交流异步电机在工业与民用建筑系统中应用广泛。在民用范围中运行机械多为连续运行,不调速,操作不频繁的场合,如风机、水泵、冷冻机多为结构简单,易维护的异步电动机。在工矿企业中,不少电动机负荷率低,经常处于轻载或空载状态,功率因数普遍不高。负荷率低,则功率因数愈低,无功功率相对于有功功率的百分比更大,显着地浪费电能。因此对异步电动机采用无功功率补偿以提高功率因数,节约电能,减少运行费用,提高电能质量,符合我国节约能源的国策,同时亦给企业带来经济效益。
1 无功功率补偿的种类和特点
1.1 集中补偿
在高低压配电所内设置若干组电容器,电容器接在配电母线上,补偿供电范围内的无功功率,如图1所示。1.2 组合就地补偿(分散就地补偿)电容器接在高压配电装置或动力箱的母线上,对附近的电动机进行无功补偿,如图2所示。
1.3 单独就地补偿
将电容器装于箱内,放置在电动机附近,对其单独补偿。图3为电容器直接接在电动机端子上或保护设备末端,一般不需要电容器用的操作保护设备,称为直接单独就地补偿。图3a为经常操作者,采用接触器;为非经常操作者,采用空气断路器;为高压电容器直接单独就地补偿,宜采用真空开关。图4为不采用控制设备,由电动机控制开关操作,但电容器必须采用内装熔丝或另装熔断器。如采用控制设备,如图5所示,为控制式单独就地补偿,多用于降压起动或有可逆运行等有特殊操作要求的电动机。
2 无功功率补偿的作用
2.1 改善功率因数及相应地减少电费
根据国家水电部,物价局颁布的“功率因数调整电费办法”规定三种功率因数标准值,相应减少电费:
(1)高压供电的用电单位,功率因数为0.9以上。
(2)低压供电的用电单位,功率因数为0.85以上。
(3)低压供电的农业用户,功率因数为0.8以上。
根据“办法”,补偿后的功率因数以分别不超出0.95、0.94、0.92为宜,因为超过此值,电费并没有减少,相反初次设备增加,是不经济的。
2.2 降低系统的能耗
功率因数的提高,能减少线路损耗及变压器的铜耗。
设R为线路电阻,ΔP1为原线路损耗,ΔP2为功率因数提高后线路损耗,则线损减少
ΔP=ΔP1-ΔP2=3R(I12-I22)(1)
比原来损失减少的百分数为
(ΔP/ΔP1)×100%=1-(I2/I1)2·100%(2)
式中,I1=P/( 3 U1cosφ1),I2=P/( 3 U2cosφ2)补偿后,由于功率因数提高,U2 U1,为分析方便,可认为U2≈U1,则
θ=[1-(cosφ1/cosφ2)2]·100%(3)
当功率因数从0.8提高至0.9时,通过上式计算,可求得有功损耗降低21%左右。
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