電機(jī)負(fù)載率功率法測(cè)試適應(yīng)性分析

文_任軍平 王飛 黃建敏 陳能 隋志成

1.中國(guó)石油塔里木油田分公司油氣工程研究院；2.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

1 前言

油田機(jī)泵系統(tǒng)所采用的三相異步電機(jī)在向各類泵提供原動(dòng)力的同時(shí)，也產(chǎn)生了自身?yè)p耗。為檢測(cè)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的能耗情況，需要對(duì)其運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和能效測(cè)試，其中負(fù)載率是電動(dòng)機(jī)輸出軸功率與額定功率之間的比值，是電機(jī)運(yùn)行的重要參數(shù)之一，負(fù)載率的大小直接影響電機(jī)的效率與耗電量大小。因此，在節(jié)能監(jiān)測(cè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，提供了多種三相異步電機(jī)的負(fù)載率的測(cè)試方法，其中功率法是最主要的測(cè)試方法之一。

2 負(fù)載率功率法測(cè)試方法

功率法是測(cè)試電機(jī)運(yùn)行過(guò)程負(fù)載率的主要方法之一，該測(cè)試方法中所需部分參數(shù)可以由電機(jī)銘牌直接獲取，電機(jī)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)測(cè)試項(xiàng)目主要為電參數(shù)測(cè)試，因此廣泛應(yīng)用于電機(jī)能耗分析和評(píng)估。電機(jī)負(fù)載率計(jì)算為公式(1)

式中：

負(fù)載率功率測(cè)試方法中，電機(jī)額定功率、電機(jī)額定效率和電機(jī)空載有功損耗可由電機(jī)銘牌數(shù)據(jù)或電機(jī)檔案獲得，電機(jī)輸入功率可由儀表現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試獲得。考慮油田節(jié)能降耗需要對(duì)電機(jī)容量進(jìn)行配置、改造或變頻技術(shù)的推廣應(yīng)用，需要對(duì)電機(jī)負(fù)載率進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算測(cè)試，因此本文對(duì)負(fù)載率功率測(cè)試法的適應(yīng)范圍進(jìn)行討論。

3 負(fù)載率功率法測(cè)試適應(yīng)性分析

因此，由式（2）和式（3）將負(fù)載率的定義式轉(zhuǎn)化式(4)

式(4)為以負(fù)載率為未知數(shù)的二次方程，經(jīng)等號(hào)兩邊整理并消去結(jié)果為負(fù)數(shù)的偽值，即可得到于式（1）相同的負(fù)載率功率測(cè)試方程。然后，根據(jù)定義，式（3）中的后兩項(xiàng)即為電機(jī)在某一負(fù)載率時(shí)對(duì)應(yīng)的有功損耗。因此，電機(jī)負(fù)載率功率法測(cè)試方程成立的前提即為式（3）中的后兩項(xiàng)作為電機(jī)在某一負(fù)載率時(shí)對(duì)應(yīng)的有功損耗成立。而電機(jī)有功損耗相當(dāng)于電機(jī)空載有功損耗與電機(jī)對(duì)應(yīng)負(fù)載率下的可變有功損耗之和，即：

式中：

由于電機(jī)空載有功損耗為電機(jī)鐵耗、電機(jī)風(fēng)耗和電機(jī)空載銅耗之和，因此，式（5）可以轉(zhuǎn)化為：

式中：

由上式可得：

式中：

另外，由于雜散損耗與電流的平方成正比，因此有：

在三相異步電機(jī)的負(fù)載定子電流、負(fù)載轉(zhuǎn)子電流和空載定子電流之間存在如下關(guān)系式：

因此，有：

將上式帶入式（10），可得：

將式（9）和式（13）帶入式（6），并整理得：

式中，當(dāng)電機(jī)處在額定狀態(tài)下時(shí)，

由上述證明過(guò)程發(fā)現(xiàn)，當(dāng)式（5）成立時(shí)電機(jī)負(fù)載率功率法測(cè)試方程成立，否則電機(jī)負(fù)載率計(jì)算會(huì)帶來(lái)較大的誤差。電機(jī)長(zhǎng)期處于惡劣作業(yè)環(huán)境會(huì)加速電機(jī)絕緣老化、加劇磨損，進(jìn)而增大電機(jī)空載有功損耗，使得功率法負(fù)載率測(cè)試誤差增大。

4 案例分析

為驗(yàn)證上述分析，選取國(guó)內(nèi)某油田正常運(yùn)行級(jí)數(shù)分別為2、4、6的三相異步電機(jī)為測(cè)試對(duì)象，其基本參數(shù)如表1所示。

表1 電機(jī)基本參數(shù)

表2 不同輸入功率時(shí)電機(jī)的負(fù)載率

表2 不同輸入功率時(shí)電機(jī)負(fù)載率的誤差

由表2和表3可以看出，對(duì)于不同型號(hào)的電機(jī)，其負(fù)載率均隨著電機(jī)輸入功率的增大而逐漸增大，并且根據(jù)負(fù)載率功率測(cè)試方法得到的負(fù)載率誤差隨電機(jī)輸入功率的變化有所減小。當(dāng)電機(jī)負(fù)載率大于50%之后，即電機(jī)輸入功率接近額定功率范圍時(shí)，采用功率法得到的負(fù)載率誤差在5%以內(nèi)，得到的結(jié)果能夠滿足工程測(cè)試需求。但當(dāng)電機(jī)處于輕載時(shí)，采用功率法所得的電機(jī)負(fù)載率誤差較大，所得結(jié)論與理論分析保持一致。

5 結(jié)語(yǔ)

測(cè)試負(fù)載率功率法受電機(jī)內(nèi)部參數(shù)變化影響較小，當(dāng)電機(jī)在接近額定電壓范圍內(nèi)作業(yè)時(shí)，采用該方法能夠得到較為準(zhǔn)確的電機(jī)負(fù)載率。但當(dāng)電機(jī)負(fù)載率顯著降低時(shí)，采用該方法測(cè)試結(jié)果會(huì)產(chǎn)生較大誤差，不適用于重輕載下電機(jī)的負(fù)載率計(jì)算。