同步电动机与异步电动机混合使用时的无功补偿问题

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1、6 2 2 0 0 8 年电力电容器无功补偿技术论文集 同步电动机与异步电动机混合使用时的 无功补偿问题 朱赫 ( 深圳市三和电力科技有限公司，深圳5 1 8 0 0 4 ) 摘要：主要介绍了同步电动机的功率因数特性。在过励磁状态下发出的无功功率的估算方 法，指出采用两种电动机混用是提高系统功率因数的较好方法。并列举事例进行说q l ，同时也 提出了使用中应注意的问题。 关键i a - q ：同步电动机；无功估算；混合应用；提高功率因数 在工矿企业中使用同步电动机和异步电动机 都十分广泛，特别是风机、水泵等大型通用机械的 拖动都采用这两种高压电动机。由于风机、水泵 是消耗电能的大设备，其用电量

2、约达到工业用电 的3 0 - 3 5 左右。因此研究泵站( 输水、输油、 排灌等) 和空压机站( 空气压缩机、鼓风机等) 中 这些大型高压电动机的节能非常有必要。 同步电动机具有：稳态运行时与负载大小无 关，保持同步转速，其功率因数可以调节，因此在 恒转速负载及需要改善功率因数的场合，优先选 用同步电动机，但其缺点是价格较贵，控制设备较 复杂。异步电动机具有：结构简单、制造方便、价 格便宜和运行可靠等优点其缺点是功率因数恒 为滞后。轻载时功率因数很低。 从上面两种电动机的特性分析，不难看出它 们有互补的条件。当多台电动机集中使用时，可 以利用同步电动机发出的无功功率( 功率因数超 前运行) 来

3、补偿异步电动机所需的无功功率，使 它们之间的无功功率就地达到平衡，从而达到节 电的目的。 1 同步电动机的功率因数特性 同步电动机运行时要消耗电网的有功功率， 将同步电动机的功率因数“超前”运行，即由电网 供给电动机有功分量，而电动机又向电网发送无 功分量，这就是同步电动机的进相运行。图l 表 示不同励磁时同步电动机的功率因数特性。 收穑日期：2 0 0 8 - 0 3 - 2 5 曲线A 对应于励磁电流较小，空载时c o 叩= l 的情况。随着负载率K 的增加，功率因数将从l 逐步下降而变为滞后。 曲线B 对应励磁电流稍大，半载时c o 印= 1 的情况。此时轻负载( 负载率小于5 0 )

4、时功率 因数变成超前，超过半载后功率因数变成滞后。 曲线C 对应励磁电流更大，使满载时c o 叩= 1 的情况。此时只要电动机在低于满载运行时 功率因数均变成超前。 就 I 跳 。 0 图1不同励磁时同步电动机的 功率因数特性c o 叩- - f ( K ) 以上可以说明，改变电动机的励磁电流，可使 电动机在任一特定负载下的功率因数达到1 ，甚 至变成超前。 欲要使电动机超前运行，发出无功功率，如果 负载率超过5 0 时则必须让电动机在曲线C 上 运行，但是电动机的负载不能是满载。可以看出 负载率越低发出的无功就越多，当负载稳定时发 出的无功功率也稳定。 同步电动机与异步电动机混合使用时的无功

5、补偿问题 6 3 一般在设计选用电动机功率时，无论是采用 同步或异步电动机，都会考虑到电动机的裕量，故 绝大部分电动机的实际负载率在6 0 一8 0 之 间。而风机、水泵类负载一般都很稳定。这样就 给我们综合利用这两种电动机创造了有利条件。 2 同步电动机发出的无功功率的估算 同步电动机发出的无功功率的估算，目前有 二种方法。 方法1 。采用下式进行估算 D Q = L s i n ( p + 口( 1 一K ) ? l I 式中口一同步电动机输出的无功功率，k v a t ； P _ 同步电动机的额定功率，k W ； s i n 9 一对应于电动机额定功率因数的正弦 函数值； 卜负载系数；

6、广嫩率； 触行参数( 与励磁电流，负载率和额定 功率因数有关) 同步电动机运行参数3 的参考值见下表 额定负载时功率因数c o 印 8 m 曲 口值 O 8 0O 6 0 0 0 2 0 0 9 00 4 3 60 3 6 1 0 0O0 4 0 方法2 ，采用下式进行估算 州鲁南， 式中Q 一同步电动机输出的无功功率，k v a r ； 尸- - 同步电动机额定功率。k W ； 删率； c 旷一同步电动机额定功率因数( 超前) ； A 一同步电动机补偿能力，； 同步电动机补偿能力A ，可以从图2 中查出， 从图2 中可以看出有三个特点。一是负载率 越低无功输出能力越大。二是电动机在相同的励

7、磁条件下，功率因数为0 8 ( 超前) 的无功输出能 力要大于功率因数0 9 ( 超前) 。三是电动机的功 率因数一定( 如0 9 或0 8 ) 的情况下，无功输出 能力随励磁电流增加而增加。 利用上面两种方法计算举例：某水厂用的同 步电动机型号T L 7 1 0 ，额定功率7 1 0k W ，功率因 数0 9 ( 超前) ，额定电压1 0k V 额定电流4 8 6 A ，效率9 3 8 1 ( 不计水泵推动损失) ，负载率 7 0 ( 计算值) 。试计算出在额定励磁下这台电 动机发出的无功功率。 采用方法1 ，计算结果如下： D Q = 詈 8 i n , p + 芦( 卜K ) ， = 7

8、 5 7 O 4 3 6 + O 3 6 ( 1 0 7 ) = 4 1 2l 【v 盯 8 0 7 0 是6 0 娄5 0 拦4 0 竺3 0 ”2 0 I O 8 ， _- - 、 = ：! - - 、 - - 。 、 负载翠K 表示额定功率因数c o s 9 = O 9 ( 超前) 一表示颈定功率因数c o s 驴- 0 8 ( 超前) 图2 同步电动机的补偿能力 与负载率K ， 励磁电流L 及额定功率因数的关系 采用方法2 ，计算结果如下：， Q = 百P 畚。 = 7 5 7 糟 = 4 3 7k v a r ( 查图2 中，A = 0 5 2 ) 从计算结果可以看出，无论采用哪种方

9、法计 算，其结果比较接近。误差约在6 。因此在工程 上作为估算使用应该是满足要求的。 据笔者了解，由于制造同步电动机各厂家在 设计和工艺上都有差异，故目前尚没有准确的计 算方法。 3 同步电动机与异步电动机混用时考量和事例 1 ) 当新建泵站或风机站时，如果是由多台水 泵或风机电机组成，在选用电动机时应统筹考 虑。特别是要考虑采用同步电动机与异步电动机 混合使用的方案。利用同步电动机负载率的裕 量，使其发出无功功率来补偿异步电动机所需无 功功率，这样兼顾考虑可以节省投资，又能达到节 能的目的，使无功功率就地平衡，是效果最好的方 “ 2 0 0 8 年电力电容器无功补偿技术论文集 法。 例如。某

10、供水泵站需要4 台水泵电机，功率均 为4 0 0k W ，电压为1 0k V ，级数为8 级，负载率约 为7 5 ( 计算值) ，要求该系统的功率因数经过补 偿后要达到0 9 2 以上。 方案一：4 台均选用异步电动机，型号 Y S R S 0 0 8 。功率为4 0 0k W ，c o c o = 0 7 8 ( 滞后) ， 电压为1 0k V ，转速7 4 4r r a i n ，7 = 9 1 9 。 每台电机所需无功功率： Q d = 三 t a n ( a r c c o s 0 7 8 ) 一t a n ( a r c c o s 0 9 5 ) “ r = 器o 4 7 4 ：2

11、 0 6 k V 盯； 4 台电动机共需无功功率也= 4 仉= 4 2 0 6 = 8 2 4k v a r 。因此需要增加一套元功补偿装 置，容量为8 5 0k v a r ，才能满足系统的功率因数的 要求。 方案二：如选用2 台异步电动机，型号参数同 上。另外再选2 台同步电动机，型号T 4 0 0 8 功 率为4 0 0k W ，电压为l Ok V ，转速7 5 0r r a i n ，c o 婶 = O 9 ( 超前) ，田= 9 2 。 、 在额定励磁电流下每台同步电动机所发出的 无功功率，采用方法1 计算口， 口r = 3 i n 妒+ 卢( 1 一K ) = 4 3 5 ( 0

12、4 3 6 + O 3 6 ( 1 - 0 7 5 ) = 2 2 9k v a r ； 采用方法2 计算结果为2 6 2k v a r ( 查图2 中， A = 0 5 0 ) 。这时取口r = 2 2 9k v a r 。 故2 台同步电动机总供可发出的无功功率 为：2 2 9 2 = 4 5 8k v a r 。 从方案一中可知。2 台异步电动机总共所需 的无功功率为：2 0 6x 2 = 4 1 2k v a r 。 上面的计算中可以看出，2 台同步电动机发 出的无功功率，大于2 台异步电动机所需要的无 功功率，完全满足系统的功率因数要达到0 9 5 以 上的要求，因此不需要增加无功补

13、偿装置。 采用同步电动机与异步电动机混合使用方案， 不但可以在不使用无功补偿装置情况下提高功率 因数。而且还可以将系统总的视在功率减少。有可 能使供电变压器的容量降低一个容量等级。 2 ) 在扩容或改造时，应结合原来系统功率因 数和新增电动机的功率等因素综合考虑，是采用 同步电动机或异步电动机。如单台电动机的功率 较大，而原来系统的功率因数不高( 在0 9 左右 或以下) ，应首先考虑采用同步电动机进相运行， 来改善系统的功率因数。如原来系统的功率因数 较好( 在0 9 5 或以上) ，如采用异步电动机后，系 统的功率因数还能保持在0 9 及以上，不需要添 置无功补偿装置，这种情况应优先选用异

14、步电动 机。所以应该针对使用不同的电动机做出几个方 案，进行详细的比较论证，才能找出合适的办法。 4 几点说明 1 ) 同步电动机在过励运行时，其效率将有所 降低，并且注意不要超负荷，温度也不要超过规定 值。 2 ) 在上面的事例中如果4 台电动机均选用 同步电动机，让它们在过励状态下运行，用它们发 出的无功功率来补偿系统中其它电器所需的无 功，这个方案也可行，但这些同步电动机发出的无 功功率会在系统的电网中流动，因此增加了输电 线络的损耗，这是应该注意到的问题。 3 ) 对于同步电动机在过励运行时，励磁系统 所增加有功消耗，与异步电动机采用电容补偿装 置时该套装置的有功消耗相比，哪个消耗电能多， 这个问题较复杂，笔者没有做比较。希望更多的 人做这方面的研究。 参考文献： 1 金得生，金盛供电企业电能损耗与无功管理 手册 M 北京：中国电力出版社，2 0 0 5 2 ：钢铁企业电力设计手册编委会钢铁企业 电力设计手册 M 北京：冶金出版社， 】9 9 6 作者简介： 朱赫( 1 9 4 8 一) ，男，辽宁鞍山人，高级工程师，从事无功 补偿和滤波装置的设计研究工作。 E m a i l ：z h l 3 5 0 2 5 0 6 5 2 0 s i n a c o n l