異步電動機臨界反電勢測試與最優(yōu)節(jié)點研究

盧正通 焦裕璽 孫東 馬坤（中國石化勝利油田技術(shù)檢測中心）

異步電動機臨界反電勢測試與最優(yōu)節(jié)點研究

盧正通 焦裕璽 孫東 馬坤（中國石化勝利油田技術(shù)檢測中心）

通過分析異步電動機Γ型等效電路，得到轉(zhuǎn)差率與定子端電壓、功率因數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，間接地尋找不同負載下的最優(yōu)工作電壓，從而獲得最大功率因數(shù)來實現(xiàn)節(jié)能。研究的目的是找到電動機的定子最優(yōu)電壓，從而實現(xiàn)電動機的最優(yōu)運行。經(jīng)過測試驗證對比，發(fā)現(xiàn)理論分析與現(xiàn)場實測非常接近，驗證了該方法的有效性。

異步電動機 臨界反電勢 功率因數(shù)

在油田實際應(yīng)用中，電動機經(jīng)常在變負荷狀態(tài)[1]下運行，有很多負荷的功率在重載、輕載及空載之間周期性大幅度變化，甚至有些負荷還存在倒發(fā)電工況，這就導(dǎo)致異步電動機的功率因數(shù)低，效率不高，電能浪費現(xiàn)象十分嚴重。因此，提高電動機的運行功率因數(shù)具有重要意義。

目前，異步電動機的節(jié)能[2]方法有很多種，這里只分析調(diào)壓方式研究異步電動機的能耗問題。在負載率一定的情況下，分析功率因數(shù)與定子端電壓的關(guān)系式，通過計算和實驗找到臨界反電勢即定子電壓最優(yōu)點，此時的定子電壓對應(yīng)功率因數(shù)最大，實現(xiàn)了調(diào)節(jié)電壓以提高功率因數(shù)，進而達到節(jié)能的目的。最優(yōu)電壓問題是指在一定的負載轉(zhuǎn)矩條件下對異步電動機施加什么樣的電壓，能夠使電動機功率因數(shù)最大。

1 基于電壓控制的異步電動機節(jié)能原理

異步電動機Γ型等效電路如圖1所示：對于準確Γ型電路，圖中系數(shù)c1=1+Z1/Zm，對于大容量電動機X1?Xm，c1是一個幅值接近于1的常數(shù)，為方便計算取c1=1；電動機的功率因數(shù)角為電壓與電流的相位差，它等于單相阻抗Z的阻抗角。由圖1知道阻抗Z、功率因數(shù)角?、功率因數(shù)cos?，s為轉(zhuǎn)差率。各參數(shù)之間的關(guān)系可由下式表示：

圖1 電動機等效電路

其中，a、b、c、d、e代表以下變量：

當功率因數(shù)角?取得最小值時有可求出最小功率角即最大功率因數(shù)，此時的轉(zhuǎn)差率為

轉(zhuǎn)差率s的范圍是（0，1），考慮電動機參數(shù)不變的情況下，cos?達到最大時有恒定的smin，同樣存在調(diào)壓特性和機械特性[3]對功率因數(shù)的影響（圖2）。

圖2 功率因數(shù)曲線

1）機械特性：在額定功率下，不同負載下s不同，因此功率因數(shù)也不同。空載和輕載時s較小，功率因數(shù)也較小，隨著負載的增大，s增大。當s達到smin時功率因數(shù)達到最大值，如果負載繼續(xù)增大，s增大，功率因數(shù)又會減小。

2）調(diào)壓特性：如果負載恒定，降低電壓后電動機s增大，當s到達smin時功率因數(shù)達到最大值。如果電壓繼續(xù)降低，s增大，功率又逐漸減小。在某一負載T下，存在某一電壓對應(yīng)的?最小，功率因數(shù)達到最大，這里剛好對應(yīng)smin的狀態(tài)，這時在電壓不變時，大于或者小于這一負載下功率因數(shù)都會減小。

對于某一恒定負載，忽略機械損耗和附加損耗，認為T和負載轉(zhuǎn)矩相等，推出當負載轉(zhuǎn)矩、頻率、電動機各參數(shù)不變時的電壓與轉(zhuǎn)差率的關(guān)系：

將此時的轉(zhuǎn)差率smin代入，即可獲得最大功率因數(shù)時的定子電壓即臨界反電勢。

2 實驗實測

在一定負載下，連續(xù)調(diào)整電動機的定子電壓，用FLUK43B電力分析儀測試電動機的瞬時無功功率，并用萬用表測試電壓。當FLUK43B測取的無功功率既不顯示“C”（容性無功）也不顯示“L”（感性無功）時，對應(yīng)的定子電壓即為該負載下的臨界反電勢，此時的無功功率很小。

對于不同額定電壓等級（380 V、660 V、1140 V）、不同額定功率（22 kW、30 kW）和不同轉(zhuǎn)速750 r/min，1000 r/min的多臺電動機進行運行測試，各參數(shù)結(jié)果見表1。

表1 不同電壓等級對應(yīng)的功率和功率因數(shù)

從30 kW的8極380 V電動機不同負載率對應(yīng)不同電壓下的功率因數(shù)關(guān)系可以看出：

1）電動機的臨界反電勢在380～390 V之間，功率因數(shù)能達到0.999，當定子電壓高于電動機的臨界反電勢時，其感性無功功率呈感性功率因數(shù)運行；當定子電壓低于電動機的臨界反電勢時，電動機的容性無功功率呈容性功率因數(shù)運行。

2）當電動機的定子電壓等于或近似等于其臨界反電勢時，電動機功率因數(shù)最高。

3）負載率較低時，功率因數(shù)隨外加定子電壓偏離臨界反電勢的增大而減小，定子電壓偏離臨界反電勢越多，功率因數(shù)下降越多。

4）隨負載率的增大，電壓變化對功率因數(shù)的影響逐漸減弱。

5）在定子電壓一定時，電動機的負載率越低，功率因數(shù)越低。

6）電動機空載臨界反電勢近似等于空載反電勢，隨著負載的增加，臨界反電勢逐漸下降。

3 結(jié)論

試驗結(jié)果表明，在同樣的工況下，電動機功率因數(shù)同定子電壓有著密切的關(guān)系。當變壓器輸出電壓過低時，無功為負值，此時電動機呈容性，功率因數(shù)低于0.9（額定值）；當電壓過高時，無功為正值，此時電動機呈感性，功率因數(shù)同樣低于0.9（額定值）；當在某一固定電壓時，無功趨近為零，功率因數(shù)為1，電動機達到理想運行狀態(tài)，電力效率最高，損耗最小，此時電壓等于電動機的反電勢點。由試驗數(shù)據(jù)可知，該井的反電勢點略低于390 V，由于變壓器檔位少，所以無法精確調(diào)試出該井的反電勢點。該方法有著明顯的節(jié)電效果，電動機效率也相應(yīng)提高，有待于進一步開發(fā)研究。

[1]羅雄.不均勻負載電動機調(diào)壓節(jié)能裝置的研究[D].北京:華北電力大學(xué)（北京）:2004.

[2]李彪.周期性負載條件下異步電機節(jié)能控制器的研究[D].濟南:山東大學(xué):2011.

[3]賀潔.異步電機輕載條件下調(diào)壓節(jié)能最優(yōu)電壓分析[J].山東大學(xué)學(xué)報,2012(6):41-46.

10.3969/j.issn.2095-1493.2015.004.003

2014-10-08）

盧正通，山東科技大學(xué)在讀碩士研究生，從事石油開發(fā)節(jié)能項目研發(fā)工作，E-mail：1206434337@qq.com，地址：山東省青島市黃島區(qū)前灣港路579號山東科技大學(xué)，266590。