Współczynnik mocy silnika: definicja, obliczenia i wpływ rdzeni silnika na niego

Jaki współczynnik mocy silnika faktycznie mierzy

Gdy silnik trójfazowy zużywa 75 kW mocy rzeczywistej przy 400 V, prąd sieciowy zależy od jego współczynnika mocy. Przy 0,85 PF prąd ten wynosi około 127 A. Przy 0,80 PF te same 75 kW wymaga 135 A — o sześć procent większy prąd bez dodatkowego wyjścia na wale . Stosunek tej różnicy, moc rzeczywista w kilowatach podzielona przez moc pozorną w kilowoltoamperach, to współczynnik mocy silnika. W przypadku silnika prądu przemiennego jest to cos φ, cosinus kąta fazowego między napięciem i prądem.

Silniki zawsze pracują przy współczynniku PF poniżej 1, ponieważ potrzebują prądu magnesującego do wytworzenia pola magnetycznego w rdzeniach stojana i wirnika, zanim będzie można wytworzyć moment obrotowy. Ten składnik reaktywny nie wykonuje żadnej pracy mechanicznej, a mimo to przepływa przez uzwojenia, kable zasilające i transformatory poprzedzające. Jest to nieunikniona część działania silnika indukcyjnego, ale ma na nią wpływ również konstrukcja i materiały.

Jak obliczyć współczynnik mocy silnika

Kalkulacja jest prosta: PF = moc rzeczywista (kW) / moc pozorna (kVA) . W przypadku silnika trójfazowego moc pozorna wynosi S = 1,732 × V × I / 1000, gdzie V to napięcie międzyfazowe, a I to prąd sieciowy.

Korzystając z powyższego przykładu, silnik pobierający 135 A przy 400 V ma moc pozorną 1,732 × 400 × 135 / 1000 = 93,5 kVA. Przy 75 kW zmierzonej mocy rzeczywistej jego współczynnik mocy wynosi 75 / 93,5 = 0.80 . Gdyby ta sama maszyna mogła wytrzymać 0,90 PF, prąd dla tej samej mocy rzeczywistej spadłby do około 120 A.

Te trzy wielkości tworzą trójkąt prostokątny: S² = P² Q². Moc bierna Q to część, którą silnik zużywa na magnesowanie swojego obwodu magnetycznego. Przy częściowym obciążeniu moc rzeczywista spada szybciej niż prąd magnesowania, więc PF gwałtownie spada. Silnik o nazwie 0,86 PF może z łatwością zmierzyć 0,55–0,65 przy połowie obciążenia.

Typowe wartości współczynnika mocy silnika

Tabliczka znamionowa PF jest wartością pełnego obciążenia. Pomiary w terenie odzwierciedlają rzeczywiste obciążenie robocze, dlatego wartości rzeczywiste są często niższe. Poniższa tabela podaje orientacyjne zakresy pełnego obciążenia dla standardowych trójfazowych silników indukcyjnych niskiego napięcia.

Przy określaniu specyfikacji silników znaczenie mają dwa wzorce. Po pierwsze, większe silniki osiągają wyższy współczynnik PF, ponieważ prąd magnesowania i straty stałe stanowią mniejszy udział w całkowitym wejściu. Po drugie, wolniejsze maszyny — konstrukcje 6- i 8-biegunowe — wytwarzają niższy współczynnik PF niż porównywalne silniki 2- lub 4-biegunowe, ponieważ dodatkowe bieguny wymagają większej liczby amperozwojów magnesujących. Ta sama logika dotyczy przewymiarowania: silnik o mocy 75 kW pracujący z mocą 20 kW wykazuje znacznie niższy współczynnik PF niż silnik o mocy 22 kW o prawidłowej wielkości wykonujący tę samą pracę.

Jak rdzeń silnika wpływa na współczynnik mocy

Współczynnik mocy nie jest określony przez samo uzwojenie. Największy wpływ na prąd bierny ma obwód magnetyczny silnika — rdzenie stojana i wirnika. Materiał rdzenia, grubość laminowania i metoda montażu kontrolują, ile prądu magnesującego musi dostarczyć uzwojenie i ile energii traci w tym procesie żelazo. Bliższe spojrzenie na budowa rdzenia silnika sprawia, że połączenie jest jasne.

Stopień stali krzemowej i utrata rdzenia

Gatunek stali elektrotechnicznej określa zarówno przepuszczalność, jak i utratę rdzenia. Wyższy stopień stal krzemowa nieziarnista (NGO). zmniejsza straty histerezy i prądu wirowego w stojanie i wirniku. Niższe straty żelaza oznaczają mniejsze zużycie prądu wejściowego przez magnesowanie i prądy strat, co zapewnia wyższy współczynnik PF pod obciążeniem. Wybór materiału ma bezpośredni, mierzalny wpływ na moc bierną pobieraną przez silnik.

Dostawcy stali krzemowej wysokiej jakości niezorientowanej na ziarno (NGO), firma - Wuxi New Jako dostawcy i firma wysokiej jakości stali krzemowej niezorientowanej na ziarno (NGO) w Chinach, New Ruichi/Cailiang oferuje sprzedaż hurtową wysokiej jakości stali nie... Zobacz produkt →

Grubość laminowania i izolacja

Rdzenie silników są tłoczone z blach stalowych elektrotechnicznych, zwykle o grubości 0,35–0,50 mm. Cieńsze laminaty zmniejszają prądy wirowe, ale zwiększają koszty przetwarzania. Powłoka izolacyjna pomiędzy warstwami ma równie duże znaczenie: jeśli sąsiadujące ze sobą arkusze stykają się ze sobą, powstają prądy krążące i straty rosną. Dlatego Laminacje stojana i wirnika silnika prądu przemiennego wymagają kontrolowanego powlekania, dokładnego wykrawania i ścisłej kontroli zadziorów w całym cyklu produkcyjnym.

Dostawcy laminatów stojana i wirnika silnika prądu przemiennego, firma - Wuxi New Ruichi Techn Jako dostawcy i firma laminatów stojana i wirnika silnika prądu przemiennego w Chinach, New Ruichi/Cailiang oferuje hurtową laminację stojana i wirnika silnika prądu przemiennego... Zobacz produkt →

Metoda montażu rdzenia

Sposób, w jaki laminaty stają się gotowym stosem, zmienia ścieżkę magnetyczną. Połączone rdzenie są ekonomiczne i stabilne wymiarowo, ale każda funkcja blokady powoduje miejscowe naprężenia i pewne zwarcia elektryczne pomiędzy warstwami. Spawane rdzenie są mocne mechanicznie, jednak każdy ścieg spoiny stanowi potencjalny most przewodzący w poprzek stosu warstw laminacyjnych, dlatego pozycja i długość spoiny muszą być ściśle kontrolowane. Kiedy te szczegóły są kontrolowane, rdzenie laminowane spawane laserowo/TIG zachować izolację warstwy i utrzymać niskie straty. Różnica w wydajności jest na tyle duża, że kupuje ją obecnie wielu producentów silników gotowe zespoły rdzenia silnika zamiast luźnych laminatów.

Dostawcy rdzeni laminowanych spawanych laserowo/TIG, firma - Wuxi New Ruichi Technology Jako dostawcy i firma rdzeni laminowanych spawanych laserowo/TIG w Chinach, New Ruichi/Cailiang oferują hurtowy rdzeń laminowany spawany laserowo/TIG na... Zobacz produkt →

Dlaczego niski współczynnik mocy silnika kosztuje więcej, niż myślisz

Niski współczynnik PF nie zmniejsza mocy mechanicznej, ale podnosi wszelkie koszty związane z dostarczaniem tych samych kilowatów:

• Wyższy prąd sieciowy, dlatego kable, wyłączniki i transformatory muszą być przewymiarowane.
• Większe straty I²R w każdym elemencie szeregowym pomiędzy licznikiem mediów a silnikiem.
• Większe spadki napięcia, które obniżają moment obrotowy silnika i zwiększają poślizg.
• Opłaty za zapotrzebowanie na media lub kary PF, zwykle uruchamiane poniżej 0,90 lub 0,95.

Arytmetykę łatwo sprawdzić. Obciążenie 75 kW przy 400 V pobiera około 127 A przy 0,85 PF. Przy 0,80 PF prąd osiąga 135 A, czyli około 6% więcej; przy 0,70 PF osiąga około 155 A 22% wyższy . Ten dodatkowy prąd nagrzewa kable i uzwojenia, powoduje spadek napięcia i wymusza obniżenie wartości znamionowych urządzeń znajdujących się wcześniej. To samo obciążenie zwiększone z 0,85 PF do 0,95 PF zmniejsza zapotrzebowanie na moc pozorną z 88 kVA do 79 kVA — a 10% zniżki w ilości rozliczeniowej wiele mediów wykorzystuje do celów komercyjnych i przemysłowych.

Opcje i ograniczenia korekcji współczynnika mocy

Kondensatory są standardowym urządzeniem korygującym. Dostarczają wiodącą moc bierną, która kompensuje opóźniony prąd magnesowania silnika i mogą być instalowane na zaciskach silnika, na tablicy rozdzielczej lub centralnie w podstacji. Właściwy poziom zależy od miejsca powstania zapotrzebowania reaktywnego.

Przemienniki częstotliwości (VFD) zmieniają obraz. Obwód prądu stałego wewnątrz przemiennika dostarcza wewnętrznie energię bierną, zatem współczynnik PF po stronie sieci silnika zasilanego z przetwornicy częstotliwości wynosi zwykle powyżej 0,95, nawet jeśli sam silnik pracuje przy niskim współczynniku PF. W przypadku silników o stałej prędkości dobór kondensatorów wymaga ostrożności. Nadmierna korekcja do wiodącego PF podnosi napięcie na zaciskach i powoduje przełączanie stanów nieustalonych, nieprawidłowe działanie przekaźnika i awarie kondensatorów. Docelowa korekta w okolicach 0,92–0,95 jest zwykle bezpieczniejsza niż próba osiągnięcia jedności.

Harmoniczne dodają kolejne ograniczenie. Przetwornice częstotliwości i inne obciążenia nieliniowe wytwarzają współczynnik mocy zniekształceń, którego kondensatory nie są w stanie skorygować. W niektórych przypadkach baterie kondensatorów rezonują z indukcyjnością transformatora przy częstotliwościach harmonicznych i wzmacniają zniekształcenia zamiast je zmniejszać. Podstawowy pomiar jakości energii pozwala uniknąć najczęstszych błędów.

Korekcja na mierniku leczy objaw, a nie przyczynę. Silnik, którego rdzeń przenosi duże straty lub nadmierny prąd magnesujący, pobiera prąd bierny niezależnie od zainstalowanej pojemności. Zmiana materiału rdzenia i sposobu montażu na etapie projektowania lub przebudowy zmniejsza zapotrzebowanie reaktywne u jego źródła. Dlatego producenci OEM i warsztaty samochodowe oceniają możliwości produkcyjne swojego głównego dostawcy w ramach obrazu efektywności.

Co powinni sprawdzić kupujący i projektanci

Przed dodaniem kondensatorów zmierz roboczy współczynnik PF pod rzeczywistym obciążeniem, zamiast ufać tabliczce znamionowej. Zanotuj napięcie i prąd, oszacuj obciążenie wału i porównaj wynik z zachowaniem silnika przy pełnym obciążeniu. Ćwiczenie często ujawnia problemy, takie jak przewymiarowanie lub rdzenie o dużych stratach, które w przeciwnym razie kondensatory mogłyby ukryć.

• Potwierdź robocze PF przy rzeczywistym obciążeniu; wartości z tabliczki znamionowej są wartościami przy pełnym obciążeniu.
• Zapytaj o gatunek stali krzemowej i grubość laminowania określoną dla rdzenia.
• Wybierz metodę montażu rdzenia — klejenie, blokowanie lub spawanie laserowe/TIG — w oparciu o docelową wydajność silnika i współczynnik PF.
• Dopasuj wielkość silnika do obciążenia. Zbyt duży silnik pracujący z niewielkim obciążeniem charakteryzuje się niskim współczynnikiem PF i niską sprawnością przez cały okres eksploatacji.

Współczynnik mocy silnika to coś więcej niż szczegół rozliczeniowy. Odzwierciedla, jak skutecznie obwód magnetyczny silnika przekształca przychodzący prąd na moment obrotowy. Gdy rdzeń jest zbudowany z odpowiedniego gatunku stali krzemowej, grubości laminowania i procesu montażu, silnik potrzebuje po prostu mniejszego prądu biernego. Różnicę tę można zmierzyć w pomieszczeniu pomiarowym — i zaczyna się ona na linii produkcyjnej głównego dostawcy.