調(diào)壓型節(jié)能控制箱適應(yīng)性分析

李　雪（大慶油田有限責(zé)任公司第九采油廠）

調(diào)壓型節(jié)能控制箱適應(yīng)性分析

李雪（大慶油田有限責(zé)任公司第九采油廠）

從異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓節(jié)能原理出發(fā)，闡述不同負(fù)載調(diào)壓前后電動(dòng)機(jī)效率與轉(zhuǎn)差率的對應(yīng)關(guān)系，對不同負(fù)載下調(diào)壓前后消耗功率及負(fù)載功率進(jìn)行理論計(jì)算，分析節(jié)能控制箱負(fù)載率與節(jié)電率及日節(jié)電之間的關(guān)系，給出應(yīng)用節(jié)能控制箱選井條件，為推廣應(yīng)用提供借鑒。

調(diào)壓；節(jié)電率；負(fù)載率；轉(zhuǎn)差率

電動(dòng)機(jī)效率是衡量電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要指標(biāo)，在滿足相同負(fù)載功率前提下，電動(dòng)機(jī)效率越高，則能耗越小。對于負(fù)載周期性變化，且經(jīng)常處于輕載或空載狀態(tài)下的異步電動(dòng)機(jī)，通過調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)端電壓，可使自身損耗減小，提高效率，達(dá)到節(jié)能的目的。

1　電動(dòng)機(jī)降壓節(jié)能原理和參數(shù)分析

1.1降壓節(jié)能原理

電動(dòng)機(jī)的損耗包括：定子銅耗、轉(zhuǎn)子銅耗、鐵耗、機(jī)械損耗及雜損等。定子銅損PCu1、轉(zhuǎn)子銅損PCu2與定子、轉(zhuǎn)子電流平方成正比，鐵損PFe與電壓的平方成正比，在滿足負(fù)載有效功率需求的前提下，可以通過對電動(dòng)機(jī)供電電源的合理控制，使定子銅耗、轉(zhuǎn)子銅耗和鐵耗減小。

將維持電動(dòng)機(jī)工作的定子電流分解為轉(zhuǎn)矩電流分量及勵(lì)磁電流分量，勵(lì)磁電流分量依賴于電壓和磁通密度，在額定電壓下，磁場消耗的能量保持恒定，與負(fù)載所需的轉(zhuǎn)矩?zé)o關(guān)。轉(zhuǎn)矩電流分量與負(fù)載轉(zhuǎn)矩大小有關(guān)，在額定電壓下，隨著負(fù)載轉(zhuǎn)矩的減小，轉(zhuǎn)矩電流所占比重減小。

當(dāng)電源電壓大于電動(dòng)機(jī)額定電壓時(shí)：電動(dòng)機(jī)主磁通增加，導(dǎo)致勵(lì)磁電流Im上升，定子電流I1上升，導(dǎo)致定子鐵損PFe和銅損PCu1增加，無功勵(lì)磁分量占比重增加，電動(dòng)機(jī)效率下降，功率因數(shù)下降。由此得出，當(dāng)電動(dòng)機(jī)過載運(yùn)行時(shí)，通過將電源電壓降低至額定電壓可以提高電動(dòng)機(jī)效率。

當(dāng)電源電壓小于電動(dòng)機(jī)額定電壓時(shí)：若負(fù)載處于額定負(fù)載，此時(shí)勵(lì)磁電流Im將隨之減小，鐵芯損耗和定子銅損減小。但轉(zhuǎn)差率增大，轉(zhuǎn)子電流增加，轉(zhuǎn)子銅損耗也隨之增加。若異步電動(dòng)機(jī)輕載運(yùn)行，定子電流的勵(lì)磁分量Im起主要的作用，此時(shí)定子電流I1隨Im的減小而減小，定子的功率因數(shù)提高，鐵損降低。由此得出，輕載運(yùn)行時(shí)，適當(dāng)?shù)慕档碗妷嚎梢蕴岣唠妱?dòng)機(jī)效率。

1.2電動(dòng)機(jī)效率與轉(zhuǎn)差率、電壓的關(guān)系

三相異步電動(dòng)機(jī)的簡化等效電路［1］如圖1所示，對于容量較大的電動(dòng)機(jī)c1很接近1［2］，為了簡化計(jì)算，取c1=1。以下分析過程中假定電動(dòng)機(jī)的參數(shù)不變。

圖1　異步電動(dòng)機(jī)的簡化等效電路

轉(zhuǎn)子電流：

勵(lì)磁電流：

忽略機(jī)械損耗和附加損耗時(shí)輸出功率P2可表示為

定子端輸入的電功率P1可表示為

電動(dòng)機(jī)的效率可表示為

把公式（1）（2）（3）（4）帶入（5）有

對上式求導(dǎo)，即當(dāng)電動(dòng)機(jī)效率取得最大值時(shí)，可求得電動(dòng)機(jī)最大效率時(shí)的轉(zhuǎn)差率為

式（1）～（7）中：

I2'、Im——轉(zhuǎn)子電流、勵(lì)磁電流，A；

P1、P2——輸入功率、輸出功率，kW；

η、s——電動(dòng)機(jī)效率、轉(zhuǎn)差率，%；

r1、r2＇——定子、轉(zhuǎn)子電阻，Ω；

U、I1——定子電壓、電流幅值，V、A；

x1、x2——定子、轉(zhuǎn)子漏抗，Ω；

rm、xm——鐵耗等效電阻、激磁電抗，Ω。

將電動(dòng)機(jī)的相關(guān)參數(shù)帶入式（6），可以得到在s為0～1范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)效率與轉(zhuǎn)差率s的關(guān)系［3］如圖2所示。由公式（6）、（7）以及圖2可知，電動(dòng)機(jī)的效率僅與參數(shù)和轉(zhuǎn)差率的有關(guān)，考慮電動(dòng)機(jī)參數(shù)不變情況下，效率達(dá)到最大值時(shí)的轉(zhuǎn)差率也是恒定值。

圖2　異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率與電動(dòng)機(jī)效率的關(guān)系

對于某一特定轉(zhuǎn)矩負(fù)載而言，有以下2種方式使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差變化（在頻率一定條件下，轉(zhuǎn)差變化意味著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化）：

1）機(jī)械特性。異步電動(dòng)機(jī)在額定電壓下工作時(shí)，不同負(fù)載T的轉(zhuǎn)差率s不同，因此效率也就不同?？蛰d和輕載時(shí)的s較小，效率也較小，隨著負(fù)載T的增大，轉(zhuǎn)差率增加，當(dāng)T達(dá)到T（ηmax）時(shí)效率達(dá)到最大值，如果負(fù)載扭矩繼續(xù)增加，轉(zhuǎn)差率s增大，效率又逐漸減?。▓D3）。

圖3　異步電動(dòng)機(jī)不同負(fù)載調(diào)壓挖制效率曲線

2）調(diào)壓特性。如果負(fù)載為某一值不變，降低電壓后電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率也會(huì)增大，當(dāng)s達(dá)到s（ηmax）時(shí)效率達(dá)到最大值。如果電壓繼續(xù)降低，轉(zhuǎn)差率s增大，但是效率又逐漸減小。存在某一負(fù)載T（ηmax），降低電壓后，s增大，但電動(dòng)機(jī)效率η增加所以負(fù)載大于T（ηmax）的范周內(nèi)，額定電壓時(shí)的電動(dòng)機(jī)效率η最大。在負(fù)載小于T（ηmax）范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)電壓，使s始終保持在s（ηmax）附近，此時(shí)電動(dòng)機(jī)效率始終保持較高的ηmax值，負(fù)載大于T（ηmax），調(diào)壓后效率反而減低，因此沒有調(diào)壓的必要。

2　調(diào)壓型節(jié)能控制箱適應(yīng)性分析

根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)不同負(fù)載調(diào)壓控制仿真模型，通過調(diào)整電動(dòng)機(jī)電壓，在不同負(fù)載下電動(dòng)機(jī)效率均可達(dá)到最優(yōu)值，即ηmax對不同負(fù)載下調(diào)壓前后消耗功率及負(fù)載功率進(jìn)行理論計(jì)算求解流程如圖4。

例如，對于YCHD225-12/8在用功率為17 kW的電動(dòng)機(jī)，其不同負(fù)載率條件下工頻運(yùn)行及節(jié)能運(yùn)行條件下的能耗狀況如表1所示。

對于YCHD225-12/8型電動(dòng)機(jī)調(diào)壓控制有如下特點(diǎn)，節(jié)電率隨著負(fù)載率的降低而升高；日節(jié)電隨著負(fù)載率的增大先增加后降低；負(fù)載率為3.3%（對應(yīng)功率利用率18.4%），日節(jié)電最高達(dá)到51.8 kWh。也就是說負(fù)載率越低應(yīng)用動(dòng)態(tài)調(diào)壓技術(shù)并不一定效益最高。每臺(tái)節(jié)能控制箱2.3萬元，以投資回收期5年計(jì)算，日節(jié)電20 kWh，電動(dòng)機(jī)負(fù)載率22%，對應(yīng)的功率利用率為33.7%?？紤]到抽油機(jī)為變負(fù)載運(yùn)行，建議優(yōu)選功率利用率30%以下電動(dòng)機(jī)應(yīng)用節(jié)能控制箱。

圖4　計(jì)算流程

3　結(jié)論與建議

在不同負(fù)載下，通過調(diào)整電動(dòng)機(jī)電壓，進(jìn)而控制轉(zhuǎn)差率可以使電動(dòng)機(jī)效率達(dá)到最高值。

2）針對廠部分電動(dòng)機(jī)負(fù)載率低導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)效率偏低的實(shí)際，通過應(yīng)用動(dòng)態(tài)調(diào)壓技術(shù)，可以提高電動(dòng)機(jī)效率，節(jié)電率隨著負(fù)載率的降低而升高，日節(jié)電隨著負(fù)載率的增大先增加后降低。

3）由于抽油機(jī)載荷呈周期波動(dòng)，對于YCHD225-12/8型電動(dòng)機(jī)，建議針對功率利用率30%以下的異步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用動(dòng)態(tài)調(diào)壓技術(shù)。

［1］韓星海.異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓節(jié)能控制的理論分析與仿真［J］.濰坊學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，10（4）：21-24.

［2］張承慧，李愛文，張慶苑.感應(yīng)電動(dòng)機(jī)新型最小損耗控制策略［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，1998，13（4）：25-29.

［3］程明，曹瑞武，胡國文，等.異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓節(jié)能控制方法研究［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2008（1）：6-11.

（編輯賈洪來）

1）調(diào)壓節(jié)能的實(shí)質(zhì)是控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率，

表1　YCHD225-12/8電動(dòng)機(jī)不同負(fù)載率調(diào)壓控制前后理論計(jì)算

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.07.001

2015-11-24

李雪，2011年畢業(yè)于西南石油大學(xué)（資源勘查工程專業(yè)），從事采油工程相關(guān)工作，E-mail：324265647@qq.com，地址:黑龍江省大慶油田有限責(zé)任公司第九采油廠，163853。