电力拖动简介

电力需求侧管理（DSM）讲座四［电力拖动简介］电力拖动是以电动机作为原动机拖动机械做功的一种作业方式，电力拖动又称电气拖动或电力转动。1995年我国用于电力拖动作业的电动机总容量在350〜450GW，其中交流电动机占90%左右，1995〜2000年交流电动机的预期产量达30GW，每年用于电动机的电费开支是电动机造价的10〜20倍，是用电量最大和电费开支最多的终端用电设备，也是需求方管理的一个重点终端设备。一、电力拖动系统和电动机的分类1.电力拖动系统电力拖动系统主要由电动机、传递机构和工作机械等装置组成的机电系统（见图3-2）。电力拖动的任务就是使电动机实现由电能向机械能的转换，完成工作机械启动、运转、调速、制动工艺作业的要求，因此如何选择和运用好电动机是电力拖动节电的中心环节。按供电制式的不同，可分为直流电力拖动和交流电力拖动两种，交流电力拖动节电是本节讨论的重点。控制装置・电动机A传递结构*工作机械图3-2电力拖动系统简图2.电动机的类别电动机的分类方式有多种，按电源使用的种类划分主要有两大类：一类是直流电动机，另一类是交流电动机（见图3-3）。-直流电动机-直流电动机图3-3电动机分类简图直流电动机是依靠直流电源供电运转的电动机，按励磁方式可分为他励和自励两种（见图3-3和图3-4）。他励直流电动机的励磁电流由单独的直流电源供给，励磁绕组与电枢绕组不相连接；自励直流电动机的励磁电流由电机本身供给，励磁绕组与电枢绕组的连接方式，一般分为并励、串励和复励三种。直流电动机的调速性能好，启动、制动、过载转矩大，容易控制是它的突出优点，但它的结构复杂、制造成本高、维护量大，还需配置直流电源，使它的应用受到一定的限制，多用于对启动和调速等性能要求比较高的场所。图3-4直St龟动机Silt方式示意图交流电动机是依靠交流电源供电运转的电动机，与直流电动机相比，它具有结构简单、制造成本低、维护方便、运行效率高、工作可靠等优点，尤其是交流电动机调速技术的快速发展，使它得到了更广泛的应用。交流电动机包括同步电动机和异步电动机两大类。同步电动机运行时的转速与电源的供电频率有严格不变的关系，它恒等于旋转磁场的转速，即电动机与旋转磁场两者的转速保持同步，并由此而得名。同步电动机多应用在中大容量恒速运行或不需要速度调节的生产机械上，它们的单机容量可达数千至数万千瓦。按转子结构的不同，同步电动机可分为两种类型：一种是凸极式，另一种是隐极式（见图3-5）。凸极式比隐极式的构造简单，多极低速同步电动机通常是凸极式的。■里或 凸■式图3「5同步堡动桃结枸示煮图与异步电动机相比，同步电动机最显著的优点是：它可以通过调节转子的直流励磁电流来调整电动机的功率因数，既可在滞后功率因数下运行，亦可在超前功率因数下运行，有利于提高电网的功率因数，改善电网的运行状态。不带机械负载，只向电网提供感性或容性无功功率的同步电动机称为同步调相机或同步补偿机，实际上是无功功率发电机，专门用于调整电网的功率因数，维持电网的电压水平，保持电力系统的稳定运行。异步电动机在运行时的转速总是略低于旋转磁场的转速，即两者转速不能保持同步，故称异步电动机。由于它的转子是通过定子绕组旋转磁场所感生的电流而转动，又称感应电动机。基于转子构造的不同，感应电动机又分为笼型和绕线型两种。笼型是在其转子铁芯中用铜条插入铁芯槽内，再用端环把这些铜条两端短路，就构成了转子绕组，若抽去铁芯其绕组形似一个笼子，故叫笼型绕组（见图3-6），又称鼠笼绕组。小容量的笼型感应电动机的转子绕组不用铜条，而采用铸铝替代铜条和端环（见图3-6）。笼型电动机又称鼠笼电动机。

普通笼型感应电动机的转子是单笼的，为了改善启动特性，利用集肤效应原理设计制造了特殊笼型转子绕组，即深槽和双笼转子（见图3-7）。双笼转子有内外两个笼子，外笼导体有较大的电阻和较小电抗，叫启动绕组，内笼导体有较大的电抗和较小电阻，叫运行绕组。它们与普通单笼感应电动机相比，启动转矩大而启动电流小，效率差不多，但功率因数和过载能力稍有下降，多用于要求重载启动的工作机械上。图3-7符球寰型转子窥组示意图绕线型是在其转子铁芯线槽内嵌入三相对称绕组，它们多接成星形（Y）,将三相绕组的端头分别接在转轴的三个彼此绝缘的集电滑环上，再通过电刷把转子绕组

与外电阻相接，就构成了转子绕组电路（见图3-8），外接电阻是为改善电动机的启动特性或用以调节转速。绕线型与普通笼型相比，它的启动特性好，具有调速特性，但其结构比较复杂，造价相对较高，维护量也较大，多用于要求启动电流小和启动转矩大或需要调速的场合。普通笼型电动机的启动性能差，本身不能调速运行，但它的结构简单、制造方便、可靠性高、价格便宜，且对环境的适应性强和易于维护，得到了最广泛的应用。交流电动机，尤其感应电动机是电力拖动的主力，它是需求方管理在电力拖动领域中的一个重点选择目标。二、感应电动机的运行特性从节能角度看，电动机的运行特性主要有效率、功率因数和转速，它们均是电动机负载率的函数（见图3-9）。电动机负载率电动机的负载率是指其负载功率与额定功率之比。0.25 0.50 0.75 1.0图3・9癌应电动机的运行特性示童图(3-5)式中P——电动机负载率；P——电动机负载功率，kW；PN——电动机额定功率，kW。当。=1时称为额定负载率。如果P指某一时段的平均负载功率，则b称该时段的平均负载率。从效率和功率因数来看，电动机的负载率。=0.75〜0.85范围内为最佳运行工况，当p<0.45时电动机运行工况将急剧恶化，导致了用电的浪费，就是轻载的“大马拉小车”了。电动机效率电动机效率是指其输出功率与输入功率之比。对电动机本身而言，输出功率就是它的有效功率，输入功率就是它的供给功率。电动机的效率有两种：一种是额定效率，它是指额定负载时的效率，又称铭牌效率，一般标注在电动机铭牌上；另一种是运行效率，它是指运行负载时的效率，一般载于产品样本之中。电动机效率可以用正、反平衡两种形式来表述。电动机的额定效率为rw=—(3-6)HF(3-7)式中nN 电动机额定效率；PN——电动机额定功率，kW；Pi——电动机额定输入功率，kW；△PN——电动机额定功率损耗，kW。电动机的运行效率7=—(3-8)(3-9)式中n—电动机运行效率；p——电动机运行负载下的输出功率，kW；Pi——电动机运行负载下的输入功率，kW；△P——电动机运行负载下的功率损耗，kW。如果p指某时段的平均负载功率，则n称为该时段的平均运行效率。电动机的损耗包括铁损耗、铜损耗、机械损耗和附加损耗。铁损和机械损为固定损耗，不随负载的变化而变化，机械损耗所占份额不大；铜损和附加损为可变损耗，随负载的变化而变化，附加损耗所占份额很小。额定效率是电动机性能的一个重要参数，从节电角度要选择额定效率高的电动机。电动机极少长期在额定负载下运行，在节电核算中更注意运行效率，特别是平均运行效率。在一个运行周期内，完成某一作业任务的平均运行效率越高，用电量就越少。电动机功率因数感应电动机除消耗有功电力外，还要消耗无功电力。电动机拖动工作机械做功要用电厂的燃料来低偿，这部分做功的电力叫做有功功率。感应电动机是在受旋转磁场感应作用下转动的电动机，为建立磁场所消耗的功率与有功功率不同，它是一种不做功的电力，不需要电厂的燃料来补偿，称为无功功率。无功功率不是无用功率，没有它感应电动机就不能转动做功。在交变磁场下工作的用电设备，同时存在有功与无功两种功率。其总功率称为视在功率，在数量上等于用功功率和无功功率的几何和，即抖二"瑚（3-10）式中S——视在功率，kV・A；P——有功功率，kW；Q 无功功率，kvar。有功功率与视在功率的比值就是功率因数，又称力率，它等于有功功率与视在功率夹角的余弦（见图3-10），即（3-11）

式中COSj——功率因数图3-10功率矢H示意图当所需的有功功率一定时，无功功率越小，功率因数越高；无功功率等于零，功率因数最高，等于1。通常把功率因数的高低，作为衡量无功功率所占份额大小的尺度。感应电动机的运行功率因数，等于其输入功率和输入视在功率之比，即图3-21单蓄冷工况的工作£1程慵图(3-12)式中U——电动机线电压，kV；I——电动机线电流，A。电动机在额定负载PN下的功率因数称为额定功率因数COSjN，一般它标注在电动机的铭牌上。与效率相似，运行功率因数亦随负载率的降低而下降，而且负载率越低下降越快。感应电动机是消耗无功功率最多的用电设备，它要占电力系统无功功率的70%左右。无功功率的存在，对电力系统的运行和电力用户均有不利影响。增加无功功率消耗将导致功率因数下降，从而限制电力系统发电和输配电提供有功功率的能力，并增加了包括用户供电网络在内的电网输配电有功损耗和降低了供电电压。由于无功功率消耗的增加，在技术上和经济上对电力系统产生了不利影响，所以在电价制度中对用户规定了标准功率因数，超过或低于标准功率因数的用户将按规定比例减少或增加应收电费。这种电价制度，旨在鼓励用户采取降低无功消耗的措施，以保证电力系统发挥更大的整体效益。电力用户的电费是按月收缴，月平均功率因数通过消耗的有功电量和无功电量来计8跄= r(3-13)式中WP——月有功电量，kW-h；WQ 月无功电量，kvar-ho电动机转速旋转磁场的转速称同步转速，同步转速只与供电频率和极对数有关(3-14)式中n0 同步转速，r/min；f——供电频率，Hz，f=50Hz；p 极对数。如前所述，感应电动机转子的旋转方向和定子旋转磁场的方向是一致的，但总是小于旋转磁场的转速，两者之间的差称为转差或滑差，转差与同步转速之比称为转差率。转差率是感应电动机性能的一个重要参数，它可用下式表示(3-15)或£二竺二\1如％KO(3-16)式中s——转差率n