一种排涝泵站异步电动机无功补偿分析计算方法

摘要

本发明公开一种排涝泵站异步电动机无功补偿分析计算方法，排涝泵站异步电动机无功补偿分析计算方法包括：首先获取排涝泵站的水泵转速以及排涝泵站运行扬程范围内的水泵轴功率，根据所述水泵轴功率中最大的水泵轴功率，以及水泵转速，确定异步电动机的额定功率、额定功率因数、额定效率，再计算得到异步电动机的负载率区间，获取目标功率因数范围，根据异步电动机的负载率区间、额定功率、额定功率因数、额定效率以及目标功率因数范围，计算异步电动机需要的无功补偿容量范围，确定满意的无功补偿容量。本发明能够对排涝泵站无功补偿进行分析，根据异步电动机的容量大小与运行方式来获取功率因数的就地补偿值。

权利要求

1.一种排涝泵站异步电动机无功补偿分析计算方法，其特征在于，所述排涝泵站异步电动机无功补偿分析计算方法包括：获取排涝泵站的水泵转速以及排涝泵站运行扬程范围内的多个水泵轴功率P；

根据所述水泵轴功率P中最大的水泵轴功率和水泵转速，确定异步电动机的额定功率Pe、额定功率因数 额定效率ηe；

根据运行扬程范围内的水泵轴功率P以及异步电动机的额定功率Pe，计算得到异步电动机的负载率区间[β1,β2]，其中，β1表示异步电动机的负载率下限，β2表示异步电动机的负载率上限；

获取目标功率因数范围 其中， 表示目标功率因数下限， 表示目标功率因数上限；

根据异步电动机的负载率区间[β1,β2]、额定功率Pe、额定功率因数 额定效率ηe以及目标功率因数范围 计算异步电动机需要的无功补偿容量范围；

在无功补偿容量范围内，确定满意的无功补偿容量；

所述根据异步电动机的负载率区间[β1,β2]、额定功率Pe、额定功率因数 额定效率ηe以及目标功率因数范围 计算异步电动机需要的无功补偿容量范围包括：估算异步电动机的空载电流：

其中，I0表示异步电动机的空载电流，Ie表示异步电动机的额定电流，k表示计算参数，计算异步电动机的实际消耗有功功率：Pb＝P+∑P＝P/η；

其中，Pb表示异步电动机的实际消耗有功功率，P＝βPe，β表示异步电动机的负载率，∑P表示异步电动机的有功功率损耗，η表示异步电动机的效率；

计算异步电动机的无功功率Q为：

Q＝Q0+β2(Qe-Q0)；

其中， Q0表示异步电动机空载无功功率，Qe表示异步电动机额定无功功率，Ue表示异步电动机的额定电压；

计算无功补偿后的异步电动机的功率因数角正切值：

其中， 表示无功补偿后的异步电动机的功率因数角正切值，Qb表示无功补偿后的异步电动机的无功功率，Pb表示异步电动机的实际消耗有功功率，Qx表示异步电动机的无功功率补偿容量；

异步电动机在任意的负载率β下，进行无功补偿后的功率因数满足目标功率因数范围则无功补偿后的异步电动机的功率因数角正切值 需要满足即：

异步电动机在任意的负载率β下满足

其中， 表示无功补偿后的异步电动机的功率因数角正切值下限， 表示无功补偿后的异步电动机的功率因数角正切值上限；

则异步电动机的无功功率补偿容量Qx满足：

令

其中，Q欠补表示异步电动机在任意的负载率β∈[β1,β2]的情况下，保证补偿后功率因数不小于目标功率因数下限的无功功率补偿量函数；Q过补表示异步电动机在任意的负载率β∈[β1,β2]的情况下，保证补偿后功率因数不大于目标功率因数上限的无功功率补偿量函数；

计算 在[β1,β2]上的最大值Q欠补max，

在[β1,β2]上的最小值Q过补min，

异步电动机需要的无功补偿容量范围为Q欠补max≤Qx≤Q过补min。

2.根据权利要求1所述的一种排涝泵站异步电动机无功补偿分析计算方法，其特征在于：所述排涝泵站运行扬程包括最高扬程、设计扬程、最低扬程。

3.根据权利要求2所述的一种排涝泵站异步电动机无功补偿分析计算方法，其特征在于：所述根据运行扬程范围内的水泵轴功率P以及异步电动机的额定功率Pe，计算得到异步电动机的负载率区间[β1,β2]包括：异步电动机的负载率的计算公式为β＝P/Pe，得到异步电动机的负载率区间[β1,β2]，其中，β表示异步电动机的负载率。

4.根据权利要求3所述的一种排涝泵站异步电动机无功补偿分析计算方法，其特征在于：所述目标功率因数范围 为[0.9,1.0]。

5.根据权利要求4所述的一种排涝泵站异步电动机无功补偿分析计算方法，其特征在于：所述目标功率因数范围 为[0.92,0.97]。

6.根据权利要求4所述的一种排涝泵站异步电动机无功补偿分析计算方法，其特征在于：所述目标功率因数范围 为[0.9,0.97]。

7.一种存储介质，存储有程序指令，其特征在于：所述程序指令被执行时实现如权利要求1至权利要求6任一项所述的排涝泵站异步电动机无功补偿分析计算方法。

8.一种电子设备，包括处理器和存储器，所述存储器存储有程序指令，其特征在于：所述处理器运行程序指令实现如权利要求1至权利要求6任一项所述的排涝泵站异步电动机无功补偿分析计算方法。

说明书

一种排涝泵站异步电动机无功补偿分析计算方法

技术领域

[0001] 本发明涉及异步电动机无功补偿分析技术领域，特别是涉及一种排涝泵站异步电动机无功补偿分析计算方法。

背景技术

[0002] 近年来，随着城市化的快速发展和极端天气的频繁出现，城市暴雨洪涝灾害日益加剧。为保障社会安全平稳，提高城市减灾能力，越来越多的排涝泵站被改造或新建。异步电动机凭借可靠性高、维护便利、投资成本低，在排涝泵站中得到广泛使用。由于异步电动机是感性负荷，其在正常运行时需要消耗一定的感性无功功率，自然功率因数低，导致电网的供电质量下降和有功损耗增加。因此，有必要对异步电动机增加无功补偿装置以提高功率因数，既满足供电部门对功率因数的考核，又减少用户的运行费用。

[0003] 目前现有技术中通常采用在电动机定子侧并联电容器的就地补偿方式来提高排涝泵站异步电动机的功率因数，无法对排涝泵站无功补偿进行分析，不能够根据异步电动机的容量大小与运行方式来获取满意的功率因数的就地补偿值。

发明内容

[0004] 鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种排涝泵站异步电动机无功补偿分析计算方法，用于解决现有技术中无法对排涝泵站无功补偿进行分析，不能够根据异步电动机的容量大小与运行方式来获取功率因数的就地补偿值的问题。

[0005] 为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种排涝泵站异步电动机无功补偿分析计算方法，所述排涝泵站异步电动机无功补偿分析计算方法包括：获取排涝泵站的水泵转速以及排涝泵站运行扬程范围内的多个水泵轴功率P；根据所述水泵轴功率P中最大的水泵轴功率和水泵转速，确定异步电动机的额定功率Pe、额定功率因数 额定效率ηe；根据运行扬程范围内的水泵轴功率P以及异步电动机的额定功率Pe，计算得到异步电动机的负载率区间[β1,β2]，其中，β1表示异步电动机的负载率下限，β2表示异步电动机的负载率上限；获取目标功率因数范围 其中， 表示目标功率因数下限， 表示目
标功率因数上限；根据异步电动机的负载率区间[β1,β2]、额定功率Pe、额定功率因数额定效率ηe以及目标功率因数范围 计算异步电动机需要的无功补偿
容量范围；在无功补偿容量范围内，确定满意的无功补偿容量。

[0006] 作为本发明的一种优选方案，所述排涝泵站运行扬程包括最高扬程、设计扬程、最低扬程。

[0007] 作为本发明的一种优选方案，所述根据运行扬程范围内的水泵轴功率P以及异步电动机的额定功率Pe，计算得到异步电动机的负载率区间[β1,β2]包括：异步电动机的负载率的计算公式为β＝P/Pe，得到异步电动机的负载率区间[β1,β2]，其中，β表示异步电动机的负载率。

[0008] 作为本发明的一种优选方案，所述目标功率因数范围 为[0.9,1.0]。

[0009] 作为本发明的一种优选方案，所述目标功率因数范围 为[0.92,0.97]。

[0010] 作为本发明的一种优选方案，所述目标功率因数范围 为[0.9,0.97]。

[0011] 作为本发明的一种优选方案，所述根据异步电动机的负载率区间[β1,β2]、额定功率Pe、额定功率因数 额定效率ηe以及目标功率因数范围 计算异步电动机需要的无功补偿容量范围包括：

[0012] 估算异步电动机的空载电流：

[0013]

[0014] 其中，I0表示异步电动机的空载电流，Ie表示异步电动机的额定电流，k表示计算参数，

[0015]

[0016] 计算异步电动机的实际消耗有功功率：

[0017] Pb＝P+∑P＝P/η；

[0018] 其中，Pb表示异步电动机的实际消耗有功功率，P＝βPe，β表示异步电动机的负载率，∑P表示异步电动机的有功功率损耗，η表示异步电动机的效率；

[0019] 计算异步电动机的无功功率Q为：

[0020] Q＝Q0+β2(Qe-Q0)；

[0021] 其中， Ue表示异步电动机的额定电压；

[0022] 计算无功补偿后的异步电动机的功率因数角正切值：

[0023]

[0024] 其中， 表示无功补偿后的异步电动机的功率因数角正切值，Qb表示无功补偿后的异步电动机的无功功率，Pb表示异步电动机的实际消耗有功功率，Qx表示异步电动机的无功功率补偿容量；

[0025] 异步电动机在任意的负载率β下，进行无功补偿后的功率因数满足目标功率因数范围 则无功补偿后的异步电动机的功率因数角正切值 需要满足即：

[0026] 异步电动机在任意的负载率β下满足

[0027] 其中， 表示无功补偿后的异步电动机的功率因数角正切值下限， 表示无功补偿后的异步电动机的功率因数角正切值上限；

[0028] 则异步电动机的无功功率补偿容量Qx满足：

[0029]

[0030] 令

[0031] 其中，Q欠补表示异步电动机在任意的负载率β∈[β1,β2]的情况下，保证补偿后功率因数不小于目标功率因数下限的无功功率补偿量函数；Q过补表示异步电动机在任意的负载率β∈[β1,β2]的情况下，保证补偿后功率因数不大于目标功率因数上限的无功功率补偿量函数；

[0032] 计算 在[β1,β2]上的最大值Q欠补max，

[0033] 在[β1，β2]上的最小值Q过补min，

[0034] 异步电动机需要的无功补偿容量范围为Q欠补max≤Qx≤Q过补min。

[0035] 本发明还提供了一种存储介质，存储有程序指令，所述程序指令被执行时实现上述的排涝泵站异步电动机无功补偿分析计算方法。

[0036] 本发明还提供了一种电子设备，包括处理器和存储器，所述存储器存储有程序指令，所述处理器运行程序指令实现上述的排涝泵站异步电动机无功补偿分析计算方法。

[0037] 如上所述，本发明的一种排涝泵站异步电动机无功补偿分析计算方法，具有以下有益效果：

[0038] 1、本发明首先确定异步电动机的各个参数，包括额定功率、额定功率因数、额定效率，计算得到异步电动机的负载率区间，获取满足电网要求的目标功率因数范围，最后计算异步电动机需要的无功补偿容量范围。本发明能够对排涝泵站无功补偿进行分析，能够根据异步电动机的容量大小与运行方式来获取功率因数的就地补偿值。

[0039] 2、本发明所述的排涝泵站异步电动机无功补偿分析计算方法计算方便、快捷、可视化效果好。

附图说明

[0040] 图1显示为本发明的排涝泵站异步电动机无功补偿分析计算方法的流程示意图。

[0041] 图2显示为本发明的无功功率补偿分析计算界面。

[0042] 图3显示为本发明的某排涝泵站的无功功率补偿分析计算结果图。

[0043] 图4显示为本发明的某排涝泵站的无功补偿分析计算警告提示结果图。

[0044] 元件标号说明

[0045] S1～S6 步骤

具体实施方式

[0046] 以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

[0047] 需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

[0048] 本实施例提供一种排涝泵站异步电动机无功补偿分析计算方法，本发明能够对排涝泵站无功补偿进行分析，能够根据异步电动机的容量大小与运行方式来获取功率因数的就地补偿值。

[0049] 本实施例提供了一种排涝泵站异步电动机无功补偿分析计算方法，具体地，请参阅图1，所述排涝泵站异步电动机无功补偿分析计算方法包括：

[0050] S1、获取排涝泵站的水泵转速以及排涝泵站运行扬程范围内的多个水泵轴功率P；

[0051] S2、根据所述水泵轴功率P中最大的水泵轴功率和水泵转速，确定异步电动机的额定功率Pe、额定功率因数 额定效率ηe；

[0052] S3、根据运行扬程范围内的水泵轴功率P以及异步电动机的额定功率Pe，计算得到异步电动机的负载率区间[β1,β2]，其中，β1表示异步电动机的负载率下限，β2表示异步电动机的负载率上限；

[0053] S4、获取目标功率因数范围 其中， 表示目标功率因数下限，表示目标功率因数上限；

[0054] S5、根据异步电动机的负载率区间[β1,β2]、额定功率Pe、额定功率因数 额定效率ηe以及目标功率因数范围 计算异步电动机需要的无功补偿容量范围；

[0055] S6、在无功补偿容量范围内，确定满意的无功补偿容量。

[0056] 具体地，在本实施例中，在计算得到异步电动机需要的无功补偿容量范围之后，结合通用电容器产品容量，组合出一个在所述异步电动机需要的无功补偿容量范围内的电容器组，即为满意的无功补偿容量，尽量取范围内的较小值。

[0057] 具体地，在本实施例中，所述排涝泵站运行扬程包括最高扬程、设计扬程、最低扬程。

[0058] 具体地，以某排涝泵站为例，对主异步电动机运行可能出现的负载率进行分析，该排涝泵站设计流量为50m3/s，为单向排涝泵站，设4台竖井贯流泵，单泵设计流量12.5m3/s，转速为125r/min，采用立式平行轴齿轮减速传动方式，最大运行方式为4台机组同时运行，排涝泵站特征运行扬程参见表1。

[0059] 表1：

[0060]扬程 净扬程/m 总扬程/m
最高扬程 2.68 2.98
设计扬程 1.48 1.88
最低扬程 0.00 0.50

[0061] 根据设计规范，排涝泵站主异步电动机的容量应按排涝水泵运行可能出现的最大轴功率选配，并留有一定的储备，储备系数宜为1.05～1.10，排涝泵站运行扬程范围内的水泵轴功率P计算公式为 其中，K为储备系数；ρ为流体的密度，单位kN/m3；g为重力加速度，单位m/s2；Qp为排涝水泵的流量，单位m3/s；H为排涝水泵的扬程，单位m；ηp为排涝水泵的效率；ηit为传动装置的效率。

[0062] 排涝水泵各工况轴功率计算结果参见表2，考虑到排涝泵站的重要性及异步电动机的容量宜选用标准系列，与排涝水泵配套的异步电动机功率取为560kW。

[0063] 表2：

[0064] 工况 H Qp ηp ηit K P最高扬程工况 2.98 8.88 0.5638 0.97 1.10 522.1
设计扬程工况 1.88 12.50 0.7212 0.97 1.10 362.5
最低扬程工况 0.50 16.20 0.6051 0.97 1.10 148.9

[0065] 结合表2的计算结果，排涝泵站运行可能出现的负载率范围为0.265～0.932，设计扬程工况负载率为0.647。

[0066] 所述根据运行扬程范围内的水泵轴功率P以及异步电动机的额定功率Pe，计算得到异步电动机的负载率区间[β1,β2]包括：异步电动机的负载率的计算公式为β＝P/Pe，得到异步电动机的负载率区间[β1,β2]，其中，β表示异步电动机的负载率。

[0067] 电网要求用户侧功率因数在0.9～1.0之间，因此所述目标功率因数范围为[0.9,1.0]。

[0068] 具体地，所述根据异步电动机的负载率区间[β1,β2]、额定功率Pe、额定功率因数额定效率ηe以及目标功率因数范围 计算异步电动机需要的无功补偿容量范围包括：

[0069] 根据公式(1)估算异步电动机的空载电流：

[0070]

[0071] 其中， I0表示异步电动机的空载电流，Ie表示异步电动机的额定电流，k表示计算参数；

[0072] 异步电动机的实际消耗有功功率为公式(2)，

[0073] Pb＝P+∑P＝P/η   (2)

[0074] 其中， ∑P表示异步电动机的有功功率损耗，P0表示异步电动机的空载有功功率损耗，∑Pe表示异步电动机的额定负载时的有功功率损耗；

[0075] 异步电动机的无功功率为公式(3)，

[0076] Q＝Q0+β2(Qe-Q0)   (3)

[0077] 其中， Ue表示异步电动机的额定电压；

[0078] 无功补偿后的异步电动机的功率因数角正切值为公式(4)，

[0079]

[0080] 其中， 表示无功补偿后的异步电动机的功率因数角正切值，Qb表示无功补偿后的异步电动机的无功功率，Pb表示异步电动机的实际消耗有功功率，Qx表示异步电动机的无功功率补偿容量；

[0081] 异步电动机在任意的负载率β下，进行无功补偿后的功率因数满足目标功率因数范围 则无功补偿后的异步电动机的功率因数角正切值 需要满足即：

[0082] 异步电动机在任意的负载率β下满足

[0083] 其中， 表示无功补偿后的异步电动机的功率因数角正切值下限， 表示无功补偿后的异步电动机的功率因数角正切值上限；

[0084] 为了保证补偿效果，取 故

[0085] 则异步电动机的无功功率补偿容量Qx满足：

[0086] (Qe-Q0)β2-0.484Pe/ηeβ+Q0≤Qx≤(Qe-Q0)β2-0.251Pe/ηeβ+Q0[0087] 令Q欠补＝(Qe-Q0)β2-0.484Pe/ηeβ+Q0，Q过补＝(Qe-Q0)β2-0.251Pe/ηeβ+Q0；

[0088] 其中，Q欠补表示异步电动机在任意的负载率β的情况下，保证补偿后功率因数不小于目标功率因数下限的无功功率补偿量函数；Q过补表示异步电动机在任意的负载率β的情况下，保证补偿后功率因数不大于目标功率因数上限的无功功率补偿量函数；

[0089] Q欠补和Q过补是定义的两个函数，以负载率β为变量的一元二次方程。

[0090] 得到Q欠补＝(Qe-Q0)β2-0.484Pe/ηeβ+Q0在[β1,β2]上的最大值Q欠补max，[0091] Q过补＝(Qe-Q0)β2-0.251Pe/ηeβ+Q0在[β1,β2]上的最小值Q过补min，[0092] 要使补偿后 对负载率β1≤β≤β2时成立，只要使Q欠max≤Qx≤Q过min，其中，Q欠max取β1≤β≤β2时Q欠补的最大值，Q过min取β1≤β≤β2时Q过补的最小值。

[0093] 若β1≤β≤β2时，Q欠max＞Q过min，则说明并联电容器的就地补偿方式不能完全满足排涝泵站异步电动机的运行要求，此时可考虑采用集中补偿方式或允许极端工况下功率因数在 范围内，若β1≤β≤β2时， 则为防止自激过电压可考虑将电容器通过投切开关与电动机并联连接。

[0094] 本发明还提供了一种存储介质，存储有程序指令，所述程序指令被执行时实现上述的排涝泵站异步电动机无功补偿分析计算方法。

[0095] 一种电子设备，包括处理器和存储器，所述存储器存储有程序指令，所述处理器运行程序指令实现上述的排涝泵站异步电动机无功补偿分析计算方法。

[0096] 根据上述排涝泵站无功补偿分析，本发明基于Matlab_GUI平台实现了排涝泵站异步电动机无功补偿分析计算方法的计算过程，使分析计算更方便、快捷，可视化效果好。

[0097] 基于Matlab_GUI平台，设计排涝泵站无功补偿分析计算界面详见图2，图中，异步电动机参数、水泵电动机负载率、目标功率因数三个面板为输入模块，无功补偿计算结果面板为分析计算输出模块，功率因数与负载率关系曲线为分析计算输出曲线。

[0098] 水泵异步电动机的额定参数详见表3；

[0099]

[0100] 从图3中可以看出，按照194.707＜Qx＜213.816进行无功补偿后，电动机的功率因数满足 对负载率0.265≤β≤0.932时都能成立。从图4中可以看出，当异步电动机负载率低于0.265时，将不能得到满足 恒成立的无功补偿容量，分析计算出现警告提示。

[0101] 上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。