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电机功率因数和效率的关系:正相关?还是?

2021-01-15 14:32:34     来源:电机技术日参        

【大比特导读】功率因数考量电机产品将所吸收的电网能量转换有用功的能力,直接影响电网能量的利用水平和电网运营成本。为此,国家对于用电设备功率因数进行严格控制,在连续工作制电机技术条件中有严格的功率因数考核规定。

功率因数和效率是电动机产品非常关键的性能指标,功率因数和效率指标越高越好,能够同时提高功率因数和效率指标的设计改进方案一定更为优秀。有丰富实践经验的电机设计师都有过这样的两难选择:设计优化到一定水平,必须牺牲这两个指标的一个来确保另一个指标。这种舍与得的博弈往往很是令人费解,反映出功率因数和效率相互牵扯的内在关系微妙且紧密。

电动机的功率因数,是指电机从电网中吸收的有功功率与视在功率之比。对电动机来说,功率因数可以理解为定子电流中的有功电流分量与定子总电流的比值。功率因数越高,说明电动机做的有用功越多,电源的利用率就高。我们也可以简单地理解为电机接收电网能量并最大程度做功的能力。对于电网而言,希望用电设备有较高的功率因数,尽可能减少输电线路上的损耗,最大限度发挥电厂产能,满足尽可能多的用电客户的需求。因此,对于电机产品功率因数考核要求,核心所在就是确保电网高效率、低成本运行。

电机

电机从电网吸收有用功率(即电机的输入功率)后主要转换为输出轴上的机械功率,而另一部分则通过损耗的方式消耗掉。以发热形式耗损在电机内部的有功功率主要有:定子铜耗、转子铜耗、铁芯损耗、机械损耗和风摩耗,加上其他未被计入的损耗(杂散耗)即所谓的五大损耗。从能量传递的角度看,损耗越小则输出到电机转轴上的机械功率(即电机的输出功率)越大,输出功率占输入功率的百分比即电机的效率越高。

为了提高电机的效率,基本的手段就是减小各种损耗。控制定子绕组端部尺寸、绕组温升以限制定子铜耗;铸铝转子材料及槽形尺寸直接与转子铜耗相关;风扇与风罩的设计改进不仅改善了通风散热效果,可有效降低风摩耗;机加工精度、轴承质量及旋转部件支撑系统的设计水平,既体现为电机综合质量水准,也可有效减小机械损耗;采用较高牌号的硅钢片,目的就是为了减少铁芯损耗;采用低谐波绕组、闭口槽和车大气隙以解决一些常规手段无解的问题等技术手段,除了针对具体的杂音、噪声振动指标超差等具体问题外,也可大幅减小杂散损耗。

在国家电机能耗控制政策导向下,各生产厂家多管齐下,有所侧重地灵活应用以上各种减小损耗的手段,促进了高效率电机的推广应用:限产IE2能效等级电机,普及推广IE3能效等级电机,不断验证、改进超超高效电机生产过程中的设计技术和制造工艺,稳步推进IE4、IE5高能效电机生产。

对比电机功率因数和效率的概念,我们可以将两者的关系进行简单的梳理:

(1)功率因数和效率都是电机产品可靠地经济运行的关键指标,客户为了省电或节约电费,希望越大越好;

(2)功率因数考量电机产品将所吸收的电网能量转换有用功的能力,直接影响电网能量的利用水平和电网运营成本。为此,国家对于用电设备功率因数进行严格控制,在连续工作制电机技术条件中有严格的功率因数考核规定。

(3)电机效率是反映电机本体将吸收到的有功功率转换为输出轴上机械功率的能力,GB18613、GB30253和GB30254分别对量大面广的电机产品效率进行了限值控制要求,并通过一些政策倾斜,鼓励企业开发和生产高效电机。

(4)功率因数和效率的表达不同。尽管两者都是比值关系,但功率因数采用直接的比值,而效率则采用百分比表达。

按照中商情报网的统计数据,2020年上半年全国工业用电量22116亿千瓦时,占全社会用电量的比重为65.9%。而电机产品作为工业用电的主体,对国家整体的节能水平有较大的影响。因而无论是电机功率因数的控制,还是电机效率的提升或能效考核,都是非常必要且有巨大社会经济效益的手段。

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