關鍵詞：三相低壓異步電動機 無功補償電容器 應用
概述：異步電動機功率因數在滿負荷時并不很低，但在我廠實際應用中，大部分電動機負荷在50%左右，因此功率因數較低。在電網負荷中異步電動機所占的比重較大，是電力系統電網的主要無功負荷。它使各級網損也相應增大，盡管在各級
變電站、所及各廠礦企業變電站內均裝有集中無功補償
裝置來提高功率因數，減少電網線損，但集中補償不僅無法降低低壓電網的線損，而且價格較貴。特別是在供水行業水廠中，它們均是高壓進線的用戶(35kV或10kV)經過多級變配電(35kV→6kV→400V)加上各個水處理車間分散，低壓網絡較長，雖采取高壓集中無功補償，不能降低低壓系統電網的線損。因此，需對水廠各個水處理車間的低壓異步電動機實施就地補償。就是用一臺與異步電動機特性相配合的電容器直接并聯于該電動機，不需要外加其它保護裝置。使低壓供電系統的
電壓質量得到改善。
電動機是供水行業中的重要動力設備，承擔著電能轉換成機械能，從而驅動供水機械設備的運轉。在工礦企業以及水廠的日常生產中，異步電動機
無功功率占低壓電網無功功率的比重很大，因此對于異步電動機采用就地
無功功率補償，以提高供電系統的功率因數，節約電能，減少運行費用，提高電壓質量有重要的意義。
1、 可減少供電網、配電
變壓器、低壓配電線路的負荷電流。
2、 降低了配電網線損和配電線路的導線截面使配電變壓器的帶載能力增強。
3、 提高了低壓線路的功率因數，減少未端電壓波動，改善各供水車間低壓進線的電壓質量。
4、 可降低電動機的起動電流。
5、 因為補償電容器隨電動機同時投切，只要補償的電容器容量選配適當，不存在無功過補償。
6、 簡單、價低。因為只是在電動機上并聯一臺合適的專用電容器，不需要外加其它保護裝置，就有較為理想的補償效果。
二、 低壓異步電動機的無功功率及補償
因為，異步電動機在運行時所需要的無功功率，由兩部分組成：一部分是勵磁支路的無功功率(即鐵損);另一部分是負荷支路的無功功率(即銅損)。小容量的異步電動機主要是勵磁支路的無功功率，當負荷由零到滿載時，其變化很小。而負荷支路的無功功率隨負荷增加而增加，其值一般要比勵磁支路無功功率要小，異步電動機容量越小，相對的比例也越小，小容量的異步電動機從空載到滿載，其總的無功功率變化不大。以Y系列為例：電機額定容量為0.75kW，空載時無功功率為0.531kvar，而滿載時為0.646kvar。異步電動機隨著容量的增大，從空載到滿載所需的總無功功率變化相應加大。如：電機額定容量為15kW時，空載所需無功功率為4.741kvar，而滿載時為9.178kvar。表1為幾種小容量Y型異步電動機在不同負載下所需的無功功率。從表中可知電動機無功功率在不同負載下的變化。
表1 幾種小容量Y型異步電動機在不同的負載率下所需的無功功率
型號 額定容量 不同的負載率下所需的無功功率(kvar)
空載 5% 10% 20% 40% 60% 70% 80% 90% 滿載
Y801-2 0.75 0.531 0.526 0.532 0.523 0.543 0.579 0.599 0.617 0.634 0.646
Y802-2 1.1 0.690 0.683 0.680 0.683 0.716 0.769 0.795 0.817 0.837 0.818
Y90s-2 1.5 0.976 0.976 0.962 0.963 1.004 1.072 1.108 1.140 1.170 1.192
Y9001-2 2.2 1.211 1.229 1.225 1.232 1.297 1.402 1.456 1.507 1.552 1.592
Y1001-2 3 1.691 1.671 1.659 1.656 1.720 1.835 1.900 1.967 2.026 2.073
Y112M-2 4 1.895 1.878 1.871 1.888 2.022 2.229 2.343 2.450 2.555 2.651
Y132S1-2 5.5 2.222 2.199 2.195 2.238 2.478 2.823 2.998 3.170 3.339 3.473
Y132S2-2 7.5 2.616 2.588 2.592 2.682 3.101 3.656 3.948 4.211 4.470 4.496
Y160M1-2 11 4.460 4.092 4.167 4.104 4.540 5.249 5.636 6.031 6.425 6.809
Y165M2-2 15 4.741 4.649 4.618 4.735 5.524 6.685 7.331 7.749 8.577 9.178
因此，對低壓電動機的無功補償，其并聯電容器在運行時的實際補償容量，只要能補償其勵磁功率，就能使異步電動機運行的功率因數在負載率從40%-100%都有很高值(0.9以上)。而低負載時，其功率因數達不到0.9，但由于所需的無功功率很小，因此產生的線損不大，而比無補償時的無功損耗降低了很多。以上僅為15kW以下小電動機的補償特點。隨著電動機功率的增加，電動機負載率與功率因數有如下關系(見表2)。
表2
負載率 0 0.25 0.5 0.75 1
cosф 0.2 0.5 0.77 0.85 0.88
由于并聯電容器在異步電動機的額定電壓下，所產生的無功功率小于異步電動機在額定電壓下空載時需要的勵磁功率(略小于空載無功功率)。當電壓上升時，電容器所產生的無功功率隨電壓的平方增加，而異步電動機因鐵芯的磁飽和，其需要的無功功率增加將大于電容器的無功功率增加;當電壓下降時，異步電動機和電容器的無功功率幾乎都將隨電壓的平方下降。因此，并聯電容器的補償容量在運行時所產生的無功功率，總小于異步電動機的不同負載下所需的無功功率。所以不會產生過補償。
由于電容器的無功功率比補償異步電動機空載無功功率要略小一點，也就是說僅為勵磁功率，因此，也就不會產生異步電動機的自勵現象。
對低壓三相異步電動機采用就地無功補償，比集中無功補償要經濟、簡單、可靠得多。因為，雖然它裝置的總無功容量要為集中無功裝置總無功容量的3～4倍，但集中
無功補償裝置的單位容量的費用卻為就地補償電容器的4～6倍左右。而且，采用三相低壓異步電動機就地無功補償可降低工礦、企業內的低壓電網損失，節約了能源，減少了電費支出。
三相低壓異步電動機就地無功補償電容器可選常用的低壓自愈式金屬化膜電容器，該電容器以金屬化聚丙烯薄膜作電極和介質，其產品具有自愈性，并且有重量輕、體積小、損耗低等優點，特別是價格低。考慮到工礦企業電網電壓波動較大，加上無功補償后，電壓要相應提高一點，電容器的額定電壓宜選用常規的400V產品。但要求電容器接線端子、引線等帶電體不能外露，以確保安全。
1、 低壓異步電動機補償方式的選擇：
在供電系統中補償有三種方式：高壓集中補償、低壓集中補償和低壓就地補償。
由于在我廠實際供電系統中，采用6kV并聯電容器集中補償方式。回流車間和加速澄清池均為低壓進線，距配電室較遠且分散，為了盡量減少線損和電壓損失，宜采用低壓異步電動機無功功率就地補償方式。
2、 低壓異步電動機補償裝置投切方式的確定
由于異步電動機本身就是很好的放電線圈，所以在異步電動機外加電源電壓失去時，三相低壓異步電動機專用無功補償電容器可以向異步電動機放電，使電容器端電壓很快下降到零，在電網電壓復現時，就不會出現過電壓。因此，異步電動機與電容器補償裝置之間，不用加裝熔斷器保護。在開/停異步電動機時，電容器補償裝置同時投入或斷開。
低壓無功補償裝置(電容器)與異步電動機直接并聯
3、 異步電動機就地補償器容量的選擇及配置
3.1 補償容量的選擇
選擇就地補償裝置Qc的方法有三。
i. 按電動機的空載電流選擇
Qc= 31/2UeIo 為防止自激過壓Qc≤31/2 UeIo
通常推薦：Qc=K31/2UeIo
式中： Qc -補償容量，kvar;
Ue-電動機額定電壓，kV;
Io-電動機空載電流，A
K-補償系數(一般取0.9-0.98)
ii. 按電動機補償前后的功率因數選擇
Qc=P(tan∮1 -tan∮2)
=P{(1/cos2∮1-1)1/2-(1/cos2∮2-1)1/2}
式中：P=電動機的額定功率，kW;
cos∮1-補償前的功率因數;
cos∮2-補償后的功率因數。
兩種計算方法取得的 Qc值結果往往不一致，如按第二種方法算出的 Qc值小于優秀種方法的計算結果，則以第二種方法計算結果為準，如第二種方法算出的Qc值大于優秀種方法的計算結果時，以優秀種計算結果為準，補償率Kb= Qc /P。
iii. 查表法選擇
按電動機類型不同.容量不同來查表,選擇電動機補償容量(kvar)。并附表3、表4
表3 JO2常用三相異步電動機(15kW以下)專用無功補償電容器容量配置表
電動機容量(kW) 電容器容量(kvar)
二級 四級 六級 八級
06 - 0.50 - -
0.8 0.50 0.60 0.80 -
1.1 0.60 0.80 1.20 -
1.5 0.60 1.00 1.20 -
2.2 0.80 1.20 1.90 2.20
3 1.20 1.60 1.90 2.60
4 1.60 2.20 2.20 3.00
5.5 2.20 2.60 3.00 3.50
7.5 3.00 3.00 4.00 5.00
10 4.00 3.00 6.00 6.00
13 4.00 5.00 7.00 8.00
表4 Y系列(380 V)三相異步電動機無功就地補償器容量(kvar)表
電動機容量(kW) 電容器容量(kvar)
二級 四級 六級 八級
11 4 5 7 8
15 4 6 8 10
18.5 5 8 9 11
22 7 9 10 12
30 10 10 11 15
45 14 14 14 19
55 17 17 17 22
75 22 23 25 30
90 26 26 30 36
110 31 36 40 43
160 45 50
表3、表4為JO2系列、Y系列常用三相異步電動機就地無功補償電容器容量配置表，是根據各異步電動機在不同負載下所需的無功功率選擇的，對改善功率因數的效果是滿意的。
防止自激磁的措施：采用電容器就地補償的電動機，切斷電源后，電動機仍會在慣性作用下繼續轉動一段時間，此時電容器的放電電流成為激磁電流，可使電動機的磁場因自激磁而產生電壓，電動機即運行于發電狀態，可能導致對電機及電容器絕緣的損壞。所以補償設備的容性電流值應不大于電動機空載電流值的90%。
由于異步電動機補償電容器容量，要根據各種規格電動機在不同負載下所需的無功功率以及電容器容量誤差等因素來選擇，不能簡單地用 0.4倍電動機的額定容量來確定。這是因為不同系列、不同容量、不同極數的異步電動機其空載的無功功率與電動機的額定功率之比相差是很大的。從表1中可明顯看出，三相低壓異步電動機專用無功補償電容器容量的選擇既要考慮到盡量減少不同規格數量，又要考慮一種規格盡可能多的適用于幾種異步電動機的型號。同時還要保證異步電動機在不同的負載時，功率因數滿足補償要求和不發生自勵磁現象的過電壓。
3.2 在我廠加速澄清池，使用的四臺三相低壓異步電磁調速電動機。電磁電機型號為JZT361-4型，激磁電壓<90伏，激磁電流<3A，轉速調整范圍為100-1300轉/分。拖動電機型號為JO2T61-4型，額定容量13kW;額定電壓380V;額定電流25.6A;額定轉速為1460轉/分。這套供水設備長期運行在調速為500轉/分。測得電機空載電流I=8.2A。經過表3 JO2系列常用三相異步電動機(15kW以下)專用無功補償電容器容量配置表綜合分析后，并通過空載電流的計算補償電容量和實際運行負載率低，選定北京石景山科運節能開發部生產的LLNCR-0.45-7安全型無功功率就地補償裝置。加裝補償后電機空載電流由原來的8.2A，降為3.2A。
3.3 在回流車間使用的四臺380伏JLB281-4型立式電動機額定容量55kW;額定電壓380V;額定電流為103A;空載電流為Io=36A。
由于此種電動機為80年代初生產，按Y系列電機進行就地補償參考，查看Y型系列380伏三相異步電動機就地補償電容器容量表(附表4)并利用空載電流計算，對四臺回流泵電動機實際運行狀況的分析、計算，采用深圳生產的L
PLC-0.4-25無功功率就地補償裝置。電動機加裝補償后運行電流為74-82A左右，大約下降11-12A。
通過加速澄清池和回流兩個車間，對低壓異步電動機增加就地補償裝置前、后電動機的運行電流對照表(附表5)(附表6)也可以看出其補償效果。
表5 加速澄清池電動機加裝補償前后電流對照表
設備名稱
電動機額定容量 加裝補償前運行電流 加裝補償后運行電流
調速為400轉/分 調速為500轉/分 調速為600轉/分 調速為400轉/分 調速為500轉/分 調速為600轉/分
1#攪拌機 13kW 10.4A 11A 11.5A 4.5A 5.4 A 6.5A
2#攪拌機 13kW 9.5A 10.2A 11.1A 4.8A 5.7 A 7.2A
3#攪拌機 13kW 10.6A 11A 11.7A 4.5A 5.2 A 6.5A
4#攪拌機 13kW 9.7A 10.5A 11.3A 4.7A 5.7A 7.1A
表6 回流車間異步電動機加裝補償前后電流值比對表
設備名稱
異步電動機額定容量
原電動機運行電流 加裝25Kvar就地補償裝置電動機運行電流
1#回流泵 55kW 89A 78A
2#回流泵 55kW 85A 74A
3#回流泵 55kW 93A 82A
4#回流泵 55kW 90A 78A
目前我廠還有混合井攪拌機、加藥間加藥泵、鍋爐供暖車間內、外循環泵、濾池、碳池噴淋泵等仍然需要無功就地補償。
結論：
綜上所述，可明顯得出：三相低壓異步電動機就地無功補償是一種經濟、簡單、高效、可靠的無功補償方法。不僅對低壓供電用戶適用，對供水行業的配水廠同樣適用。
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