【word】 同步电动机励磁电流计算与用电系统功率因数提高

【word】 同步电动机励磁电流计算与用电系统功率因数提高 同步电动机励磁电流计算与用电系统功率 因数提高 第28卷第1期 2011年1月 河北工业科技 HebeiJournalofIndustrialScienceandTechnology VO1.28,No.1 Jan.2011 文章编号:1008—1534(201])0]一0026一o 同步电动机励磁电流计算与用电系统功率因数提高 赵利 (山西大同大学电气工程系,山西大同037003) 摘要:同步电动机励磁电流大小分析计算是同步电动机运行中非常重要的一个问题.首先对控 制调节励磁电流的必要性和可能性进行详实说明,然后巧妙利用同步电动机和直流电动机的共性 问题,得出同步电动机励磁电流的计算方法.励磁电流的初步求得,不仅可以改善供电系统性能, 也为用户正确,有效使用同步电动机提供理论依据,对企业降低经营成本,节能降耗具有重要的现 实意义. 关键词:功率因数;同步电动机;励磁电流;计算;低碳经济 中图分类号:TM341文献标志码:A 1一’’’’一’匕xcitationCurrentcalculationOtsvnchronousmotors andpowerfactorimprovement0fpowersystem ZHA0Li (DepartmentofElectricalEngineering,ShanxiDatongUniversity,DatongShanxi037003,China) Abstract:ItisaveryimportantissuetOcalculatefieldexcitingcurrentforsynchronousmotors.Thenecessityandpossibility toaaiustexcitingcurrentisintroducedindetail,thenthemethodisputforwardtOcalculateexcitingcurrentaccordingtOthe sharedpropertyofDCmotorsandsynchronousmotors.Withexcitingcurrentobtained,wecannotonlyimprovetheperform— anceofpowersystem,butalsoprovideatheoreticalbasisforuserstousesynchronousmotorscorrectlyandeffectively.Italso hasimportantpraeticalsignificanceforenterprisestOreduceoperatingcostsandenergyconsumption. Keywords:powerfactor;synchronousmotors;excitingcurrent;calculation;low—carboneconomy 生产中大量使用异步电动机等设备,这些设备 都是感性负载,一般情况下用户负载的功率因数实 际上达不到规定要求,因此一般厂矿企业采用在负 载上并联电容器的方法进行无功补偿,使总的功率 因数达到规定要求.现在许多企业如煤矿企业大量 使用同步电动机拖动各种机械负载,而同步电动机 的功率因数是可调的,若使其COS<0,且大小合 适,当异步电动机和同步电动机共用同一台变压器 供电时,既可省去感性负载时为提高功率因数并联 的电容器,又可使整个供电系统的功率因数提高,既 收稿日期:2010—04—28 责任编辑:冯民 作者简介:赵利(1968一),男,山西天镇人,副教授,硕士,主要 从事电力拖动自动控制系统方面的教学和科研工作 节约了成本又改善了供电系统的性能,这在大力倡 导低碳经济的今天,无疑具有重要的现实意义[】]. 笔者要解决的问题是在异步电动机和同步电动 机共用同一台变压器供电的情况下,给出同步电动 机的COS9<0时励磁电流的求解方法,并且使整个 供电系统的功率因数符合要求. 1系统功率因数的提高对同步电动机功率 因数角的要求 异步电动机是电感性负载,即电压超前电流,其 功率因数COS>O,用R,L等效表示.为使电路 的功率因数提高,通过调节励磁电流使同步电动机 呈容性,即使其功率因数COS<O,用R,C等效表 第1期赵利同步电动机励磁电流计算与用电系统功率因数提高27 示.异步电动机和同步电动机共用同一台变压器供 电的单相等效电路如图1所示. C 图1异步电动机和同步电动机其用 电源时单相等效电路 Fig.1Equivalentcircuitofinductionmotorsand synchronousmotorssharingthesamepower 电路的相量图如图2所示.为了将功率因数从 COS提高到要求的COS,同步电动机功率因数 COS需满足下列条件 12sin一11sin1一Jsin.(1) . 图2电路的相量图 Fig.2Phasordiagramofcircuit 将异步电动机功率P.=UI.COS,同步电动机 功率P2一UI2COS,电路的总功率P—UICOS,代 人式(1)得 P2tan一P1tanl—Ptan.(2) 在额定运行状态下,异步电动机,同步电动机拖 动的有功负载不变,所以P,P.,P为常数.通过式 (2)可确定总的功率因数达到规定要求时同步电动 机的功率因数角:. 2同步电动机功率因数调节 同步电动机按结构形式分,有适用于小型同步 电动机的旋转电枢式,大容量高速同步电动机采用 的气隙均匀的圆柱形转子的隐极式旋转磁极结构和 一 般同步电动机采用的气隙不均匀的转子上装有凸 出的磁极的凸极式旋转磁极结构.为便于理解,下 面采用隐极式旋转磁极同步电动机进行分析,所得 结论亦完全适用于其他形式同步电动机[3]. 接在电网上运行的负载类型很多,多数负载除 了消耗有功功率外,还要消耗电感性无功功率,如接 在电网上运行的异步电动机,变压器,电抗器等.所 以电网除了供应有功功率外,还要供应大量滞后性 的无功功率.一般情况下,只要同步电动机的额定 电压和频率与电网电压和频率相同时,即可与异步 电动机等感性负载并接,由同一电网供电.另外,假 设在某一个局部供电系统运行中,保持拖动负载转 矩不变子电流,为隐极式旋转磁极同步 电动机的同步电抗. sin如常数1 2 图3转子直流励磁改变时同步电动机 的相量图 Fig.3Synchronousmotorphasordiagramof rotorDCfieldchanging 从图3中可看出,当改变励磁电流时,同步电动 机功率因数变化的规律如下. 1)如果在某一励磁电流j,1时,j正好与平 行,此时无功功率为零,电动机只从电网吸收有功功 第28卷 率,电动机正常励磁,功率因数为1. 2)如将励磁电流减少到?则沿”sin一 常数1”的直线下移到E..,j,沿”ICOS一常数2” 的直线右移至j,j.落后于(,,电动机处于欠励状 态,同步电动机除了从电网吸收有功功率外,还要从 电网吸收落后的无功功率.这种情况下运行的同步 电动机等效为电阻电感负载,其功率因数COS>o. 3)如果增加励磁电流到j,则Eo将沿”sin= 常数l”的直线上移到.,j将沿”jCOS一常数2” 的直线左移至j,,j超前(,,电动机处于过励状 态,同步电动机除了从电网吸收有功功率外,还要从 电网吸收领先的无功功率.这种情况下运行的同步 电动机等效为电阻电容负载,其功率因数COS<O. 从上述分析可知,异步电动机这类落后性无功 功率负载并联接上处于过励状态的同步电动机,对 改善电网的功率因数有很大好处. 3同步电动机励磁电流的求取 3.1定子绕组感应电动势 由式(2)可求得总的功率因数达到规定要求时 同步电动机的功率因数角z,即图3中的,将图3 中同步电动机处于领先状态(即定子电流J,领先己, 角)的相量图单独画出,如图4所示.这里为前后 符号一致,将相量图3中领先性情况下的量J, 分别用图2中表示同步电动机的量,z表示?J. 图4同步电动机处于领先状态的相量图 Fig.4Leadingstatephasordiagramofsynchronousmotor 由图4很容易求得励磁电流J,在定子绕组里 感应电动势E.的大小,即 Eo:~/(Usin+21).+(Ucos2)..(3) 式中:为隐极式同步电动机的同步电抗;j. 为同步电动机的定子电流. 3.2励磁磁通 同步电动机转子的绕组里通人式(3) 求得;N忌为每相定子绕组的基波有效匝数;fl为 定子绕组感应电动势的频率,_厂l—Pll1,7z为同步 转速. 由式(4)结合式(3)可求得同步电动机励磁电流 产生的每极磁通(po. 3.3励磁电流J, 在转子励磁绕组通以直流电流后,气隙中出现 一 个大小和极性固定,极数与定子旋转磁场相同的 转子磁场.同步电动机励磁电流j,在定子绕组产 生感应电动势它.,这同直流电动机励磁电流在电枢 绕组里感应电动势情形极为相似,只不过直流电动 机的励磁绕组是静止的,电枢绕组(即转子绕组)是. 旋转的;而同步电动机的励磁绕组是旋转的,电枢绕 组(即定子绕组)是静止的.无论哪一种情形,实质 是一样的,其结果都是旋转磁通势在电枢绕组 感应电动势亡.. 因此,求同步电动机励磁电流就等效于直流电 机励磁电流的求法. 图5是一台四极直流电机空载(即只有励磁电 流)时的主磁场示意图.当励磁绕组通以直流励磁 电流J,时,每极磁通势为L2 Fo—NrJ,.(5) 1一定子磁轭;2励磁绕组;3一气隙;4一电枢齿 5一电枢磁轭;6一极靴;7一极身 图四极直流电机的磁路与空载主磁场示意图 Fig.5Schematicdiagramofmagneticcircuitandno-load mainfieldoffour—poleDCmotor .:?, 第l期赵利同步电动机励磁电流计算与用电系统功率因数提高29 式(5)中N,为每极上励磁绕组的总匝数. 由图5可见,四极电机共有4条主磁路,磁路之 间相互并联.每一主磁路由5部分组成:主磁极, 定,转子之间的气隙,电枢齿,电枢磁轭,定子磁轭. 考虑到包围主磁路的总磁势(安匝数)为2NrJ,一 2F0,由安培环路定理得 2N,J,一2H+2HZ+HZ十2HZ,十H,. (6) 式中:H,H,H,H,H,分别为气隙,电枢 齿,电枢铁心,主磁极铁心和定子磁轭各段的平均磁 场强度;,,Z,z,Z,分别为气隙,电枢齿,电枢铁 心,主磁极铁心和定子磁轭各段的平均计算长度. 为了简化计算,忽略铁心饱和,且铁心的磁导率 远远大于气隙的磁导率.,即不考虑铁心磁阻的影 响,于是式(6)可简化为 2NfIf?2H.() 又由于 一 Bir—H0lr,(8) 式中:B为气隙磁密的平均值;z为转子铁心的长 度;r为定子内表面用长度表示的极距. 联立求解式(7),式(8),消去H,可得 N一.o(9) 根据式(9)即可求得励磁电流,其中可由式 (4)求得. 4结语 在一个厂矿企业里,有一台或几台大容量设备 (如水泵,矿井提升机)采用同步电动机,就足以改善 全厂的功率因数,其原因是同步电动机的功率因数 可以通过控制励磁电流来调节.笔者详细推导了为 使整个供电系统的功率因数符合要求,同步电动机 和感性负载并联使用时励磁电流的计算方法.最后 需要指出的是:励磁电流J,的求取是建立在下列2 个前提条件之下:1)和同步电动机并联的感性负载 的功率,功率因数是已知的,关于这一点完全可以通 过各感性负载的铭牌数据的额定值求得;2)该供电 系统所带的负载基本恒定,这一点在许多企业也能 得到满足.这样,就可以逐一利用式(2),式(3), 式(4),式(9)求得励磁电流J,. 同步电动机励磁电流大小计算,历来是同步电 动机运行中用户十分关心的重要问题之一.励磁电 流的初步求得,不但可以降低企业经营成本,节能降 耗,还可以避免实际操作中的盲目性,为整个供电系 统的经济,有效运行提供有力的理论依据. 参考文献: [1]李发海,王岩.电机与拖动基础EM3.第2版.北京:清华大学 出版社,2003. [2]刘锦波,张承慧.电机与拖动[M].北京:清华大学出版社, 2006. [3]张玉梅.采用最佳励磁电流控制,降低同步电动机空载损耗 [j].有色冶金节能,2004,24(1):12—13. [43傅自清,李俭君.同步电Fig.4InterfaceandresLlltofplasticsdieSteelselection basedOilplasticproductcategory 5结语 在遵循实用,可扩充的原则下,采用B/S模式 开发了一套既能够方便快速选材,又能科学管理模 具材料信息的基于web的数据库管理系统.本系 统界面友好,操作简单,查询直观准确,并便于维护, 易于扩充,具有较强的实用性.本系统的应用有助 于合理选择模具材料,在满足使用要求的前提下,尽 可能降低模具的材料及制造成本. 参考文献: [1]樊胜.C/S与B/S的结构比较及Web数据库的访问方式 口].情报科学,2001,19(4):443—445. [z]赵昌盛.实用模具材料应用手册[M].北京;机械工业出版社, 2005.