籠型異步電機在發電和電動工況下的損耗和無功特性研究*

牟樹貞， 趙海森， 羅應立， 姚丙雷

(1.華北電力大學電氣與電子工程學院，北京 102206;

2.上海電器科學研究所(集團)有限公司，上海 200063)

0 引言

在油田的實際生產中，籠型異步電機被廣泛應用于驅動游梁式抽油機，此類機械設備具有周期性變化的特點［1］，使得電機在一個運行周期中存在重載、輕載、空載及發電等多種運行狀態，與恒定負荷相比，這種運行條件下的電機損耗和無功需求規律復雜多變且難以預測。因此，為了能夠給帶此類負荷的異步電機如何采取有針對性的節能控制措施提供依據，研究運行在這種復雜工況下的電機損耗及無功特性是很有必要的。

在周期性變工況條件下異步電機運行性能及節能控制方面，國內外學者已開展了大量研究，例如，文獻［1-2］研究了周期性負荷對電機效率和運行特性的影響;文獻［3］針對此類負荷設計了具有高轉差率的電機，并將其運行特性與普通異步電機進行了對比研究;文獻［4］對抽油機電機運行在發電工況時的耗電機理進行詳細分析，并對無功補償、調壓節能及雙功率電機等多種節能控制措施進行了實測對比;文獻［5］在考慮抽油機電機等效電路非線性的基礎上，分析了不同工況下感應電勢的變化特點，并討論了此類變工況條件下電機的節能機理和途徑;文獻［6］以總損耗最小為目標函數，求出周期性變工況下電機的最優電壓曲線，并對比分析了此類工況下異步電機的不同節能途徑;文獻［7-9］在對現場實測300多臺抽油機電機負荷特性曲線進行系統研究的基礎上，研制出集斷續供電、星角動態轉換及動態無功補償于一體的節能控制器，并將其應用于油田生產，取得了顯著節能效果。但是，上述文獻均側重于電機損耗和無功的外部特性研究，并未深入研究電動和發電工況下，電機內部定轉子銅耗、鐵耗、附加損耗及無功需求的變化規律。

針對這一問題，本文以5.5 kW異步電機為實例，設計了能夠模擬電動和發電工況的試驗方案，對其在不同工況下的損耗和無功需求進行了系統的試驗研究，并分析得出，電機定轉子銅耗、鐵耗、附加損耗及無功需求隨負載轉矩的變化規律，此外，考慮到工程實際中定子電流較容易測量，文中還進一步分析了上述各項損耗隨定子電流變化的一般規律。文中研究成果為運行在周期性變工況條件下的異步電機能耗在線分析，以及如何采取合理節能控制措施奠定了理論基礎。

1 不同工況下電機損耗和無功需求

1.1 電動工況

異步電機在電動工況下運行時，轉差率0＜s＜1，電機正常運行時從電網吸收有功和無功功率，這種狀態下的相量圖如圖1(a)所示。不考慮制造加工因素的影響，對該工況下電機損耗和無功需求的定性分析可從以下幾方面展開。

(1)定轉子基波電流產生的銅耗:電流主要取決于負載大小，故定、轉子銅耗隨負載增加而增加;

(2)主磁場在鐵心內部交變產生的基本鐵耗:由于轉子轉速接近同步速，主磁場與轉子鐵心的相對轉速很小，故基本鐵耗主要以定子側為主。當負載電流增加時，定子側阻抗壓降增加，導致定子側感應電勢降低、主磁場減小，基本鐵耗略有降低;

(3)附加損耗:異步電機的附加損耗包括基頻和高頻附加損耗兩類［10］，前者由漏磁場在端蓋、機座等結構件中產生;后者主要由諧波磁場及電流產生。由于附加損耗影響因素較多，其隨負載變化規律難以直觀定性分析，本文將結合不同負載下實測的附加損耗值，對其變化規律進行詳細分析;

(4)無功需求:從圖1(a)中可直觀看出，定子電流I1始終滯后U1一個角度 φ(0°＜φ＜90°)，此時電機從電網吸收無功，且主要用于建立主磁場。

1.2 發電工況

在發電工況下(轉差率s＜0)，電機功率流向與電動工況正好相反，但仍需要從電網側吸收無功以建立主磁場，如圖1(b)所示，負載側所提供的機械功率一部分轉化為電機內部損耗，另一部分轉化為電能回饋到電網，在該工況下，電機定、轉子銅耗及附加損耗隨負載變化規律和電動工況時相同，但不同于受發電工況下激磁電勢升高和有功電流反向的影響［5］，電機的基本鐵耗會隨負載增加而增加，其增加程度主要取決于此時感應電勢的大小。

由于發電工況時電機的輸入功率和負載轉矩均為負值，為便于后續分析，文中仍按電動慣例分析發電工況下的功率流向，即把定子側電功率作為輸入功率，將轉子側機械功率作為負載輸出功率。

1.3 有功零輸入時的特殊工況

電機從電動工況變為發電工況，機端有功流向由從電網吸收有功轉變為向電網發出有功。在整個轉變過程中存在有功功率為零的時刻。該工況下的典型向量圖如圖1(c)所示，可以看出，定子電流和端電壓之間的夾角φ=90°，電機從電網吸收的有功功率為零，此時只從電網吸收無功功率。

2 試驗方案介紹

2.1 試驗方案設計

圖1 不同工況下的異步電機相量圖

上文主要分析了電動和發電工況下，電機內部損耗和無功需求情況，但僅從定性角度很難對不同工況下電機內部各項損耗和無功需求進行對比研究。為此，文中設計了可模擬電動和發電工況的試驗方案，其基本結構原理如圖2所示，主要由異步電機、直流電機、調壓器、功率分析儀、轉矩轉速傳感器組成。輸入有功和無功功率利用高精度功率分析儀實時監測，輸出功率可利用轉矩轉速傳感器實時測量電機轉矩和轉速求出。以下簡要介紹如何利用該平臺實現異步電機的電動和發電工況。

圖2 試驗方案基本原理圖

(1)電動工況:由異步電機作為原動機拖動直流電機運行，此時直流電機作為發電機運行，即K1閉合、K2斷開。通過控制直流電機所帶負載可實現異步電機的負載調節。

(2)發電工況:直流電機作為原動機拖動異步電機運行，即K2閉合、K1斷開。當轉子轉速超過同步速、轉子磁場超前于定子磁場一個角度時，電機就會進入發電工況。通過控制直流電機側輸入功率可調節異步機向電網輸出功率大小。

2.2 基于實測數據的電機內部各項損耗計算

利用文獻［11-12］推薦的B法對電機進行測試，可方便得出定子銅耗Pcu1、轉子銅耗Pcu2，風摩耗Pfw可利用空載試驗求出，由于試驗過程中電機轉速變化較小(±50轉范圍內)，故可認為風摩耗

關于附加損耗Pδ的計算，文獻［10-11］中指出，利用實測電機輸入和輸出功率求出電機總損耗，再用總損耗減去定轉子銅耗、基本鐵耗及風摩耗，便可得出附加損耗，求解公式如下:

利用式(3)求出不同負載下的附加損耗后，對各負載點的附加損耗值進行線性回歸分析［10］，便可求得電機不同負載下的附加損耗。

結合實測各電氣量及損耗數據，利用上述方法得到5.5 kW電機空載運行時，定子銅耗為61 W、風摩耗為60 W，實測得到基本鐵耗和空載附加損耗之和為122 W。為了將兩者分離，利用基于時步有限元的鐵耗計算方法［13］得到的空載基本鐵耗約為85 W，進而求出空載附加損耗為37 W。不變。

在電源頻率不變的條件下，基本鐵耗Pfe與感應電勢平方成正比［13］，上述測試標準中均假定試驗過程中繞組感應電勢等于機端電壓，進而得出負載試驗下基本鐵耗近似等同于空載基本鐵耗。實際上，受繞組電阻和漏電抗影響，感應電勢與機端電壓存在一定差別，這將導致不同負載下基本鐵耗將發生一定變化，這在發電工況下尤為明顯。為準確求出電動和發電工況下帶不同負載時的基本鐵耗，文中根據圖1所示各電氣量之間的關系，列出不同工況下定子電壓方程，表達式如下(為便于書寫，式中省略相量標識“.”)。

式中:U1——機端電壓;

I1——定子電流;

R1、X1——定子繞組電阻和漏電抗。

上述參數均可實測得出，利用式(1)可求得不同負載下的感應電勢E1。令空載感應電勢和基耗為E0和Pfe0，則任意負載下的基本鐵耗PFe可由式(2)求得

3 不同工況下電機損耗和無功特性對比研究

3.1 輸入和輸出有功功率曲線

為了直觀地描述電動和發電工況下損耗和無功需求變化規律，以下分析中首先選擇轉矩作為參考量，分析所測得的不同工況下輸入和輸出功率曲線，如圖3所示，其中轉矩負值表示功率由直流電機側流向異步電機，而有功功率負值表示在電機定子端監測到發電工況下異步電機向電網發出的功率。

由圖3可看出，當負載轉矩T=0時，輸入功率仍大于零，進一步對試驗數據分析發現，當負載轉矩為－1.1 N·m時，輸入功率為零，即－1.1＜T＜0，電機仍從電網吸收有功功率，同時負載側也向電機輸入一部分有功，在該區間內，電機雖然已進入發電工況，但并不向電網發出有功，其內部損耗由電網和負載側共同提供，文中將該區間稱為發電工況負功不可測區，如圖3中區域②所示;同時將另外兩個運行區域稱為發電工況負功可測區和電動工況區，如圖3中區域①和區域③所示。考慮到區域②持續時間較短且始終接近空載運行，以下主要針對區域①和區域③中電機各項損耗和無功需求進行分析。

圖3 輸入和輸出有功功率變化曲線和工況分區圖

3.2 電機內部各項損耗變化規律

為能夠直觀的對比發電和電動工況下，電機各項損耗大小及其變化規律，將負載轉矩絕對值作為參考量進行分析，所得到的各項損耗及轉差率變化曲線如圖4所示，對圖中曲線進行分析可得出如下結論:

(1)不同工況下定轉子銅耗隨轉矩變化規律及趨勢基本一致，即電動工況下定轉子銅耗要高于發電工況，且負載轉矩越大，兩者差別越明顯，如圖4(a)、圖4(b)所示。這主要是由于當轉矩絕對值相同時，運行于電動工況下的電機轉差率較高，如圖4(f)所示，這相當于電機所帶負載相對較大，使得定、轉子電流及銅耗均高于發電工況。

(2)發電工況下基本鐵耗高于電動工況，如圖4(c)所示，其原因在前文已有敘述，即發電工況下定子繞組感應電勢高于電動工況，導致鐵心飽和嚴重、鐵耗增加;但兩者變化趨勢有一定差別，主要體現在發電工況下鐵耗增加平緩，而電動工況下鐵耗隨負載增加而減小，且變化趨勢近似線性，這主要是由于兩種工況下繞組電阻壓降方向不一致引起，通過實測數據計算得出定子繞組感應電勢由360 V降低至額定負載時的340 V，而發電工況則增加至370 V，兩者變化趨勢與圖4(c)一致，這一點也可從圖1(a)和圖1(b)的相量圖中分析得出。

(3)兩種工況下的附加損耗均隨負載增加而增加，且發電工況下的附加損耗大于電動工況，如圖4(d)所示。根據前文分析可知，在不考慮電機制造加工因素影響時，附加損耗大小一方面取決于基波電流產生漏磁場，另一方面取決于電機內部諧波磁場和電流，其中后者占主要成份。電機在兩種工況下輕載時，定轉子電流較小，由其產生的諧波電流和磁場較小，對附加損耗影響不明顯，但發電工況下感應電勢要明顯高于電動工況，使得電機磁路飽和程度增加，主磁場和諧波磁場均不同程度增加，由其產生的諧波電流、磁場及轉子導條間橫向電流產生損耗均高于電動工況，由此導致發電工況下的附加損耗較高;隨著負載增加，兩種工況下的定轉子電流均大幅增加，但發電工況下感應電勢的增加趨于平緩，這兩種因素共同作用，導致發電工況下附加損耗近似線性變化，而電動工況下的附加損耗變化規律則和定轉子電流(定轉子銅耗)一致。

綜合上述各項損耗變化趨勢，可得出兩種工況下電機總損耗變化規律如圖4(e)所示，由圖中所示曲線可得出:輕載時，發電工況下的總損耗略大于電動工況，重載時則相反，這主要是由于在輕載時，定轉子銅耗增加速度低于基本鐵耗和附加損耗增加速度，導致發電工況下總損耗略大于電動工況;當負載增加后，定轉子電流大幅增加，尤其產生的損耗在總損耗中占主要成份，最終導致電動工況下總損耗大于發電工況。

圖4 各項損耗和轉差率隨轉矩變化曲線

考慮到在實際生產中，負載轉矩通常難以測量，為能夠根據所測電氣量直接判斷電機在不同工況下的損耗特性，以下選擇較易測量的定子電流作為參考量，對比分析在不同工況下電機各項損耗、轉矩及轉差率的變化情況，結果如圖5所示，對其進行分析可得出如下結論:

(1)定子電流相同時，電動工況轉差率略高于發電工況，如圖5(f)所示，但此時發電工況的轉矩略高于電動工況，如圖5(e)所示，這使得定子電流相同時兩種工況下轉子銅耗基本一致。

(2)在相同定子電流下，發電工況下的基本鐵耗和附加損耗均大于電動工況，其原因在前述分析中已詳細論述，此處不再贅述。

綜上可得，相同定子電流情況下發電工況總損耗始終大于電動工況，當定子電流為額定電流時，發電工況下總損耗比電動工況高9%(約100 W)。

3.3 無功需求分析

不同工況下電機無功需求隨轉矩和定子電流的變化曲線如圖6所示，分析圖中曲線可得出以下結論:

(1)不論是發電還是電動工況，無功需求均隨負載轉矩和定子電流的增加而增加，原因主要有以下三個方面:首先，在不考慮漏磁路飽和時，定轉子電流隨負載增加而增加，定轉子漏抗所消耗的無功與電流成正比，其在重載時消耗的無功將大幅增加;其次，由于繞組分布和齒槽效應產生的諧波磁場所消耗的無功也會隨負載增加而增加;此外，電動工況下，受繞組感應電勢降低影響，建立主磁場所需無功會隨負載增加而減小，而發電工況則相反，建立主磁場所消耗的無功在輕載時占主要成份，這導致輕載時電機無功需求增加趨勢平緩，當負載增加到一定程度后，上述前兩個因素成為確定無功消耗的主要因素，使得無功需求迅速增加。

(2)發電工況下無功需求均高于電動工況，隨負載增加，兩種工況下無功需求差距也隨之增加。例如，當電流為IN/2時，發電工況的無功比電動工況高8.2%(約270 var)，而電流為IN時，發電工況無功需求比電動工況要高20%(約800 var)。這主要是因為發電工況下定子繞組感應電勢較高，與之相對應的主磁通會高于電動工況，故需要從電網吸收更多無功建立主磁場;此外，較高的繞組感應電勢會引起磁路過飽和，導致電機內部磁場畸變嚴重，由此產生的諧波磁場會進一步消耗更多無功。

圖5 損耗、轉矩及轉差率隨定子電流變化曲線

圖6 無功功率隨轉矩和定子電流的變化曲線

4 結語

(1)定性分析了籠型異步電機在發電和電動工況下的各項損耗和無功需求變化情況，并設計了可模擬發電和電動工況的試驗方案。

(2)通過系統試驗研究得出電動和發電工況下，電機各項損耗和無功需求隨負載轉矩和定子電流的變化規律。為實際生產如何根據可測電氣量判斷發電和電動工況下電機的損耗和無功需求特性，提供可供參考依據。

此外，需要指出的是，對于不同容量電機，各項損耗在總損耗中所占比例存在一定差別，作為初步研究，本文僅選用了一臺5.5 kW電機進行了試驗研究。因此，對于大容量電機在不同工況下的損耗和無功需求特性的問題，仍需進一步研究。

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