如何提高烘箱用电负荷的功率因数

功率因数,直接关系到输电线路的效率,关系到负载的经济运行,常用的方法很多,但在特定的现场,最佳的只能一种,怎么把它找出来,阅后便知.

如何提高烘箱用电负荷的功率因数

风机类负载在工矿企业中应用面广，用电量多的特点。如果风机与其配套的电动机不匹配的话，那么它们就工作在非经济运行状态。在此状态下，电机运行效率低，损耗大；线路功率因数低，需要大容量电容器补偿；电机及其线路中的空气开关、接触器、热继电器等低压电器故障率高。为此国家在95年就颁布了国家强制性标准：《三相异步电动机的经济运行》（GB12497-1995），2006年又做了修订。在我分厂，烘箱在运行中远远没有达到标准中的“经济运行”，甚至达不到允许使用范围，处于“非经济运行”状态。在此状态下，电机的功率因数很低，只有0.5左右，经电容补偿后，也就补偿到0.7，远远达不到0.95的要求。由于烘箱的数量多，功率大，运行时间长，所以提高其功率因数具有重要的意义。那么如何提高其功率因数呢？

理论依据：

对于交流异步电机，电机要得到足够的功率，必须要有足够的励磁电流。励磁电流是由电压决定的，它不会因负载的减小而减小，电机负载很小时较小的励磁电流就足以满足负载的需要，那么电机就没必要施加太大的励磁电流，也就是没必要施加太大的电压。如果电机在轻载的情况下, 还是施加额定的电压,那么由于有功电流很小, 而无功电流不变、激磁损耗铁耗不变, 因此, 功率因数就很低。如果降低了电压,有功电流基本不变,由于励磁的非线性特性, 无功电流比电压调整率降低得更快。因此, 适当降低定子电压以后, 功率因数有所提高。

另外,定子电压降低，则电动机的电动势和磁通随之减小。同时，因这时随电压平方而变化的电机转矩小于负载转矩，使电机的转差率增加，直到电机的转矩与负载转矩相平衡为止。转差率的增加引起转子电流增加，且使转子电流与定子电压间的相角也要增大。因而，当电压降低时，虽电动机的无载电流会减小，可是等于转子电流与无载电流几何的定子电流，随着电压降低程度和负载的不同，可能增加或减少。

在轻载运行时，转子电流远远没有达到额定值，在降低电压运行时，不仅不会超过允许值，而且增加的数值并不多；而另一方面却由于电压的降低，空载电流和铁耗均随之减低，所以这时的定子电流比正常电压时的值，不仅不会增加，可能还会降低。在这种情况下，电动机的总损耗就可降低，效率可以提高，同时功率因数得到改善。当然，如果电压下降得太多，就有可能使转子电流超过额定值，定子电流不再下降，反而上升，严重时电机还会堵转。

有关数据：

电动机（两台排湿风机及其它非连续运行电机折算成一台5.5KW的电机）：

额定功率：P0 = 16×5.5KW = 88KW，

运行功率：P1 = 16×2.2KW = 35.2KW，

额定电流：I0 = 16×11.8 = 189A，

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运行电流：I1 = 16×7.0A = 112A，

额定功率因数：cosφ0 = 0.83，

运行功率因数：cosφ1 = 0.45

额定效率：η= 87%

额定转速：n0 = 1440 rpm

运行转速：n1 = 1482 rpm

P = 1.732*U*I*COS*η= Q*COS*η

电容器：

额定容量： Q0 = 25 Kvar/525V

运行容量： Q1 = 14.5Kvar/400V，折算到每个烘箱，每个电容器：

Q0 = 14.5/4 = 3.625 Kvar

实验数据：

计算数据：以1#烘箱为例：

供电电压：U1 = 400VAC

运行电流：I1 = 112A，折合每台电机7.0A

有功功率：P1 = 35.2KW，折合每台电机2.2KW

视在功率：S1 = √3×U×I = 77.6KVA，折合每台电机4.85KVA 无功功率：Q1 = √S12-P12 = 69.2Kvar, 折合每台电机4.3 Kvar 功率因数：

无电容补偿时：cosφ0 = P/S = 0.45

投入6只电容器时：6021.76 1239.094

Q6 = QL-QC = 69.2-6×3.625 = 47.45 Kvar

cosφ = P/√P2+ Q62 = 35.2/√35.22+47.452 = 0.60

投入10只电容器时:

Q10 = QL-10×QC/4 = 63.6-10×3.625 = 27.4 Kvar

cosφ = P/√P2+ Q102 = 42.0/√42.02+27.42 = 0.84

投入14只电容器时, 功率因数才能达到0.95。

从以上的数据可以看出，烘的功率因数之所以那么低，是由于电机的装机功率大，使用功率小（也就是“大马拉小车”）；有功功率小，无功功率大（比有功功大56%）。

提高功率因数的方法：

提高功率因数，在这里，其实就是降低无功功率的份量。

一． 变频器改变压频比法：通过改变压频比曲线，使变频器在不同速度、不同负荷下都使输出功率容量与负载的功率动态地匹配，这样，即保证了负载所需的有功功率，又减少了无功功率，从而提高功率因数。此法广泛适用于各种变速变

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负荷的场所。

那么如何来确定合适的压频比呢?

通过实验测试，得到电机电压与其电流、功率、

转速、功率因数的曲线图，如图所示。

从图中可以看出：

1. 电压从400V下降时，电机电流和输入功率(包

括机械功率和损耗功率)快速下降，功率因数

快速上升，而而转速基本保持不变。这证明电

机的无功功率和损耗功率在快速下降；

2. 下降到330V后，输入功率不再下降，而功率

因数还会继续上升，直到下降到270V。这证

明，这时的压频比还能基本维持电机的磁通需

要。

3. 电压小于270V时，电流发生逆转，证明这时虽然电机定子励磁电流下降，但转子电流快速上升，使总电流上升。

4. 在整个电压范围内，转速随电压的下降而下降，但下降幅度非常小，这是因为速度主要是由频率决定的。只有当电压下降到电机无法提供足够的电磁转矩时，转速才会明显下降，甚至堵转。

功率因数上升得很缓慢。综合四条曲线，得到最佳电压为300V

左右。

那么我们如何来确定合适的电压呢？

方法一：最小电流法。电机的铜损正比于电机电流，电流最小时，铜损最小。通过实验，测绘电压-电流曲线，这样很容易就能找到最小电流点的压频比，如图红线所示，最小电流对应的电压约为300V。

方法二：最佳功率因数法。在额定功率因数下，

电机的运行效率最高，烘箱电机的额定功率因

数是0.83，按照公式：cosφ=P/（1.732×U×

I×η），得到电压-功率因数曲线，所图中蓝

线所示，功率因数为0.83时对应的电压约为

295V。如右图，电机的额定工作点在A点，

而现在工作在B点，通过降电压到295V，使

工作点从B点下移到C点。C点与B点比较，

功率因数相同，有功功率相同，但无功功率却

小了很多。

方法三：变频器U/F曲线优化法。变频器都有“节能”功能，比如vacon

变频器，

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将变频器U/F比率选用“带磁通优化的线性”，那么运行后，变频器开始搜寻运行频率点的最小电流，经过优化处理，得到的电压为319V。

使用变频器时，对市电而言，功率因数近似为1，所以无需电容补偿，这就省了电容柜，如果按功率因数补偿到0.95来算的话，省了两个电容柜； 使用变频器时，可以进行调速，可以满足工艺生产的不同要求；

使用变频器后，实际功率应该比现在的35KW小一些。变频器的容量为45KW即可。

二． 可控硅降压法：在恒速变负荷的场所，通过电压、电流反馈，动态地调整可控硅的导通相角，使可控硅在不同负荷下输出功率容量与负载的功率匹配。市面上的电动机节电器很多都是使用此法。当然，市面上的节电器不只是降压，它还有软软启动功能，能根据负载变化来自动调节电压，能克服供电电压波动的影响，还有过流、缺相、漏电等保护的功能。此节电器在电源电压不稳定、轻载而且变负载变的情况下有着非常好的效果。

3. 选用合适的电机。象烘箱，我们已知电机的负荷功率为2.2KW，那么我们选用3 ~ 4KW电机就足够了。或者选用7.5KW的风机,电机则选用5.5KW.

三．恒定降压法：假如工况稳定，即电源稳定，负载固定，无需调速，那么使用上述两种无级调速的方法时就大材小用了。象烘箱循环风机，负荷恒定不变，又不需要调速，那么我们只要通过电抗器或自耦变压器，恒定地或分级降低电机电压，从而降低电源供给电机的功率，使电源提供的有功功率与电机的实际负荷基本匹配，而无功功率因电压的降低，同步地减少。此法简单，投入小，几乎没有故障，不像上述两种方法，还得考虑故障时投入直通。

假设我们选用电机电压为310V，那么：

选用电抗器时：

电抗器的压降为（400-300）= 100V，

电流为5.2*16 = 83A，

电抗器的感抗为：L = U/（I*2πf）= 100/（83*2*3.14*50）= 3.84mH。 选用自耦变压器时：

变压器电流 = 83A，

变压器输入电压 = 220V（相电压）

变压器输出电压 = 300*220/400 = 165V（相电压）

变压器功率 = 3UI = 3*220*83 = 55KW

1． 投入6只电容器时，功率因数提高到0.95，那么

0.95 = P/S = 41/412+Q2

Q=13.5

未补偿前

Q=6*3.625+13.5=35.25

P=41

功率因数,直接关系到输电线路的效率,关系到负载的经济运行,常用的方法很多,但在特定的现场,最佳的只能一种,怎么把它找出来,阅后便知.

S=54。1

假设U、I、同步下降K，那么

400*110*1.732=76.2

K2*76.2=54.1

K=0.84

U=400*0.84=336

I=17.3*0.84=6.1

为什么功率因数这么低？

由于循环风机的风路短，阻力小，风机进出进口压差很低，温度很高，空气比重很小（只有常温的75%），电机的负载率不到50%，所以功率因数也就很低。

定子电压下降后,空气隙磁通下降,电磁转矩下降而小于负载转矩,电机转速减小,转差率增加,转子绕组内感应电势值增加,转子电流增大,电磁转矩增加一直到和负载转矩平衡为止.转差率与电压的平方成反比，即：

（x/1500）/ （60/1500）= 3802/3202 = 1.41

X=85

1500-85=1415

节电量的计算：

如果电压从400V降到310V，那么，电机从2.45KW降到2.18KW，下降0.27KW，节电率11%。

疑问一：会不会影响省了电费却多费蒸汽？

电压下降后，电机力矩会下降，转差率上升，所以转速会有所下降。转差率从0.013上升到0.026，上升了一倍多，但电机转速从1480rpm下降到1460rpm左右，只下降了一点点，转速还是比额定值1440rppm高。所以转速还是能达到要求。表面上看，如要达到同样的控制温度，是会多耗蒸汽，但是如果所有的风机都减少了循环风量，现在的余热风阀并没有全开，所以，只能说余热风阀开度比以前会大一点点，再说，只要余热风排空阀不开，那么，余热风的能量还是全部进了烘箱，所以从能量守恒来说，这样并不会多费蒸汽。当然，为了达到与原来的循环热量，风机出风口挡板的开度要适当调大一点点。

如果电机转速下降得比较多，比如，电机频率从50Hz下降到45Hz，也就是转速下降10%，而且就一个烘箱这样，那么，它与其他烘箱共用一个余热风，这样就有可能这个烘箱在余热风阀全开的情况下也得不到足够的余热能量，不足部分的能量只能从蒸汽中获取，这时才会出现多费蒸汽的现象。

疑问二：为什么节量率这么低？

s1/s2 = U22/U12

功率因数,直接关系到输电线路的效率,关系到负载的经济运行,常用的方法很多,但在特定的现场,最佳的只能一种,怎么把它找出来,阅后便知.

按一般的节电产品介绍，像烘箱这么低的负载率下，节电率应该在20%以上。原因是：

1．风机的风量是通过挡板来调节的，并不是通过频率来调节。

2．现用的电机是Y3系列电机，在额定工作点能效达到87%，比一般电机高约3个百分点，在非额定点，高出更多。

在实际中应用中，不管使用变频器还是可控硅或变压器、电抗器，它们自身还要消耗一定的能量，所以实际节电不到11%，特别是变频器，

注：功率因数按cosφ=P/（U×I×η）来计算，其中，η为电机的效率，取其额定值87%。

功率因数,直接关系到输电线路的效率,关系到负载的经济运行,常用的方法很多,但在特定的现场,最佳的只能一种,怎么把它找出来,阅后便知.

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/4xw4.html