淺析感應電動機節能技術及應用

趙法武 趙海龍 舒展

摘 要：在考慮感應電動機等效電路參數非線性的基礎上，研究了游梁式抽油機電動機有功及無功綜合節能的機理和途徑。通過磁路分析，研究了等效電路參數與感應電勢之間的非線性關系，以及鐵耗、定轉子銅耗與轉差率的非線性關系。從而提出游梁式抽油機電動機可采用調壓節能、電容器動態補償節能、星形-三角形變換調壓節能等方法實現綜合節能。

關鍵詞：感應電動機；非線性關系；節能

油田在用電動機的綜合節能

關于油田在用電動機的運行工況及節能機理，在以往文獻中已有較多論述，從不同的角度提出了諸如超高轉差率電動機節能、晶閘管調壓節能、星-角動態切換節能以及變頻調速節能等大量節能途徑，取得了一定的成果。

為了進一步提高機節能效果，為探尋新的節能途徑提供理論依據，并找出在實際生產中可以推廣應用的措施，筆者在考慮感應電動機等效電路參數非線性的基礎上，研究電動機有功及無功綜合節能的機理和途徑。首先通過磁路分析，研究了等效電路參數與感應電勢之間的非線性關系；最后在計及參數非線性的基礎上，分析了幾種節能途徑，重點介紹了在電動機的出線端通過可控硅自動投切電容器，不但可以節省無功功率，而且可以減少轉子損耗及增加發電機工況所發出的有功功率。從而達到節省無功功率和節省有功功率雙重的效果。

電氣原理圖

圖l是油田在用電動機及其供電回路的典型電氣原理圖。圖中Re和Xe代表線路阻抗，R1、R2、X1、X2、Rm、Xm代表感應電動機的參數，可變電容C代表用低壓動態補償電容器。圖中參數的典型數值為R1=0.15Ω；Xl=0.6Ω；R2=0.6Ω；X2=0.6Ω；Rm=515Ω； Xm=16Ω；C=200μF；電動機額定容量P2=45kW。

考慮非線性時的能量傳輸及損耗

1.不同激磁電勢下電路參數的變化

當激磁電勢變化時，隨著飽和情況的變化，電路的參數Rm、 Xm會發生明顯變化。根據電動機的磁化曲線通過詳細的磁路分析得到的Rm、 Xm與激磁電勢之間的非線性關系。可以看出，激磁電勢增大時，Rm、 Xm明顯減小，這就是電動機參數的非線性現象。

2.鐵耗及無功功率

考慮到

Qm=2E12/Xm （1）

Pfe=3E12/Rm （2）

可以看出，激磁電勢的增大與相應的Rm、Xm的減小都使無功消耗Qm及鐵耗Pfe隨電勢增大而急劇地增大。

這說明發電機工況下的鐵耗及無功功率將會十分顯著地大于電動機工況的相應數值。以上述45kW電動機為例

可以得出：發電機重載工況所需無功功率（30.7 kvar）接近電動機重載工況所需無功功率（16.9 kvar）的2倍。

3.轉差率及轉子銅耗

由圖1容易得到電磁轉矩

Tem=m*E12* R2/[Ω*S*（ X22+ R22/S2）] （3）

式中m、Ω——電動機的相數和同步轉速。

據此可求得轉差率與激磁電勢之間的關系

（4）

其中“+”用于發電機工況；“一”用于電動機工況。

根據式（4）進行的實際計算表明，對于一定大小的電磁轉矩，在電動機及發電機正常運行區間，當激磁電勢較大時，相應的S則較小。考慮到轉子銅耗

PCu2=TemΩS （6）

所以，當激磁電勢較大時，轉子銅耗較小。

感應電動機綜合節能的討論

1.調壓節能

因為驅動力矩與激磁電勢的平方成正比，同時無功消耗Qm及鐵耗PFe隨電勢增大而急劇地增大。所以，比較理想的方案是，在一個工作循環中，當載荷轉矩較大時，則施加較大的電壓，而當載荷轉矩較小時，則施加較小的電壓。

這里的關鍵是要合理選擇電壓的大小，以便使鐵心損耗和轉子銅耗總體上最小。這是因為，對于一定的負載轉矩而言，施加較高的電壓，則轉子銅耗小，但與此同時鐵耗卻會相應地增大，反之，鐵耗小，但轉差率大，則轉子銅耗大。

2.電容器動態補償節能

（1）電容器動態無功補償的必要性

考慮到在電源電壓一定的情況下，不同運行工況、不同負載下的激磁電勢會有明顯差別，而激化支路所需的無功又隨激磁電勢的增大而急劇增大，所以，為在不同運行工況、不同負載下有效補償無功，采用電容器動態補償是很有必要的。

（2）采用電容器動態補償后節能機理

采用電容器補償后，電動機的無功實現了就地平衡，不需要饋電線路傳輸無功功率，可以使線路損耗大大減少。在饋電線路較長的情況下，節能效果尤為顯著。

除了減少線路消耗之外，并聯電容后使線路壓降減小，從而使激磁電勢增大，也可帶來節能效果。這是因為在一定負載轉矩下，激磁電勢增大，使轉差率變小，從而降低了轉子銅耗。雖然激磁電勢的增加使鐵耗有所增加，但是，大量計算表明，總的效果是轉子銅耗降低更明顯，從而帶來節能效果。這種節能效果使電動機工況輸入功率減小，而發電機工況發出的功率增大。

3.采用星-三角接法調壓節能的切換點

采用星-三角變換實現調壓節能是調壓節能的一個較簡便的方式。

兩曲線的交點可作為初步選擇的切換點。在交點右側，為大功率區域，如果采用星接，則轉差率及轉子銅耗隨負載增加而迅速增大，使總損耗顯著超過角接的總損耗。所以，交點的右側宜采用角接。左側為小功率區域，無論采用那種接法，轉差率及轉子銅耗都較小，在總損耗中，鐵耗是主要的，而采用星接時的鐵耗小于角接鐵耗的1/3， 所以，該區域采用星接。如果根據井況，需考慮適當采用高轉差率運行，可以對初步選擇的結果進行適當修正。

4.電容器動態投切的某些測試結果

根據上述原理設計制作的可控硅投切的無功動態補償裝置，在多個不同類型油井進行了實際使用測試。在變壓器出線端測試結果表明，有功節電率一般在12% ～20% ，部分饋電線路長的油井，節電率達到20% ～30%。在電動機出線端測得的有功節電率一般在3% ～6% 。

根據以上原理，我隊進行了無功動態補償的試驗，不同程度均見到了節能效果，尤其是我隊的一口低功率因數電機。

結 論

（1）通過磁路分析，進一步研究了等效電路參數與感應電勢之間的關系，說明電動機參數存在不容忽視的非線性現象。

（2）在考慮參數非線性時，發電機工況的無功與鐵耗顯著大于電動機工況的對應數值。

（3）在考慮參數非線性的條件下，研究了電容動態補償等方案的綜合節能機理。采用可控硅動態投切電容器，不但可以顯著減小各種工況下的無功消耗，而且可以在重載及發電機工況顯著減小轉子銅耗，從而獲得綜合節能效果。