電動機無功功率就地補償節能技術及其應用
陳偉基(澳門大學科技學院)
THE DECENTRALIZED COMPENSATION FOR INDUCTION MOTORS (DCIM)IS A SIMPLE AND EFFICIENT METHOD FOR THE ELECTRICAL ENERGY SAVING.THE POWER FACTOR CAN BE IMPROVED, THE ELECTRICAL ENERGY CONSUMPTION AND THE LINE LOSSES CAN BE REDUCED, AND THE UTILITES OF ELECTRICAL EQUIPMENT CAN BE INCREASED BY USING THE METHOD. THE PAYBACK PERIOD FOR THE COMPENSATION EQUIPMENT IS LESS THAN ONE YEAR.THE DEVELOPMENT OF COMPENSATION METHODS FOR THE INDUCTION MOTORS TENDS TO TRANSFER FROM CENTRALIZED TO DECENTRALIZED. THE METHOD (DCIM) IS ALSO SUITABLE FOR USE IN THE FACTORIES AND THE HOTELS IN MACAU.
引言
工廠、酒店和企業用電消耗的無功功率中，異步電動機約佔65%。不少電動機負載率很低，經常處在國載或空載運行，功率因素普遍不高。負載率越低，則功率因素越低，顯著浪費電能。因此異步電動機的無功功率補償具有重要意義。異步電動機無功功率就地補償是一種簡易有效的節能方法，採用就地補償可以提高功率因素、節約電能、減少運行費用、提高電能質量以及增加用電設備的利用率。本文將介紹異步電動機無功功率地就地補償方法的分析、設計、效益、案例分析和結論。
異步電動機無功功率就地補償的分析
多數電動機在滿負荷時運行效率最高，但是在實際運行中，電動機很少滿負荷工作。負載與電動機功率因素和效率的關係見表1：
從表1可得出，電動機的功率因素隨負載降低而下降。功率因素是表示有功功率和無功功率之間的關係。一般情况下，電動機從電網得到無功功率或無功電流。電動機消耗的無功電流不僅影響電動機的銅耗，而且影響線路傳送損耗和變壓器損耗。在澳門，如果某工廠功率因素低於0.9，電力公司將會多收該工廠的電費作爲罰款。就地補償是在異步電動機附近設置電容器對異步電動機的無功功率進行補償。這是一種簡單而有效的改善在各種負載情况下電動機功率因素的方法。
1.異步電動機無功功率就地補償原理：
異步雷動機無功功率就地補償等效電路如圖所示：
圖1等效電路
圖1中
I—電動機電流；
— 電動機定子電流；
— 電動機轉子電流；
— 電動機勵磁電流；
— 電動機轉子電流的無功分量；
— 電動機有功電流；
— 電動機定子電流的無功分量；
XC— 補償電容電抗。
電動機電流矢量見圖2所示
2.沒有無功功率補償情况下：
3.有無功功率補償情况下：
設補償電流
等於-
，因而
=
=
＋IX
有補償時，電動機的功率因素爲COS
，即
比較公式(1)和公式(2)，可以得出補償後的功率因素>COS大於沒有補償的功率因素COS
，即
COS>COS
對中國製造的Y型和JO2型系列的電動機，補償後的功率因素可提高到0.97。
異步電動機無功功率就地補償的設計
就地補償的設計目的是選擇補償電容。選擇補償電容的準則是使電動機在空載和滿載情况下都具有較高的功率因素。一般來說，當功率因素等於0.95時，電動機運行在最優狀况。在空載情况下，電容數量是正比於勵磁功率。根據經驗，目前選用補償電容有以下幾種方法：
1.經驗公式A：
在空載情况下，選擇補償容量等於勵磁功率，即
在公式(3)中，QC — 補償電容器容量(KVAR)；
UE — 電綱電壓(V)；
IM — 電動機勵磁電流，見公式(4)，
(瑞典通用電氣公司推薦的公式)；
KB — 補償系數，見表2。
IM=2IE(1—COS
) (4)
在公式(4)中，IE — 電動機的額定電流；
COS — 電動機額定功率因素。
根據公式(3)、公式(4)和表2，應用計算機技術，可以計算出無功功率補償電容的容量。
2.經驗公式B：
在公式(5)中：QC — 電動機補償電容 (KVAR)；
PE — 電動機額定功率 (KW)。
一般來說，選擇QC大約等於PE的三分之一。當電動機額定功率大於300KW時，電動機補償電容應選擇小於三分之一的額定功率。
3.經驗公式C：
當電網電壓和頻率變化時，空載電流的計算値比實際的空載電流大，爲了避免引起自振盪，可以應用經驗公式C：
在公式(6)中，QC — 電動機補償電容容量；
PE — 電動機額定功率；
COS — 電動機額定功率因素；
K — 電網電壓和頻率的變化系數，
一般K=0.76~0.82。
4.日本合理用電委員會提出：當電動機容量在10馬力以下時，就地補償電容器的容量QC以KVAR計的値QC可以大於ì2電動機以馬力計的容量値PE，即QC>ì2PE(HP)；當電動機爲10馬力時，QC=ì2PE (HP)；當電動機容量超過10馬力時，則QC=0.9(ì2)PE(HP)。並提出：低壓就地補償的電容器容量不大於電動機輸入容量；對6KV高壓電動機的就地補償容量QC(KVAR)≤5.7IM，IM爲電動機空載電流，以A計。
5.美國電機電子工程師學會(IEEE)推薦的公式爲：
QC=2.7PE(COS~|O2—COS~|O1)(7)
在公式(7)中，QC — 就地補償電容器容量(KVAR)；
PE — 電動機容量(KW)；
COS~|O1 — 補償前功率因素；
COS~|O2 — 補償後功率因素；
電動機無功功率就地補償效益分析
1.就地補償的主要效益：
(1)補償後，功率因素可達0.95，平均線路損耗可降低20%。
(2)減少了線路的電壓降落，提高了用電的質量。
(3)電氣設備利用率增加了30%。
(4)不需要附加複雜的自動控制裝置。
(5)綜合的電能消耗量降低了10%~22%。
2.經濟效益的評價：
採用電動機無功功率就地補償後，每年平均節電量爲：
δE=KQ QCT (8)
在公式(8)中，δE——年平均節電量 (KWH)；
KQ——無功功率的經濟系數，對低壓線路，選0.06；
QC——補償電容容量 (KVAR)；
T——年運行時間 (HOUR)。
3.設備投資回收周期：
採用就地補償後，簡化的設備投資回收周期如下式計算
A=1.05 KC/(KQQCTKI) (9)
在公式(9)中，A——設備投資回收周期 (YEAR)；
KC——償費用 (DOLLAR/YEAR)；
KI——綜合電費 (DOLLAR/KWH)。
案例分析
澳門某工廠現有202個異步電動機，總容量爲634 KW，異步電動機是該工廠的主要電氣設備。目前正採用無功功率集中補償使該工廠的功率因素從0.82提高到0.9以上，安裝集中補償設備的費用約7000美元。
經過分析硏究，我們建議採用本文討論的電動機無功功率就地補償方法，對13個主要電動機(總容量347 KW)進行無功功率補償，功率因素也可達到0.9以上，安裝就地補償設備費用僅爲700美元，降低到集中補償費用的十分之一，預計設備投資的回收期約爲3個月。
結論
異步電動機無功功率就地補償是一種簡單有效的節能方法，採用該方法補償以後，功率因素可達到0.90以上，綜合電能消耗可以降低22%，設備投資回收周期小於一年。
異步電動機無功功率就地補償與集中補償比較，由於就地補償不需要安裝自動控制器，因此該補償方法的設備費用較集中補償便宜。目前電動機無功功率補償傾向於從採用集中補償轉向採用就地補償或集中與就地混合的補償方法。
通過案例分析說明：異步電動機無功功率就地補償方法適合於澳門各種類型工廠、和企業推廣應用。
參考文獻
CLAUDIA ENGELSKIRCHEN, D.O. (1994),“EFFICIENT USE OF ELECTRICITY IN INDUSTRY”, EUROPEAN COMMISSION DIRECTORATE-GENERAL FOR ENERGY (DGXVII).
CHEANG, K.M.(1994),“ELECTRICAL ENERGY SAVING BY IMPROVING POWER FACTOR IN A FACTORY OF MACAU”, FINAL PROJECT REPORT, UM, MACAU.
HAN, Y.D. (1994),“POWER SYSTEM ENERGY SAVING”, SEMINAR OF ELECTRICAL ENERGY SAVING IN MACAU, MACAU, JUNE.
HAN, B.K., LIM, W.D., WANG, Y. (1993),“APPLICATIONS OF DECENTRALIZED REACITIVE COMPENSATION FOR INDUCTION MOTORS”,PROCEEDINGS OF‘93 CESE CONFERENCE, GUANGZHOU, CHINA,NOVEMBER.
LI Q.M. (1993),“CAPACITY CALCULATION OF DECENTRALIZED REACTIVE COMPENSATION FOR INDUCTION MOTORS”, CHINESE J. ELECTRICAL WORLD,VOL.9.
YANG, G. T. ET AL. (1993),“ENERGY SAVING EQUIPMENT OF DECENTRALIZED REACTIVE COMPENSATION”, PROCEEDINGS OF‘93 CESE CONFERENCE, GUANGZHOU, CHINA, NOVEMBER.
ZHOU, L. G., ZHANG, L.Z., CHEN, W.J. (1995),“ELECTRICAL ENERGY SAVING IN MACAU”, MACAU CONFERENCE ON INDUSTRIAL CO-OPERATION WITH THE CHINESE REGION IN THE ELECTRITY SECTOR, EUROPEAN COMMISSION,MACAU, MARCH.
