提高单相电动机功率因数方法研究.docx

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提高单相电动机功率因数方法研究

学号：

20100602050202

密级：

公开

兰州城市学院本科毕业论文

提高单相电动机功率因数方法研究

学院名称：

培黎工程技术学院

专业名称：

电子信息科学与技术

学生姓名：

曹志鹏

指导教师：

施树春教授

二○一四年五月

BACHELOR'SDEGREETHESIS

OFLANZHOUCITYUNIVERSITY

TheStudyofMethodofImprovingSingle-phaseMotorPowerFactor

College：

SchoolofBailieEngineering&Technology

Subject：

ElectronicInformationScienceandTechnology

Name：

CaoZhipeng

Directedby：

ShiShuchunProfessor

May2014

郑重声明

本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。

尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。

对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。

本学位论文的知识产权归属于培养单位。

本人签名：

日期：

摘要

根据功率因数的特性，论文从四个方面介绍了影响功率因数的因素，在此基础上介绍了提高功率因数的两种方法，即提高自然功率因数和人工补偿法，又通过实验对电动机功率因数用并联电容法进行了深入研究。

最后分析了提高功率因数对提高经济效益和解决能源危机所具有的重要意义。

关键词：

功率因数；提高；经济效益

ABSTRACT

Accordingtothecharacterofthepowerfactor,thispaperstatesthereasonsthataffectthepowerfactorfromfouraspects.Onthisbasis,thepaperintroducestwokindsofmethodsofimprovingthepowerfactor:

oneisincreasingthenaturalpowerfactor，anotherisartificialcompensation.Andthemotorpowerfactorisfurtherstudiedthroughtheexperimentsbyusingtheshuntcapacitancemethod.Atlast,thepaperanalyzesthesignificanceofimprovingthepowerfactorinenhancingtheeconomicbenefitandsolvingenergycrisis.

Keywords：

powerfactor;improvements;economicbenefits

第1章绪论

1.1研究背景

随着经济的日益发展，电力需求不断提高，伴随而来的突出问题是能源无效的巨大消耗，资源利用率低下。

电力系统是一个庞大的系统，其电能损耗的数值相当可观，能源的合理配置是急需解决的问题。

功率因数是决定发电系统和供电系统经济效益的一个极为重要的因素，它直接反映了系统中有功功率与无功功率的分配。

对于发电系统和供电系统来说，对负荷不但要求有高的负荷率，而且也要求有高的功率因数。

在供电系统中，绝大多数用电设备都具有电感的特性（诸如：

感应电动机、电力变压器，电焊机等）。

这些设备不仅需要从电力系统吸收有功功率，还要吸收无功功率以提供这些设备正常工作所需要的交变磁场。

然而在输送有功功率一定的情况下，无功功率增大，就会降低供电系统的功率因数。

因此，功率因数是衡量供电系统电能利用程度及电气设备使用状况的一个具有代表性的重要指标，而如何改善功率因数是要探讨的课题。

1.2本课题的研究内容

本论文首先分析了影响功率因数的主要因素，即异步电动机及变压器的负载中的大量电感性元件是无功功率的主要消耗者，供电电压超出规定范围也会对功率因数造成很大的影响，变压器长期空载运行或长期处于低负载运行状态下会造成功率因数的低效运行，接着又分析了电网频率的波动对异步电机和变压器的磁化无功功率造成的影响。

并在此基础上，着重研究并得出了提高功率因数的方法，即提高自然功率因数的方法和提高功率因数的人工补偿方法，阐述了根据不同的情况应采取相应的措施。

同时，对单相电动机的功率因数用人工补偿法中的并联电容法进行了不同的实验研究，并测得了相应的实验数据，又将两组不同的实验数据进行了对比，仔细分析研究后得出了并联电容法对于低功率因数的补偿具有很好的效果，提高空间大，方法简便安全高效。

最后分析讨论了提高功率因数在提高设备的利用率、减少输电线上的损耗、改善供电质量和减少电力设备的投资等实际生产生活中的意义。

提高功率因数对能源的有效利用和人类的可持续发展起到了促进作用。

1.3提高功率因数的意义

提高功率因数是非常必要的，其意义就在于能提高供电设备的利用率和提高输电效率。

1.3.1提高功率因数能提高设备的利用率

在电力系统中，提供电能的发电机是按要求的额定电压

和额定电流

设计的。

发电机长期运行时，其电压和电流都不能超过额定值，否则会使发电机的寿命缩短，甚至损坏。

发电机的容量是额定电压与额定电流之积他是发

，电机在安全运行下所能产生的最大功率。

发电机在额定电压与额定电流下运行时送出的有功功率P与所接负载的功率因数

密切相关，即

。

只有当所接负载是电阻时，

，发电机输出的有功功率恰好等于其容量。

当负载是感性或容性时，由于

，发电机输出的功率要小于其容量，发电机得不到充分的利用。

因此，为了尽可能的提高发电机的利用率，必须提高功率因数。

1.3.2提高功率因数能降低输电线上的损耗

设输电线上的损耗

，当

是负载端电压的有效值时，负载吸收的有功功率为

（5-1）

负载上的电流为

。

则此电流流过输电线，在输电线的电阻上产生的损耗为

（5-2）

当负载

较低时，线路中的电流会增大，从而引起线路损耗增大，而当

和

不变时，提高功率因数

会降低输电线上的损耗。

1.3.3提高功率因数能改善供电质量

已知功率因数越低，线路上的电流I越大，由于线路上的阻抗存在，则必然造成电压损失，使线路电压降低。

若电压损失过大，电网末端就会长期处于低电压运行状态，引起变压器过负荷、电动机过热、日光灯不能启辉、点灯昏暗等后果。

因此提高功率因数能减小电压损失，满足工农业生产和人民生活对供电电源的质量要求。

1.3.4提高功率因数能减少电力设备的投资

为尽量减小输电线路上的功率损耗，往往会增加导线截面积以减小阻抗。

而在有功功率P和电源电压U一定的情况下，功率因数的提高可是线路中通过的电流减小，则导线截面机就可以相应设计的小一些，这样就可以节约线路的投资。

其次，在有功功率P一定时，提高功率因数可是视在功率S降低，对于用电单位而言，在满足用电需要的情况下，减少了所需变压器的容量，也就降低了投资和损耗。

第2章单相电动机及功率因数简介

2.1单相异步电动机

定义：

采用单相交流电源的异步电动机称为单相异步电动机。

结构：

定子——单相绕组，转子——笼型转子。

原理：

当单相定子绕组中通入单相交流电，在定子内会产生一个大小随时间按正弦规律变化而空间位置不动的脉动磁场。

分析表明，此交变脉动磁场可分解成两个转向相反的旋转磁场，因而在电动机静止时正反两个转矩相等，即，起动转矩为零，不能自行起动。

适用对象：

广泛应用于电动工具、家用电器、医用机械和自动化控制系统中[1]。

2.2功率因数

2.2.1功率因数的定义

在直流电路里，电压乘电流就是有功功率。

但在交流电路里，电压乘电流是视在功率，而能起到作功的一部分功率（即有功功率）将小于视在功率。

有功功率与视在功率之比叫做功率因数，而最简单的测量方式就是测量电压与电流之间的相位差，得出的结果就是功率因数。

在交流电路中，电压与电流之间的相位差（

）的余弦叫做功率因数，用符号

表示，在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值，即

（2-1）

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[2]。

在交流电路中，有三种重要的功率参数，分别是有功功率、无功功率和视在功率。

2.2.2有功功率

电路中电能通过用电负载转换为其他形式的能量（如机械能、光能、热能、化学能等），参加能量转换的实际电功率被称为有功功率，也叫平均功率，是电路中实际消耗的功率。

单相电路中，有功功率

（2-2）

其中，U为相电压，I为相电流，

为线电压与线电流的相角。

2.2.3无功功率

电路中的无功功率，分别是由交流电路中的电感成分和电容产生的，称为感性无功功率与容性无功功率。

单相电路中，无功功率

或

（2-3）

2.2.4视在功率

视在功率是交流电路中电源供给负载的总功率。

这种负载里可能有电阻和电感，还可能有电容器，在这种综合性负载电路中，电阻需要消耗有功功率，而电感和电容则需要做能量交替交换的无功功率，电源供给这种综合性负载中的总功率包含着有功功率和无功功率两部分。

单相电路中，视在功率

（2-4）

2.3功率因数的计算公式

功率因数的计算公式：

（2-2）

式中

P——有功功率，kw，p=UI

（2-6）

Q——无功功率，Q=UI

（2-7）

S——视在功率，KVA；S=UI（2-8）

U——用电设备的额定电压；（2-9）

I——用电设备的运行电流。

（2-10）

第3章影响功率因数的主要因素

许多用电设备均是根据电磁感应原理工作的，如配电变压器、电动机等，它们都是依靠建立交变磁场才能进行能量的转换和传递。

为建立交变磁场和感应磁通而需要的电功率称为无功功率，因此，所谓的"无功"并不是"无用"的电功率，只不过它的功率并不转化为机械能、热能而已；因此在供用电系统中除了需要有功电源外，还需要无功电源，两者缺一不可。

在电力网的运行中，功率因数反映了电源输出的视在功率被有效利用的程度，我们希望的是功率因数越大越好。

这样电路中的无功功率可以降到最小，视在功率将大部分用来供给有功功率，从而提高电能输送的功率。

3.1异步电动机及变压器的负载情况

大量的电感性设备，如异步电动机、感应电炉、交流电焊机等设备是无功功率的主要消耗者。

异步电动机的定子与转子间的气隙是决定异步电动机需要较多无功的主要因素。

据有关的统计，在工矿企业所消耗的全部无功功率中，异步电动机的无功消耗占了60％～70％；而在异步电动机空载时所消耗的无功又占到电动机总无功消耗的60％～70％。

所以要改善异步电动机的功率因数就要防止电动机的空载运行并尽可能提高负载率。

异步电动机的功率因数与负载密不可分，在额定负载时功率因数在0.8以上，而在空载时功率因数仅为

。

电动机负载率与功率因数的关系见下表3.1。

表3.1负载率与功率因数的关系

负载率

0

0.25

0.5

0.75

1

0.2

0.5

0.77

0.85

0.88

变压器消耗的无功功率约为其额定容量的10%～15%,空载时的无功功率约为满载