单相电容启动异步电动机节能问题研究
2009-02-10
作者：张爱春，冀群心，孙令明，韦子枝
摘 要： 针对单相电容启动异步电动机运行时功率因数比较低的问题，提出电动机启动并转入运行时，在其主绕组并联适当的电容器的方法，减少或省去电源对电动机提供无功电流，以减少线路损耗，提高电源功率因数，提高电源设备容量的利用率。
关键词： 无功电流；功率因数；线路损耗；电源设备容量
单相电容启动异步电动机，在工业和家庭电器设备中应用比较广泛。但是，电动机运行时（特别是负载较轻时），因功率因数比较低，造成供电电源设备容量利用率低以及供电线路有功损耗大。在大力倡导节能的时代，研究单相电容启动异步电动机节能控制问题具有很实际的意义。
1 提高单相电容启动异步电动机功率因数的方法
设电源设备容量额定值为S，单相电容启动异步电动机从电源吸取有功功率为P，即：
电源给电动机输送的电流(供电线路的电流)I0为：
其中u为电源电压。从式(1)看出，当电动机需要的有功功率一定时，功率因数cos
越大，电源设备额定容量就越小，电源设备利用率就越高，供电效率也就越高。又从式(2)可以看出，P一定，u一定，cos越大，则I0就越小，也就是供电线路有功损耗就越小。可见，对单相电容启动异步电动机要节约电能，关键是提高其功率因数。
单相电容启动异步电动机运行时，主绕组需要无功功率，有功功率、功率因数都确定了，要想等效地提高其功率因数，唯一的办法就是在其运行时，将启动电容一部分与主绕组并联，主绕组需要的无功功率由电容器产生的无功功率来补偿。减少电源向电动机输送无功功率来提高电源功率因数，减少输电线路有功损耗，达到提高电源设备容量利用率的目的，其控制线路如图1所示。图中，K1为常闭开关，K2开关在电动机启动前合向3点，将C1和C2并联，当加上电源电压u时电动机启动，转速达到80％时K1自动打开，同时将K2从3点向4点合上，将电容C1与主绕组并联，电动机转入正常运行，其定子电路如图2所示。
根据图2，主绕组电流I1为：
式(3)中，u为电源电压，P为电动机有功功率，cos1为主绕组功率因数。电源给电动机输送电流I0为：
其矢量图如图3所示，由于从电源给电动机提供有功功率不变，所以有：
从图3及式(5)看出，<<1，cos>>cos1则I0＜＜I1。所以主绕组并入电容C1以后，电源功率因数cos（即负载等效功率因数）大大提高了，电源给电动机输送电流大大减少了。
2 电容C1的计算方法
以u=220V，额定功率P=90W，额定电流I1=1.45A，f=50Hz，转速1 400r/min的单相电容启动异步电动机为例：
(1)设电动机运行时，未给主绕阻并联电容测得I0=I1=1.1A，cos1=0.6。
(2)要求将电动机功率因数从cos1=0.6等效提高到cos=0.98。
求C1步骤如下：
3 实验研究
电动机参数：额定电压u=220V，额定功率P=90W，额定电流I1=1.45A，f=50Hz，转速1 400r/min，启动电容C1+C2=35μF。实验线路如图1所示，测量数据及计算数据如表1及表2所示。
从实验数据看出，单相电容启动异步电动机，在其运行时主绕组并联一定电容C1后，功率因数可以提高到接近于1，线路损耗减少40％以上，电源设备容量利用率提高20％以上，节能效果比较好。
单相电容启动异步电动机在运行时，在其主绕组并联适当电容C1，经理论分析和实验证明，这是一个比较好的提高电动机等效功率因数的方法。等效功率因数cosφ可以做到接近于1，能减少线路有功损耗40％以上，提高电源设备容量利用率20％以上，是一个结构简单、经济、节能效果比较好的方法，值得推广应用。
参考文献
[1] 邱关源.电路(上册).北京：高等教育出版社，2003.
[2] 章名涛.电机学(下册).北京：科学出版社，1964.