Коэффициент мощности двигателя: определение, расчет и как на него влияют сердечники двигателя

Что на самом деле измеряет коэффициент мощности двигателя

Когда трехфазный двигатель потребляет 75 кВт активной мощности при напряжении 400 В, ток в сети зависит от его коэффициента мощности. При 0,85 ПФ этот ток составляет около 127 А. При 0,80 ПФ для тех же 75 кВт требуется 135 А — на шесть процентов больше тока без дополнительной мощности на валу . Отношение этой разницы: реальная мощность в киловаттах к полной мощности в киловольт-амперах и есть коэффициент мощности двигателя. Для двигателя переменного тока он равен cos φ, косинусу фазового угла между напряжением и током.

Двигатели всегда работают с коэффициентом мощности ниже 1, поскольку им необходим ток намагничивания для создания магнитного поля в сердечниках статора и ротора, прежде чем можно будет создать крутящий момент. Этот реактивный компонент не совершает механической работы, но проходит через обмотки, питающие кабели и входные трансформаторы. Это неизбежная часть работы асинхронного двигателя, но на нее также влияют конструкция и материалы.

Как рассчитать коэффициент мощности двигателя

Расчет прост: PF = активная мощность (кВт) / полная мощность (кВА) . Для трехфазного двигателя полная мощность равна S = 1,732 × V × I/1000, где V — линейное напряжение, а I — линейный ток.

Используя приведенный выше пример, двигатель, потребляющий ток 135 А при напряжении 400 В, имеет полную мощность 1,732 × 400 × 135/1000 = 93,5 кВА. При измеренной активной мощности 75 кВт его коэффициент мощности составляет 75/93,5 = 0.80 . Если бы та же самая машина могла выдерживать 0,90 ПФ, ток при той же активной мощности упадет примерно до 120 А.

Три величины образуют прямоугольный треугольник: S² = P² Q². Реактивная мощность Q — это часть, которую двигатель тратит на намагничивание своей магнитной цепи. При частичной нагрузке активная мощность падает быстрее, чем ток намагничивания, поэтому коэффициент мощности резко падает. Двигатель с номинальным коэффициентом мощности 0,86 может легко измерить коэффициент мощности 0,55–0,65 при половинной нагрузке.

Типичные значения коэффициента мощности двигателя

Паспортная табличка PF соответствует значению полной нагрузки. Измерения на месте отражают фактическую рабочую нагрузку, поэтому реальные цифры часто ниже. В таблице ниже приведены ориентировочные диапазоны полной нагрузки для стандартных низковольтных трехфазных асинхронных двигателей.

При выборе двигателей имеют значение два шаблона. Во-первых, более крупные двигатели достигают более высокого коэффициента мощности, поскольку ток намагничивания и постоянные потери составляют меньшую долю от общей потребляемой мощности. Во-вторых, более медленные машины — 6-полюсные и 8-полюсные — развивают более низкий коэффициент мощности, чем сопоставимые 2-полюсные или 4-полюсные двигатели, поскольку дополнительные полюса требуют большего количества намагничивающих ампер-витков. Та же логика применима и к увеличению мощности: двигатель мощностью 75 кВт, работающий при мощности 20 кВт, показывает гораздо меньший коэффициент мощности, чем двигатель мощностью 22 кВт правильного размера, выполняющий ту же работу.

Как сердечник двигателя влияет на коэффициент мощности

Коэффициент мощности не определяется только обмоткой. Наибольшее влияние на реактивный ток оказывает магнитная цепь двигателя — сердечники статора и ротора. Материал сердечника, толщина ламинации и метод сборки определяют, какой ток намагничивания должна подавать обмотка и сколько энергии теряет при этом железо. Более пристальный взгляд на строение ядра двигателя делает связь ясной.

Марка кремниевой стали и потери в сердечнике

Марка электротехнической стали определяет как проницаемость, так и потери в сердечнике. Более высокий сорт кремниевая сталь без текстуры (NGO) уменьшает гистерезис и потери на вихревые токи в статоре и роторе. Меньшие потери в железе означают, что меньший входной ток потребляется токами намагничивания и потерь, что обеспечивает более высокий коэффициент мощности под нагрузкой. Выбор материала оказывает прямое и измеримое влияние на реактивную мощность, потребляемую двигателем.

Поставщики кремниевой стали из высококачественной незернистой (NGO) стали, Компания - Уси New Являясь поставщиком и компанией высококачественной незернисто-ориентированной кремниевой стали (НПО) в Китае, компания New Ruichi/Cailiang предлагает оптовую продажу высококачественной незернисто... Посмотреть продукт →

Толщина ламината и изоляция

Сердечники двигателей штампуются из листов электротехнической стали толщиной обычно 0,35–0,50 мм. Более тонкие пластины уменьшают вихревые токи, но повышают стоимость обработки. Изоляционное покрытие между пластинами имеет не меньшее значение: если соседние листы соприкасаются, возникают циркулирующие токи и возрастают потери. Вот почему Пластины статора и ротора двигателя переменного тока требуют контролируемого нанесения покрытия, точной штамповки и строгого контроля заусенцев на протяжении всего производственного цикла.

Поставщики пластин статора и ротора двигателя переменного тока, Компания - Wuxi New Ruichi Techn Являясь поставщиком и компанией по производству пластин статора и ротора двигателя переменного тока в Китае, компания New Ruichi/Cailiang предлагает оптовую продажу статора и ротора двигателя переменного тока... Посмотреть продукт →

Метод основной сборки

То, как ламинаты превращаются в готовую стопку, меняет магнитный путь. Блокированные сердечники экономичны и стабильны по размерам, но каждая функция блокировки создает локализованное напряжение и некоторое электрическое замыкание между слоями. Сварные сердечники механически прочны, однако каждый сварной валик представляет собой потенциальный проводящий мостик через стопку пластин, поэтому положение и длину сварного шва необходимо строго контролировать. Когда эти детали контролируются, Ламинированные сердечники, сваренные лазером/TIG сохранить изоляцию слоев и снизить потери. Разница в производительности настолько велика, что многие производители двигателей теперь покупают готовые сборки сердечников двигателя вместо рыхлых ламинатов.

Поставщики ламинированных сердечников, сваренных лазером/TIG, Компания - Wuxi New Ruichi Technology Являясь поставщиком и компанией из Китая, компания New Ruichi/Cailiang предлагает оптовые поставки ламинированных сердечников, сваренных лазером/TIG, на... Посмотреть продукт →

Почему двигатель с низким коэффициентом мощности стоит больше, чем вы думаете

Низкий коэффициент мощности не снижает механическую мощность, но увеличивает все затраты, связанные с выдачей тех же киловатт:

• Более высокий линейный ток, поэтому кабели, выключатели и трансформаторы должны иметь слишком большие размеры.
• Большие потери I²R в каждом последовательном элементе между счетчиком электроэнергии и двигателем.
• Большие падения напряжения, которые снижают крутящий момент двигателя и увеличивают скольжение.
• Плата за коммунальные услуги или штрафы PF, обычно срабатывают ниже 0,90 или 0,95.

Арифметику легко проверить. Нагрузка 75 кВт при напряжении 400 В потребляет около 127 А при коэффициенте мощности 0,85. При 0,80 PF ток достигает 135 А, что примерно на 6% выше; при 0,70 ПФ он достигает 155 А, около на 22% выше . Этот дополнительный ток нагревает кабели и обмотки, вызывает падение напряжения и приводит к снижению номинальных характеристик вышестоящего оборудования. Та же нагрузка, улучшенная с 0,85 PF до 0,95 PF, снижает полную потребляемую мощность с 88 кВА до 79 кВА. скидка 10% в количестве счетов многие коммунальные предприятия используют для коммерческих и промышленных счетов.

Варианты и ограничения коррекции коэффициента мощности

Конденсаторы являются стандартным корректирующим устройством. Они подают опережающую реактивную мощность, которая компенсирует запаздывающий ток намагничивания двигателя, и их можно устанавливать на клеммах двигателя, на распределительном щите или централизованно на подстанции. Правильный уровень зависит от того, где создается реактивный спрос.

Частотно-регулируемые приводы (ЧРП) меняют картину. Цепь постоянного тока внутри привода обеспечивает внутреннюю реактивную энергию, поэтому коэффициент мощности на стороне сети двигателя с ЧРП обычно превышает 0,95, даже если сам двигатель работает с низким коэффициентом мощности. Для двигателей с фиксированной скоростью подбор конденсатора требует осторожности. Чрезмерная коррекция опережающего коэффициента мощности повышает напряжение на клеммах и приводит к переходным процессам переключения, неправильной работе реле и отказам конденсаторов. Цель коррекции в районе 0,92–0,95 обычно безопаснее, чем попытка достичь единицы.

Гармоники добавляют еще одно ограничение. ЧРП и другие нелинейные нагрузки создают искажения коэффициента мощности, которые конденсаторы не могут исправить. В некоторых случаях батареи конденсаторов резонируют с индуктивностью трансформатора на гармонических частотах и ​​усиливают искажения, а не уменьшают их. Базовое измерение качества электроэнергии предотвращает наиболее распространенные ошибки.

Коррекция глюкометра устраняет симптом, а не причину. Двигатель, сердечник которого несет большие потери или чрезмерный ток намагничивания, продолжает потреблять реактивный ток независимо от установленной емкости. Изменение основного материала и метода сборки на этапе проектирования или реконструкции снижает реактивный спрос у его источника. Вот почему OEM-производители и авторемонтные мастерские оценивают производственные возможности своего основного поставщика как часть картины эффективности.

Что следует проверить покупателям и дизайнерам

Прежде чем добавлять конденсаторы, измерьте рабочий коэффициент мощности при реальной нагрузке, а не доверяйте паспортной табличке. Запишите напряжение и ток, оцените нагрузку на вал и сравните результат с поведением двигателя при полной нагрузке. Это упражнение часто выявляет такие проблемы, как слишком большой размер сердечников или сердечники с высокими потерями, которые в противном случае скрывали бы конденсаторы.

• Подтвердите рабочий коэффициент мощности при фактической нагрузке; Значения, указанные на паспортной табличке, являются значениями при полной нагрузке.
• Запросите марку кремнистой стали и толщину пластин, указанную для сердечника.
• Выберите метод сборки сердечника — клеевое соединение, блокировка или лазерная/TIG-сварка — в зависимости от целевого КПД двигателя и коэффициента мощности.
• Подберите размер двигателя в соответствии с режимом работы. Двигатель увеличенной мощности, работающий с небольшой нагрузкой, имеет низкий коэффициент мощности и низкий КПД на протяжении всего срока службы.

Коэффициент мощности двигателя – это больше, чем просто деталь счета. Он отражает, насколько эффективно магнитная цепь двигателя преобразует входящий ток в крутящий момент. Когда сердечник изготовлен из подходящей марки кремнистой стали, толщины пластин и процесса сборки, двигателю просто требуется меньший реактивный ток. Эту разницу можно измерить в счетчике — и она начинается на производственной линии основного поставщика.