提高单相电动机功率因数方法研究

1、 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'S DEGREE THESIS OF LANZHOU CITY UNIVERSITYThe Study of Method of Improving Single-phase Motor Power Factor College ：School of Bailie Engineering & TechnologySubject ：Electr

2、onic Information Science and TechnologyName ：Cao ZhipengDirected by ：Shi Shuchun Professor May 2014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

3、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 According to the character of the power factor, this paper states the reasons that affect the power factor from four aspects. On this basis, the paper introduces two kinds of metho

4、ds of improving the power factor: one is increasing the natural power factor，another is artificial compensation. And the motor power factor is further studied through the experiments by using the shunt capacitance method. At last, the paper analyzes the significance of improving the power factor in

5、enhancing the economic benefit and solving energy crisis.Key words：power factor; improvements; economic benefits目 录第1章 绪论11.1 研究背景11.2 本课题的研究内容11.3 提高功率因数的意义21.3.1 提高功率因数能提高设备的利用率21.3.2 提高功率因数能降低输电线上的损耗21.3.3 提高功率因数能改善供电质量21.3.4 提高功率因数能减少电力设备的投资2第2章 单相电动机及功率因数简介42.1 单相异步电动机42.2 功率因数42.2.1 功率因数的定义42.

6、2.2 有功功率42.2.3 无功功率52.2.4 视在功率52.3 功率因数的计算公式5第3章 影响功率因数的主要因素63.1异步电动机及变压器的负载情况63.2供电电压63.3变压器的选择73.4电网频率的波动7第4章 提高功率因数的方法84.1提高自然功率因数84.1.1 合理选用感应电动机84.1.2 合理选择电力变压器的容量84.1.3 减少电动机的空载或轻载运行84.1.4 提高异步电动机的检修质量94.1.5 采用同步电动机94.2 功率因数的人工补偿94.2.1 并联电容器94.2.2 并联电容器的实验过程114.2.3 实验结果分析124.2.4同步调相机134.2.5 静止

7、补偿器（SVC）13总 结15参考文献16致 谢17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

8、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

9、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

10、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

11、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

12、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

13、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

14、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12。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

15、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

16、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

17、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6070；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6070。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00.250.50.7510.20.50.770.

18、850.88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时的1/3。因此，要提高功率因数就要尽量避免电动机与变压器的空载或轻载运行3。3.2供电电压供电电压超出规定范围也会对功率因数造成很大的影响。当供电电压高于额定值的10%时，由于磁路饱和的影响，无功功率将增长得很快，据有关资料统计，当供电电压为额定值的110%时，一般工厂的无功将增加35%左右。当供电电压低于额定值时，无功功率也相应减少而使它们的功率因数有所提高。但供电电压降低会影响电气设备的正常工作。所以，应当采取措施使电力系统的供电电压尽可能保持稳定。3.3变压器的选择变压器消耗的无功功率一般约为其额定容

19、量的1015，它的空载无功功率约为满载时的1/3。因而，为了改善电力系统和企业的功率因数，变压器不应空载运行或长期处于低负载运行状态4。3.4电网频率的波动电网频率的波动也会对异步电机和变压器的磁化无功功率造成一定的影响。以上论述了影响电力系统功率因数的一些主要因素，因此必须要寻求一些行之有效的、能够使低压电力网功率因数提高的一些实用方法，使低压网能够实现无功的就地平衡，达到降损节能的效果。第4章 提高功率因数的方法在现今可用资源接近匮乏的情况下，除了尽快开发新能源外，更好利用现有资源是我们解决燃眉之急的办法之一。而对于目前人类所大量使用和无比依赖的电能使用，提高功率因数有很大实际意义。提高功

20、率因数可分为提高自然功率因数和采用人工补偿两种方法：4.1提高自然功率因数提高自然功率因数，就是不添置任何补偿装置，采取措施来减少供电系统中无功功率的需要量。它不需增加投资，是最经济的提高功率因数的方法。在不进行任何人工补偿之前，首先从提高自然功率因数着手，能收到既节电又减少开支的效果。其主要有：4.1.1 合理选用感应电动机感应电动机消耗的无功功率约占电力系统全部无功功率的60%，感应电动机的功率因数在额定功率附近最大，选择电动机时，应尽量使电动机满载运行，运行电动机的负荷一般要求达到额定容量的70%以上运行才是经济的5。对于负荷率小于40的电动机，无需进行技术经济比较，直接更换合适的小容量

21、电动机，或定子绕组由形改接成Y形运行即可。4.1.2 合理选择电力变压器的容量电力变压器消耗的无功功率约占电力系统全部无功功率的20%，变压器的功率因数随着其负荷系数变化而改变6。负荷率较小时，随着负荷率的增加，变压器的功率因数逐步增加，当变压器负荷率大于0.6后，再增加负荷率，变压器功率因数变化不大，所以变压器运行应使负荷率保持在0.6以上。如果变压器的负荷率长时间0.3，应考虑更换小容量变压器，或切除变压器。4.1.3 减少电动机的空载或轻载运行电动机空载或轻载时，功率因数低，在实际生产过程中，通过合理安排生产，调整工艺，如在机加工企业中，工件体积大，应在大的机床加工；机床空转持续时间较长

22、时，应使空载电动机停下来，以减少电动机的无功损耗，从而提高功率因数。4.1.4 提高异步电动机的检修质量感应电动机的修理质量，对电网自然功率影响很大。修理电动机时，应按照电动机额定数据进行，因为异步电动机定子绕组匝数变动和电动机定、转子间的气隙变动对异步电动机无功功率的大小有很大的影响。4.1.5 采用同步电动机对于容量较大，不需要调节转速的设备，可以采用同步电动机作为动力，并且使同步电动机工作于过励状态，使其呈现容性，吸收电网超前的容性电流，补偿电网的无功功率，从而提高电网的功率因数。如工厂的大型空气压缩机，可以采用大功率同步电动机拖动空气压缩机同步电动机的额定功率因数一般为10.8(超前)

23、7。4.2 功率因数的人工补偿4.2.1 并联电容器1、并联电容器提高功率因数的原理一般多采用电力电容器补偿无功功率，即：在感性负载上并联电容器。以下为理论解释：在感性负载上并联电容器的方法可用电容器的无功功率来补偿感性负载的无功功率，从而减少甚至消除感性负载于电源之间原有的能量交换。在交流电路中，纯电阻电路，负载中的电流与电压同相位，纯电感负载中的电流滞后于电压，而纯电容的电流则超前电压，电容中的电流与电感中的电流相差，能相互抵消8。电力系统中的负载大部分是感性的，因此总电流将滞后电压一个角度，如图4.1所示，将并联电容器与负载并联，则电容器的电流将抵消一部分电感电流，从而使总电流减小，功率

24、因数将提高。对于要求使用恒速大功率动力设备的用户，如大型钢厂等，通常采用在电感性负载的两端并联电容器(设置在用户或变电所内)的方法对无功功率进行补偿。电路如图4.1(a)所示。 （a）电路图 （b）向量图 图4.1 并联电容提高功率因数设感性负载的端电压为，在未并联电容器时，感性负载中的电流为 (4-1)功率因数为 (4-2)当并联上电容C后，和电压及感性负载的参数均未改变，但是电压与线路总电流的相位差减小到。因为 (4-3)故，相量图如图图4.l(b)所示。由相量图可见，只要，就有，因而9。同时，线路电流由原来的减小到。这时部分能量互换发生在感性负载与电容器之间，因而使电源设备的容量得到充分

25、的利用，也降低了线路上的损耗和压降。2、并联电容器的补偿方法（1）就地补偿 即把无功补偿器直接接在异步电动机旁或进线端子上。这种补偿方法相当于把无功电源直接搬移到异步电动机旁，使异步电动机所需要的大部分无功功率由无功就地补偿器供给，无功功率仅在异步电动机和并联电容器之间流动。从而消除了无功电流在高、低压线路上的流动，减少线路负荷和损耗。优点：补偿效果好。缺点：电容器利用率低。（2）分组补偿 即将电容器组分组安装在车间配电室或变电所各分路出线上，它可与工厂部分负荷的变动同时投入或切除，也就是在实际中将电容器分别安装在各车间配电盘的母线E10。优点:电容器利用率较高且补偿效果也较理想(比较折中)。

26、 （3）集中补偿 即在高、低压配电所内设置若干组电容器组，电容器接在配电母线上，补偿该配电所供电范围内的无功功率，并使总功率因数达到所规定的值以上。如果电容器组容量较大，可采用电容器柜，如果企业配电容量大，需大量采用电容器进行无功补偿，则另外建造电容器室11。优点：电容器利用率高，能减少电网和用户变压器及供电线路的无功负荷。缺点：不能减少用户内部配电网络的无功负荷。4.2.2 并联电容器的实验过程1、家用电冰箱压缩机中的电动机(功率为110W)功率因数的测定实验工具：家用电冰箱压缩机中的电动机(功率为110W)、不同数值的电容器、功率因数表、导线、胶布。实验过程:将电动机输出端接入功率因数表的

27、*U端和*I端，后将电动机接入220V电压，在确认电动机在安全正常工作状态下读取功率因数表数据；切断电源，在功率因数表Uo端和Io端并入4uF电容，接入电源，读取数值；选取不同阻值的电容重复上述步骤。实验数据：表4.1 家用电冰箱电动机并联电容器功率因数C（uF）048 0.700.830.982、洗衣机电动机(功率为120W)功率因数的测定实验工具：洗衣机电动机(功率为120W)、不同数值的电容器、功率因数表、导线、胶布。实验过程:将电动机输出端接入功率因数表的*U端和*I端，后将电动机接入220V电压，在确认电动机在安全正常工作状态下读取功率因数表数据；切断电源，在功率因数表Uo端和Io端

28、并入1uF电容，接入电源，读取数值；选取不同阻值的电容重复上述步骤。实验数据：表4.2 洗衣机电动机并联电容器功率因数C（uF）01234 0.890.940.970.9914.2.3 实验结果分析由以上两个实验数据分析可知，电冰箱中压缩电动机初始功率因数低于洗衣机中电动机功率因数，当并联电容器使功率因数都达到1时，电冰箱中压缩电动机功率因数提高了30%，而洗衣机中电动机只提高了10%左右，由此可得，当电动机初始功率因数较高时，并联电容器后功率因数提高的空间不大，相反，初始功率因数较低时功率因数提高的必要性就越大。可以看到，用并联电容法提高低功率因数时，方法简单、方便快捷，最主要是补偿效果明显

29、，从而提高了对电能的利用率。电容器电容值的确定：在未并联电容器时，电路的无功功率为： (4-4)并联电容器后，电路的无功功率为： (4-5)将功率因数由，提高到，电容器需要的无功功率为： (4-6)又因 (4-7)所以 (4-8)这就是所需电容值的计算公式。4.2.4同步调相机同步调相机是最早采用的一种无功补偿装置。它的无功出力连续可调，可精确控制正常运行电压，稳态时它的最大出力为其颇定值，而吸收无功的能力约为额定容量的50%。当系统故障电压下降时，它能快速调节励磁，维持或提高本身的无功出力，给系统提供电压支持以改善系统的稳定性。在HVDC系统受端交流系统短路容量不足时，安装调相机可以提高受端

30、的短路比，从而降低工频动态过程电压，并防止电压失稳，调相机是一种动态无功补偿装置12。从电机原理来讲，调相机是空载运行的同步电动机，它的转子也和同步电动机一样，都是做成凸极式的。它的转速不高，一般为7501000r/min。由于同步调相机不拖动如何机械负载，所以它的轴要较同容量的同步电动机细小，它的空气间隙也比同步电动机要小。改变同步电动机励磁电流的大小，可以控制它从电网中吸收无功功率或者是输出无功功率。根据这个原理，专门制造一种不带任何机械负载、只是向电网输出无功功率的同步电动机，这种同步电动机就是调相机。调相机可以在欠励磁状态下运行，吸收电网的无功功率，这种运行方式称为“进相运行”。进相运

31、行在某些运行方式下是必需的，因为它可以解决由于无功功率过剩而引起的一系列问题。4.2.5 静止补偿器（SVC）静止补偿器是一种利用电容器和各种类型的电抗器，进行无功静止补偿的装置，它可向电网提供可变动的容性和感性无功功率。静止无功补偿装置（简称SVC）是指凡是能够以无机械传动部件而达到提供无功出力的装置。它是由静电电容器和晶闸管等部件组合而成的13。目前，世界各工业发达国家所制造并已投入运行的静止无功功率装置的类型很多的，从无功电源供应情况来看，则可以分成固定电容性；固定电感性；可变电容性；可变电感性；固定电容性加可变电感性。在实际应用中较普遍的是采用固定电容性加可变电感性的，也就说一组或几组

32、容量较大的固定电容性加上一台容量相对略小的可变电感性构成一套SVC可变无功电源装置。随着现代工业的发展，电力网中出现了冲击性有功负荷，这些冲击性有功功率带来了冲击性无功功率。例如在电弧炉中，当金属熔化期间，电弧炉需要的无功功率是急剧地变化的，为此要求监测其所需无功功率并采用SVC，使它发出急剧变化的等量电容性无功出力，使其平衡以保持电弧炉持续在高功率因数状态下运行。目前，广泛采用的静止补偿装置多为并联电容器补偿装置。并联电容器补偿装置有如下特点：1、没有机械旋转运动，无磨损、噪音小、维修简便，运行经济。2、本身的功率损耗小，约为它所提供无功功率的0.30.4。3、所需投资少。4、并联电容器补偿

33、装置既能集中，又能分散，组合灵活方便。5、采用自动控制，实现自动投切，从而能无级平滑地调节输出的电感性或电容性无功功率，且进一步减少了电容器组对网络的损耗。总 结本论文主要从异步电动机及变压器的负载情况、供电电压、变压器的选择、电网频率的波动四方面讨论了影响功率因数的主要因素，并在此基础上着重研究和分析了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，对电动机的功率因数采用人工补偿法中的并联电容法进行了不同的实验研究，成功测得了相应的实验数据，说明了并联电容器对于初始功率因数较低的设备容器具有明显的补偿效果，同时提高功率因数对电动机的工作效率及电能的利用率具有重要意义。综本论文所述，提高功率因数必然对国家能源的利用、企业的经济效益起到促进作用，是保证各企业工厂电动机及其电力系统正常、安全及高