Hệ số công suất động cơ: Định nghĩa, tính toán và ảnh hưởng của lõi động cơ đến nó như thế nào

Hệ số công suất động cơ thực sự đo lường được gì

Khi động cơ ba pha tiêu thụ 75 kW công suất thực ở 400 V, dòng điện phụ thuộc vào hệ số công suất của nó. Ở mức 0,85 PF, dòng điện đó là khoảng 127 A. Ở mức 0,80 PF, cùng một công suất 75 kW cần 135 A — dòng điện tăng thêm sáu phần trăm mà không cần thêm đầu ra trục . Tỷ lệ đằng sau sự khác biệt này, công suất thực tính bằng kilowatt chia cho công suất biểu kiến tính bằng kilovolt-ampe, là hệ số công suất động cơ. Đối với động cơ xoay chiều, nó bằng cos φ, cosin của góc pha giữa điện áp và dòng điện.

Động cơ luôn chạy với PF dưới 1 vì chúng cần dòng điện từ hóa để tạo ra từ trường trong lõi stato và rôto trước khi có thể tạo ra mô-men xoắn. Thành phần phản kháng này không thực hiện công cơ học nhưng nó di chuyển qua các cuộn dây, cáp nguồn và máy biến áp ngược dòng. Nó là một phần không thể tránh khỏi trong hoạt động của động cơ cảm ứng nhưng nó cũng bị ảnh hưởng bởi thiết kế và vật liệu.

Cách tính hệ số công suất động cơ

Việc tính toán rất đơn giản: PF = công suất thực (kW) / công suất biểu kiến (kVA) . Đối với động cơ ba pha, công suất biểu kiến là S = 1,732 × V × I / 1000, trong đó V là điện áp giữa các dây và I là dòng điện dây.

Sử dụng ví dụ trên, một động cơ có dòng điện 135 A ở 400 V có công suất biểu kiến là 1,732 × 400 × 135/1000 = 93,5 kVA. Với 75 kW công suất thực đo được thì hệ số công suất của nó là 75/93,5 = 0.80 . Nếu cùng một máy có thể chứa 0,90 PF thì dòng điện với cùng công suất thực sẽ giảm xuống khoảng 120 A.

Ba đại lượng công suất trong mạch động cơ xoay chiều. Công suất biểu kiến là tổng vectơ của công suất tác dụng và công suất phản kháng.
số lượng	Biểu tượng	Đơn vị	Nó đại diện cho cái gì
Sức mạnh thực sự (hoạt động)	P	kW	Sản lượng cơ khí cộng tổn thất; thực hiện công việc hữu ích
Công suất phản kháng	Q	kVAr	Năng lượng được lưu trữ và giải phóng để tạo ra từ trường trong lõi
Sức mạnh biểu kiến	S	kVA	Tổng công suất lấy từ nguồn cung cấp; S 2 = P 2 Q 2

Ba đại lượng tạo thành một tam giác vuông: S2 = P2 Q2. Công suất phản kháng Q là phần mà động cơ tiêu tốn để từ hóa mạch từ của nó. Ở mức tải một phần, công suất thực giảm nhanh hơn dòng điện từ hóa, do đó PF giảm mạnh. Một động cơ được ghi tên ở mức 0,86 PF có thể dễ dàng đo được 0,55–0,65 ở mức nửa tải.

Giá trị hệ số công suất động cơ điển hình

Bảng tên PF là giá trị đầy tải. Các phép đo tại hiện trường phản ánh tải hoạt động thực tế, đó là lý do tại sao con số thực tế thường thấp hơn. Bảng dưới đây đưa ra phạm vi đầy tải biểu thị cho động cơ cảm ứng ba pha điện áp thấp tiêu chuẩn.

Hệ số công suất đầy tải chỉ định cho động cơ cảm ứng 4 cực, ba pha. Giá trị thực tế thay đổi tùy theo tốc độ, kích thước khung, điện áp và thiết kế lõi.
Đánh giá động cơ (kW)	PF điển hình ở mức đầy tải	PF điển hình khi không tải
0.75	0,75–0,80	0,10–0,20
3.7	0,80–0,85	0,10–0,20
15	0,83–0,87	0,10–0,20
37	0,85–0,89	0,10–0,20
75	0,86–0,90	0,15–0,25
150	0,88–0,92	0,15–0,25

Hai mẫu quan trọng khi xác định động cơ. Đầu tiên, động cơ lớn hơn đạt PF cao hơn vì dòng điện từ hóa và tổn thất cố định chiếm tỷ trọng nhỏ hơn trong tổng đầu vào. Thứ hai, các máy chậm hơn — thiết kế 6 cực và 8 cực — phát triển PF thấp hơn so với các động cơ 2 cực hoặc 4 cực tương đương vì các cực bổ sung đòi hỏi nhiều vòng ampe từ hóa hơn. Logic tương tự cũng áp dụng cho việc định cỡ quá lớn: động cơ 75 kW chạy ở công suất 20 kW cho thấy PF thấp hơn nhiều so với động cơ 22 kW có kích thước chính xác thực hiện cùng một công việc.

Lõi động cơ ảnh hưởng đến hệ số công suất như thế nào

Hệ số công suất không được xác định chỉ bằng cuộn dây. Ảnh hưởng lớn nhất đến dòng điện phản kháng là mạch từ của động cơ - lõi stato và rôto. Vật liệu lõi, độ dày lớp phủ và phương pháp lắp ráp kiểm soát lượng dòng điện từ hóa mà cuộn dây phải cung cấp và lượng năng lượng mà bàn ủi mất đi trong quá trình này. Một cái nhìn gần hơn về cấu trúc của lõi động cơ làm cho kết nối rõ ràng.

Lớp thép silicon và mất lõi

Cấp thép cách điện quy định cả tính thấm và tổn thất lõi. Cấp độ cao hơn của thép silic không định hướng hạt (NGO) giảm độ trễ và tổn thất dòng điện xoáy trong stato và rôto. Tổn thất sắt thấp hơn có nghĩa là dòng điện đầu vào tiêu thụ ít hơn bởi dòng điện từ hóa và dòng điện tổn thất, hỗ trợ PF cao hơn khi chịu tải. Lựa chọn vật liệu có ảnh hưởng trực tiếp và có thể đo lường được đến công suất phản kháng mà động cơ tiêu thụ.

High Grade Non-grain-oriented (NGO) Silicon Steel Suppliers, Company - Wuxi New

Công ty, nhà cung cấp thép silicon không có hạt (NGO) cao cấp - Vô Tích Mới Là nhà cung cấp và công ty thép silicon phi hạt (NGO) cao cấp ở Trung Quốc, Ruichi/Cailiang mới cung cấp Bán buôn thép không hạt cao cấp... Xem sản phẩm →

Độ dày cán và cách nhiệt

Lõi động cơ được dập từ các tấm thép cách điện, thường dày 0,35–0,50 mm. Cán mỏng hơn làm giảm dòng điện xoáy nhưng tăng chi phí xử lý. Lớp phủ cách nhiệt giữa các lớp mỏng cũng quan trọng không kém: nếu các tấm liền kề chạm vào nhau, dòng điện tuần hoàn sẽ phát triển và tổn thất tăng lên. Đó là lý do tại sao Các lớp mỏng stato và rôto của động cơ AC yêu cầu lớp phủ được kiểm soát, đục lỗ chính xác và kiểm soát lưỡi sắc chặt chẽ trong suốt quá trình sản xuất.

AC Motor Stator and Rotor Laminations Suppliers, Company - Wuxi New Ruichi Techn

Công ty, nhà cung cấp máy cán rôto và stator động cơ AC - Wuxi New Ruichi Techn Với tư cách là nhà cung cấp và công ty sản xuất tấm ghép rôto và stator động cơ AC tại Trung Quốc, Ruichi/Cailiang mới cung cấp Bán buôn Stator động cơ AC và La rôto... Xem sản phẩm →

Phương pháp lắp ráp cốt lõi

Cách các lớp ghép trở thành một ngăn xếp hoàn thiện sẽ thay đổi đường dẫn từ tính. Các lõi khóa liên động có tính kinh tế và ổn định về kích thước, nhưng mọi tính năng khóa liên động đều tạo ra ứng suất cục bộ và một số hiện tượng chập điện giữa các lớp. Các lõi hàn có độ bền cơ học cao, tuy nhiên mỗi hạt hàn là một cầu nối dẫn điện tiềm năng xuyên qua lớp cán, do đó vị trí và chiều dài mối hàn phải được quản lý chặt chẽ. Khi những chi tiết này được kiểm soát, lõi nhiều lớp được hàn bằng laser/TIG bảo quản lớp cách nhiệt và giữ tổn thất ở mức thấp. Sự khác biệt về hiệu suất đủ lớn khiến nhiều nhà sản xuất động cơ hiện nay phải mua cụm lõi động cơ đã hoàn thành thay vì cán mỏng.

Laser/TIG-welded Laminated Core Suppliers, Company - Wuxi New Ruichi Technology

Công ty, nhà cung cấp lõi nhiều lớp hàn bằng laser/TIG - Công nghệ Ruichi mới Vô Tích Là nhà cung cấp và công ty lõi nhiều lớp được hàn bằng Laser/TIG ở Trung Quốc, New Ruichi/Cailiang cung cấp Bán buôn lõi nhiều lớp được hàn bằng Laser/TIG trên... Xem sản phẩm →

Tại sao hệ số công suất động cơ thấp lại đắt hơn bạn nghĩ

PF thấp không làm giảm sản lượng cơ học nhưng nó làm tăng mọi chi phí liên quan đến việc cung cấp cùng một kilowatt:

Dòng điện cao hơn nên dây cáp, cầu dao và máy biến áp phải có kích thước quá khổ.
Tổn hao I2R lớn hơn ở mọi phần tử nối tiếp giữa đồng hồ tiện ích và động cơ.
Điện áp giảm lớn hơn, làm giảm mô-men xoắn động cơ và tăng độ trượt.
Phí nhu cầu tiện ích hoặc hình phạt PF, thường được kích hoạt dưới 0,90 hoặc 0,95.

Số học rất dễ kiểm tra. Tải 75 kW ở 400 V tiêu thụ khoảng 127 A ở mức 0,85 PF. Ở mức 0,80 PF, dòng điện đạt 135 A, cao hơn khoảng 6%; ở mức 0,70 PF nó đạt tới 155 A, khoảng cao hơn 22% . Dòng điện tăng thêm đó làm nóng dây cáp và cuộn dây, gây sụt áp và buộc các thiết bị đầu nguồn bị giảm công suất. Tải tương tự được cải thiện từ 0,85 PF xuống 0,95 PF giúp cắt giảm nhu cầu điện rõ ràng từ 88 kVA xuống 79 kVA — a Giảm 10% về số lượng thanh toán, nhiều tiện ích sử dụng cho các tài khoản thương mại và công nghiệp.

Tùy chọn và giới hạn hiệu chỉnh hệ số công suất

Tụ điện là thiết bị hiệu chỉnh tiêu chuẩn. Chúng cung cấp công suất phản kháng chủ yếu để bù đắp dòng điện từ hóa trễ của động cơ và chúng có thể được lắp đặt tại các cực của động cơ, trên bảng phân phối hoặc tập trung tại trạm biến áp. Mức độ phù hợp phụ thuộc vào nơi tạo ra nhu cầu phản ứng.

Biến tần (VFD) thay đổi hình ảnh. Liên kết DC bên trong biến tần cung cấp năng lượng phản kháng bên trong, do đó PF phía lưới của động cơ cấp nguồn VFD thường trên 0,95 ngay cả khi bản thân động cơ chạy ở PF thấp. Đối với động cơ có tốc độ cố định, việc định cỡ tụ điện cần thận trọng. Việc điều chỉnh quá mức thành PF dẫn đầu sẽ làm tăng điện áp đầu cuối và tạo ra các quá độ chuyển mạch, hoạt động sai của rơle và hỏng tụ điện. Mục tiêu điều chỉnh khoảng 0,92–0,95 thường an toàn hơn việc cố gắng đạt được sự thống nhất.

Sóng hài thêm một hạn chế khác. VFD và các tải phi tuyến tính khác tạo ra hệ số công suất méo mà tụ điện không thể điều chỉnh được. Trong một số trường hợp, dàn tụ điện cộng hưởng với điện cảm của máy biến áp ở tần số hài và khuếch đại độ méo thay vì giảm nó. Phép đo chất lượng điện cơ bản giúp ngăn ngừa những lỗi phổ biến nhất.

Việc điều chỉnh ở máy đo chỉ xử lý triệu chứng chứ không phải nguyên nhân. Một động cơ có lõi có tổn thất cao hoặc dòng điện từ hóa quá mức sẽ tiếp tục tạo ra dòng điện phản kháng bất kể điện dung được lắp đặt là bao nhiêu. Việc thay đổi vật liệu cốt lõi và phương pháp lắp ráp ở giai đoạn thiết kế hoặc xây dựng lại sẽ làm giảm nhu cầu phản ứng tại nguồn. Đó là lý do tại sao các OEM và cửa hàng sửa chữa động cơ đánh giá khả năng sản xuất của nhà cung cấp cốt lõi của họ như là một phần của bức tranh hiệu quả.

Người mua và nhà thiết kế nên kiểm tra những gì

Trước khi thêm tụ điện, hãy đo PF đang vận hành dưới tải thực thay vì tin vào bảng tên. Ghi lại điện áp và dòng điện, ước tính tải trọng trục và so sánh kết quả với trạng thái đầy tải của động cơ. Quá trình này thường bộc lộ các vấn đề như kích thước quá lớn hoặc lõi có tổn thất cao mà các tụ điện có thể che giấu.

Xác nhận PF vận hành dưới tải thực tế; giá trị bảng tên là giá trị đầy tải.
Yêu cầu loại thép silicon và độ dày cán được chỉ định cho lõi.
Chọn phương pháp lắp ráp lõi — liên kết dính, khóa liên động hoặc hàn laser/TIG — dựa trên hiệu suất mục tiêu và PF của động cơ.
Phù hợp với kích thước động cơ để làm việc. Một động cơ cỡ lớn chạy tải nhẹ sẽ có PF thấp và hiệu suất thấp trong suốt thời gian hoạt động của nó.

Hệ số công suất động cơ không chỉ là một chi tiết thanh toán. Nó phản ánh mức độ hiệu quả của mạch từ của động cơ chuyển đổi dòng điện đến thành mô-men xoắn. Khi lõi được chế tạo từ loại thép silicon, độ dày cán và quy trình lắp ráp phù hợp, động cơ chỉ cần ít dòng điện phản kháng hơn. Sự khác biệt đó có thể đo lường được trong phòng đo lường — và nó bắt đầu trên dây chuyền sản xuất của nhà cung cấp cốt lõi.