三相异步交流电动机的无功补偿 摘要：三相交流异步电动机在工矿企业中应用广泛，无论高压还是低压电动机，采取就地无功补偿对电动 机运行节能降损具有重要意义。根据工程项目的实施，对电动机无功补偿容量的计算方法做了归纳总结， 多项工程实践证明是切实可行的，实际应用也取得了良好的效果。 关键词： 无功补偿; 空载电流; 负载率; 电动机效率 Three Phases AC Asynchronous Motor’s Reactive Abstract：Three phase AC asynchronous motors are widely used in factories.Whether for high voltage motors or low voltage motors, it’s important to effectively spread individual correction of the power factor. According to the project in practical experience,the design method of the the reactive power correction is summarized.It has been proved by many projects and gained good purpose in practical applications. Keywords: reactive power compensation；no-load current； load factor； motor’s efficiency 概述 在我国，三相异步电机用电量占全国发电总量的 60∽70%,是主要用电负荷。然而，由 于异步电动机独特的工作原理，以及电网节能降损的要求，异步电动机的应用使无功补偿装 置成为其必不可少的配备一部分。异步电动机作为企业的主要用电设备，在企业用电总消耗 的无功功率中约占 70％，因此对于异步电动机采用就地无功功率补偿以提高供电系统的功 率因数，节约电能，减少运行费用以及提高电能质量，具有重要的意义。尤其高压电动机额 定容量大，年运行小时多，实施无功就地补偿，则节能效果更加显著。我国有关部门对三相 异步电动机无功就地补偿推广应用制定了相应的标准,国家技术监督局 GB3485-83<<评价企 业合理用电导则>>中规定:在 100kW 以上的异步电动机在安全条件允许的情况下,就地补偿 无功功功率。冶金部下达的电动机无功就地补偿技术推广目标要求：“对于远离电源的水源 泵站电机，距离供电点 200m 及以上的连续运行的电动机，轻载或空载运行时间较长的电动 机，JZR 及 MT 系列电动机，高负载率变压器供电的电动机要首先采用。国家标准 GB12497-90 《三相异步电动机经济运行》中规定：对于 50kW 及以上电动机，在安全允许条件下，就地 进行功率因数补偿。在修改的 GB12497-95 标准中，要求电动机无功功率就地补偿，并在宣 贯教材中提出 11kW 及以上电动机应进行无功就地补偿。 2.无功功率补偿系统设计 2.1 用户设备运行情况 时代集团公司于 2007 年 12 月中旬承接吉林省梅河口市某管业公司的高压 10kV 三相异 步交流电动机及低压 400V 穿管机生产线的无功补偿及谐波治理项目工程，用户电力系统由 变电所通过 10kV 架空线路 LGJ-185 约 10km 到达用户的 10kV 真空断路器进线柜。本文仅对 该用户高压电动机的无功功率补偿计算及设备投入运行的状况做了分析比较，进一步说明对 电机的无功补偿节约电能的意义。用户两台高压电动机均为西安西玛电机（集团）股份有限 公司生产的 YR 系列 10kV 等级 4 极 710kW，1000kW 极高压三相异步电动机各一台，作为穿管 机生产用设备之一，两台电动机位于同一高压开关柜下，铭牌额定功率因数 cosФN=0.82。 相关测试数据如下：两台电机启动前，高压配电室内功率因数表显示值为 0.9 左右，启动后 电动机空载运行，无补偿时功率因数表显示低于 0.5 以下，表针已到下限刻度尽头挡针位置， 说明功率因数很低，电动机的空载无功功率较大，在电动机出线口用日置 HIOKI 3196 电力 谐波分析仪综合测试，两台电动机空载工作时的平均电流值为：42A，cosФ=0.11。 2.2 设计指导原则 2.2.1 系统设计目标 补偿用户电动机的空载无功功率及带负载运行时补偿后目标功率因数≥0.95，避免因功 率因数低而罚款。 2.2.2 无功补偿电容量的确定 因为已测量数据,因此按照输入功率计算。 电动机（kV） 电压（kW） 空载电流（A） 空载功率因数 运行功率因数 负载率β 效率h 710 10.05 17.5 0.11 0.80 70% 88% 1000 10.05 24.35 0.11 0.77 60% 86% 设计目标功率因数为 0.95。 710kW 电动机计算确定补偿电容器容量 Qc = Pe b (tgj1 - tgj2 ) = Pe b ⎡ ⎢ 1 - 1 - 1 ⎤ 2 - 1⎥ h 710 ´ 0.70 ⎡ 1 h ⎢⎣ cos j1 1 ⎤ cos j2 ⎥⎦ = 0.88 ⎢ 0.82 - 1 - 0.952 - 1⎥ ⎦ = 238(k var) 按照串联电抗率 6%选取,电容电压取 11kV,则安装容量为 270kvar. 1000kW 电动机计算确定补偿电容器容量 Qc = Pe b (tgj1 - tgj2 ) = Pe b ⎡ ⎢ 1 - 1 - 1 ⎤ 2 - 1⎥ h 1000 ´ 0.60 ⎡ h ⎢⎣ 1 cos j1 1 ⎤ cos j2 ⎥⎦ = 0.86 ⎢ 0.772 - 1 - 0.952 - 1⎥ ⎦ = 349(k var) 按照串联电抗率 6%选取,电容电压取 11KV,则安装容量为 400kvar. 投入运行后 10KV 线路电压升高值计算 10kV 架空线路 LGJ-185,10km. 由于 2 台高压电动机由同一真空断路器控制，电动机实施就地补偿后电压升高值按照全 部补偿电容器投入后计算。 ΔU = Qc × X ×U1 105 Qc —补偿电容器容量 k var X * —架空线路电抗值 U1 —标准电压10.5kV ΔU —电压升高值 kV ΔU = 670 ´ 3.33´10.5 = 0.2345kV = 234.5V 105 根据电容器组投入后电网电压升高值,调整高压补偿装置的过压保护限值。 a.用实测有功功率和功率因数方法确定 QC=P1(tgф1-tgф2) kvar (1) P1:电机输入功率 kW Ф1:补偿前功率因数角 Ф2:补偿后功率因数角 b.按异步电动机的空载电流计算,依据防止异步电动机产生自励的无功就地补偿电容 器的容量计算公式 QC=0.9√3UN*I0 kvar (2) UN:额定线电压 kV I0:电动机空载电流 A 电动机空载电流一般电动机手册中均可查到,若查不到, 按瑞典通用电气公司推荐的公 式计算： I0=2IN（1-cosФN） A (3) IN：异步电动机额定电流 A cosФN：异步电机额定功率因数 本文按第二种方法计算确定补偿容量,按第一种算法理论验证。 2.2.3 补偿容量的计算 电动机的额定功率:P=√3UNINcosФN kW (4) (1).计算 YR710 电动机的空载补偿电容量 QC1: 电动机额定功率 P1=710kW, cosФN1=0.82 利用公式(4)计算得 IN1=50A 利用公式(3)计算得 I01=18A 利用公式(2)计算补偿电容量 QC1-1=280.6kvar 按 照 电机满 负 荷运行 时 的目标 功率 因数 按 照 0.95 计算, 利用 公式 (1) 计 算 得:QC1-2=710(tgcos -10.82-tgcos -10.95)=262kvar，串联电抗率选 5%,则实际应选容量为:Q = QC1-2/95%=275.8kvar，分析比较电动机满负荷运行与空载补偿容量,按照 280kvar 容量补偿, 电机满负载运行时功率因数会略高于 0.95,经过计算为 0.96，最终确定补偿容量为 270kvar。 (2).计算 YR1000 电动机的空载补偿电容量 QC2: 电动机额定功率 P2=1000kW, cosФN2=0.82 利用公式(4)计算得 IN2=70.4A 利用公式(3)计算得 I02=25.34A 利用公式(2)计算补偿电容量 QC2-1=395kvar 按 照 电机满 负 荷运行 时 的目标 功率 因数 按 照 0.95 计算, 利用 公式 (4) 计 算 得:QC2-2=1000(tgcos -10.82-tgcos -10.95)=369.3kvar，串联电抗率选 5%, 则实际应选容量 为:QC= QC2-2/95%=388.7kvar，分析比较电动机满负荷运行与空载补偿容量,按照 400kvar 容 量补偿,400*0.95=380kvar,经过计算为 0.95,故最终确定补偿容量为 400kvar,属于常规标 准电容设备。 3.用户生产运行状况分析 通过理论计算值确定补偿容量后,用户电动机的实际运行还存在一个效率的问题。按照 一般企业电动机的运行效率, 考虑到电机的发热问题,都会留一定余量,有的企业单位用户 甚至电动机的实用效率为 30∽40%,出现大马拉小车的现象,造成电机空载无功缺额较大。若 用户按照较大的余量选用电动机,则电动机实际最大工作功率小于额定功率,造成用户带负 载工作时的功率因数达不到 0.95,反而较低。现以用户 2 台电动机工作为例计算如下： 按照国家标准，电动机空载时功率因数为 0.2 左右。现场实际测量为 0.11,若以理想目 标值补偿至 0.99 计算: 补偿前空载平均电流为 42A,则 2 台电机运行的有功功率为： P=√3Ul*IlcosФ=1.732*10*42*0.11=80kW 空载补偿容量为:QC=P(tgcos -10.11-tgcos -10.99) =80(tgcos-10.11-tgcos-10.99)=711.5kvar 则电机空载时补偿 711.5kvar 功率因数可达到 0.99。 满负荷运行时达到 0.99 的补偿量计算: QC=P(tgcos -10.82-tgcos -10.99)=1710(tgcos -10.82-tgcos -10.99)=949.9kvar 以我公司设计的补偿量做为参照计算： 空载时设备补偿容量 670kvar，串联 5%电抗器，实际补偿容量为： 670*95%=636.5kvar 空载时补偿的功率因数计算: 636.5=80((tgcos-10.11-tgcos-1x1) cosx1=0.68 满负荷运行时功率因数计算: 636.5=1710((tgcos-10.82-tgcos-1x2) cosx2=0.95 若用户空载运行时间较短,可以忽略时，尽管空载时功率因数较低,但电动机带负荷运行 时功率因数可以达标，所以综合经济性价比较高，用户的设备投入费用较低。通过分析异步 电动机的效率和功率因数与负载率的关系可以看出，随着负载率的下降，电动机的输出功率 减少，电动机的效率和功率因数值也随着下降。负载率下降越大，效率和功率因数也下降越 大，这样电动机的损耗和线路的损耗都要相应增加，浪费电能，特别在轻载时浪费电能更严 重。 电动机负荷曲线图： η：电动机输出效率 β：电动机负载率 从图中可以看出，若用户对电动机的余量较大，则应考虑到负荷的输出效率，根据实际 电机运行的参数修正补偿容量，使功率因数达到最佳值，以达到最佳节能补偿效果。由此再 考虑我公司确定的补偿容量，若用户电机的输出效率较低，则设计的目标功率因数 0.95 将 不能达到,会低于此值,具体到多少,根据用户电动机的实际输出效率而定。通过设计装置前 对用户的了解，用户的负载对于电动机基本为满负荷工作，输出效率在 90%以上，因此可以 确认我们设计的补偿容量是合理的。通过 2008 年 3 月初期用户生产的实际运行数据测试， 电动机满负荷工作时功率因数可达到 0.93∽0.94,最高到 0.95，说明电机输出效率高，与设 计参数吻合。电动机轻载运行时高压配电室功率因数表达到 0.82∽0.83,理论设计电动机空 载功率因数为 0.68,因为用户低压侧还有其它的补偿设备,所以高压配电室显示的功率因数 较高。通过我公司客服人员仔细观察用户高压电动机的生产运行状况，每小时的生产运行中 电动机约有半小时处于空载状态，半小时为满负载运行。针对用户的这种运行状况和我们确 定的补偿容量做对比分析，从补偿角度而言，若用户电动机空载工作时间较少，则基本满足 用户的需求，补偿容量是理想的，但由于用户高压电动机相对空载运行时间较长，而空载时 的功率因数较低，所以可对原补偿容量做适当修正，以提高轻载时的功率因数。因补偿装置 是电动机启动后延时投入电容器组的，电动机停机电容器组随即切除，未并联固定在电动机 线圈侧，所以可以避免发生由于固定并联在电机线圈上产生自励磁现象，因此可适当增加空 载补偿容量。以电动机空载功率因数补偿到 0.99 计算,补偿容量为 711.5kvar,以此确定补 偿容量,在电动机满负载运行时计算功率因数为 0.96,所以在原确定容量基础上再增加 80kvar,则可以最大限度降低电动机空载的无功损耗,使空载功率因数得以提高，用户的经济 效益也能得到更大提高。 3.1 补偿效果 最终用户补偿容量确定: YR710 电动机空载补偿容量 270kvar; YR1000 电动机空载补偿 容量 400kvar。用户高压补偿设备投运后，经我公司客服人员及用户代表现场数据测试，电 动机满负荷工作时功率因数可达到 0.93∽0.94,最高到 0.95，满足用户提出的无功功率补偿 要求。 4.经济效益分析 我公司对用户高压电动机进行无功补偿后，不仅可以降低配变用电设备的损耗，而且使 高压配电电流减少，现场测量数据表明，补偿前平均电流为 42A，补偿后降低为 8A，线损率 大大降低，同时主变铜损及上一级输电线路的导线损失降低。采用无功补偿经济当量来计算 无功补偿后的经济效益，它的物理意义是安装 1kvar 的补偿电容器，相当于有功损耗降低多 少千瓦。我公司的补偿装置安装于用户高压侧端，无功经济当量查有关手册可取 0.06。用 户高压电动机总安装补偿容量为 670kvar，经计算每年可减少电量损失 17.4 万 kW·h，每 kW·h 购电单价按 0.5 元计算,每年可有 8.7 万元的收益。 无功补偿设备本身的经济效益分析： 安装无功补偿设备后，设备本身损耗的电量可按下式计算： A=QC*tgФ 式中 QC 电容器容量 kvar tgФ：电容器介质损耗角的正切值(取 0.05%) 补偿装置本身损耗以 300W 计算: 补偿设备按照每天投运 8 小时计算: 设备年耗电量为:0.3*24*365=2628kW·h 电容器损耗:670*0.05%*8*365=978.2kW·h