讲清楚,异步电机的无功电流和功率因数
电机技术随笔 2023-04-10

首先找了一份某单位的试验报告,为了增加普遍性,选了5个型号,功率从3kW~200kW,极数覆盖2、4、6极,并计算了无功电流,见下表。

这个表有些简陋,实际上应该根据空载时的视在功率减去空载功率,算出空载电流的无功分量,再和负载时的无功电流比较。不过在悬殊较大的数据面前,不用那么准确了,我们就认为空载电流全部是无功电流吧。可以看出,额定负载时的无功电流(也可以说无功功率)是空载时的1.15~2倍。

接下来说为什么。其实就是一句话:空载电流的无功分量是激磁电流Im,而负载电流的无功分量除了Im,还有转子电流的无功分量Ix。空载和负载时Im变化很小,不影响我们的结论。

进一步解释,因为笼型转子绕组短接,端电压为0,所以感应电动势E2等于电阻(除以转差率s)与漏抗的压降之和。转子电阻对应电机输出的有功功率(含转子铜耗),而转子漏抗对应的就是(增加的)无功功率了。

以上,用异步电机的相量图看很直观。

空载时,相量图没有转子部分。因为定子电流小了很多,电压U1和-E1的角度会小一些,请各位读者自行脑补,有兴趣的话可以画一画。


既然说到了激磁电流,我们时隔两年再来讨论一下,为什么极数多的电机功率因数低。既然是比较,默认的前提条件是功率相等、电磁负荷相当、电压频率一致。由前提条件可以推出各位都嫌弃的废话:极数多的电机转速低,转矩大,所以它的有效体积大。体积大就意味着包括气隙在内的磁压降、磁阻更大,所以激磁电抗小,激磁电流大。有功功率相同时,激磁电流大导致功率因数低。实际上我们可以认为每极下的磁压降是相当的,极数越多需要的激磁电流就越大。

另外一个角度,电机体积越大,通常气隙的体积也越大,需要的磁场储能就越大,导致激磁电流大。这也是为什么极数多的电机需要减小气隙的原因。

最后说一说功率因数低的影响。前面的文章交代过,功率因数与电机的效率没有直接的关系,也就是说电机本身是否节能与功率因数无关。但是,电机产生的无功功率会引起电网的有功功率损耗,这里有个术语叫无功经济当量,即电机运行时每1kvar无功功率引起的电网有功功率损耗。无功经济当量的大小与电机到电网的变压次数有关,通常在0.02~0.1之间。数字越大说明电网损耗越大,即电机系统的综合功率损耗越大。具体计算可参考“GB/T 12497-2006 三相异步电动机经济运行”,这里不啰嗦了。

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