，减少末端电压波动，改善了用户的电压，提高了电压质量，也增加了产品数量及质量。
5、因为补偿电容器随电动机而配置，只要补偿的电容器容量配置适当，不存在无功过补偿，有较为理想的补偿效果。
用三相低压异步电动机就地无功补偿是一种经济、简单、高效、可靠的无功补偿方法，应在广大的乡镇和工矿企业推广。
为什么一个合适容量的电容器可以与异步电动机直接并联，而不需要外加其它保护装置，仅利用原异步电动机的保护装置就可以了，而且是一种经济的无功补偿。
这是因为：
[6]
1、异步电动机在运行时所需要的无功功率从异步电动机的等效电路中可以知道由两部分组成；一部分是励磁支路所需的无功功率；另一部分是负荷支路所需的无功功率。
小容量的异步电动机主要是励磁支路所需的无功功率，当负荷从零到满载时，其变化很小，随负荷的增加而略有下降；而负荷支路所需的无功功率随负荷增加而增加，其值一般要比励磁支路所需的无功功率要小，异步电动机容量越小，相对的比例也越小。
小容量的异步电动机从空载到满载，其总的无功功率的变化不大，以Y801.2（0.75KW）为例，空载时无功功率为0.531KW，而满载时为0.646KW。
通过查表可知几种小容量Y系列异步电动机在不同的负载率下所需的无功功率，容量小所需同无功功率在不同的负载下变化很小。
异步电动机随着容量的增加，从空载到满负荷所需的总无功功率变化相应加大，但一般空载与满载的无功功率之比约为0.5以上。
因此，对低压异步电动机的无功补偿，其并联电容器在运行时的实际补偿容量，只要能补偿其励磁功率，就能使异步电动机运行的功率因数在负载率从40%—100%都有较高值（0.9以上），而低负载时，其功率因数虽不能达到0.9左右，但由于所需的无功功率量很小，因此产生的线损不大，而比不补偿时降低了很多。
2、由于异步电动机本身就是很好的放电线圈，所以在异步电动机外加电源电压失去时，三相低压异步电动机专用无功补偿电容器可以向异步电动机放电，使电容器端电压很快降为零，在电网电压复现时，就不会出现过电压。
因此，异步电动机与电容器并联之间不能加装熔断器保护或开关，异步电动机与电容器应用时投入或断开。
3、由于并联电容器在异步电动机的额定电压下，所产生的无功功率小于异步电动机在额定电压下空载时需要的励磁功率（路小于空载无功功率）。
当电压上升时，电容器所产生的无功功率随电压的平方增加，而异步电动机因铁芯的磁饱和，其需要的无功功率增加将大于电容器的无功功率增加；当电压下降时，异步电动机和电容器的无功功率几乎都将随电压的平方下降。
因此，并联电容器的补偿容量在运行时所产生的无功功率，总小于异步电动机的不同负载所需的无功功率。
因此，不会产生过补偿。
4、由于电容器的无功功率比补偿异步电动机空载无功功率要略小于一点，也就是说仅为励磁功率，因此，也就不会产生异步电动机的自励现象。
只要电容器仅补偿异步电动机的励磁功率，就不会产生异步电动机的自励磁现象。
5、对于家庭式的异步电动机采用三相低压异步电动机就地无功补偿的经济性是明显的，因为它比其他复杂的无功补偿要
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