笼型异步电机在发电和电动工况下的损耗和无功特性研究*

牟树贞， 赵海森， 罗应立， 姚丙雷

(1.华北电力大学电气与电子工程学院，北京 102206;

2.上海电器科学研究所(集团)有限公司，上海 200063)

0 引言

在油田的实际生产中，笼型异步电机被广泛应用于驱动游梁式抽油机，此类机械设备具有周期性变化的特点［1］，使得电机在一个运行周期中存在重载、轻载、空载及发电等多种运行状态，与恒定负荷相比，这种运行条件下的电机损耗和无功需求规律复杂多变且难以预测。因此，为了能够给带此类负荷的异步电机如何采取有针对性的节能控制措施提供依据，研究运行在这种复杂工况下的电机损耗及无功特性是很有必要的。

在周期性变工况条件下异步电机运行性能及节能控制方面，国内外学者已开展了大量研究，例如，文献［1-2］研究了周期性负荷对电机效率和运行特性的影响;文献［3］针对此类负荷设计了具有高转差率的电机，并将其运行特性与普通异步电机进行了对比研究;文献［4］对抽油机电机运行在发电工况时的耗电机理进行详细分析，并对无功补偿、调压节能及双功率电机等多种节能控制措施进行了实测对比;文献［5］在考虑抽油机电机等效电路非线性的基础上，分析了不同工况下感应电势的变化特点，并讨论了此类变工况条件下电机的节能机理和途径;文献［6］以总损耗最小为目标函数，求出周期性变工况下电机的最优电压曲线，并对比分析了此类工况下异步电机的不同节能途径;文献［7-9］在对现场实测300多台抽油机电机负荷特性曲线进行系统研究的基础上，研制出集断续供电、星角动态转换及动态无功补偿于一体的节能控制器，并将其应用于油田生产，取得了显著节能效果。但是，上述文献均侧重于电机损耗和无功的外部特性研究，并未深入研究电动和发电工况下，电机内部定转子铜耗、铁耗、附加损耗及无功需求的变化规律。

针对这一问题，本文以5.5 kW异步电机为实例，设计了能够模拟电动和发电工况的试验方案，对其在不同工况下的损耗和无功需求进行了系统的试验研究，并分析得出，电机定转子铜耗、铁耗、附加损耗及无功需求随负载转矩的变化规律，此外，考虑到工程实际中定子电流较容易测量，文中还进一步分析了上述各项损耗随定子电流变化的一般规律。文中研究成果为运行在周期性变工况条件下的异步电机能耗在线分析，以及如何采取合理节能控制措施奠定了理论基础。

1 不同工况下电机损耗和无功需求

1.1 电动工况

异步电机在电动工况下运行时，转差率0＜s＜1，电机正常运行时从电网吸收有功和无功功率，这种状态下的相量图如图1(a)所示。不考虑制造加工因素的影响，对该工况下电机损耗和无功需求的定性分析可从以下几方面展开。

(1)定转子基波电流产生的铜耗:电流主要取决于负载大小，故定、转子铜耗随负载增加而增加;

(2)主磁场在铁心内部交变产生的基本铁耗:由于转子转速接近同步速，主磁场与转子铁心的相对转速很小，故基本铁耗主要以定子侧为主。当负载电流增加时，定子侧阻抗压降增加，导致定子侧感应电势降低、主磁场减小，基本铁耗略有降低;

(3)附加损耗:异步电机的附加损耗包括基频和高频附加损耗两类［10］，前者由漏磁场在端盖、机座等结构件中产生;后者主要由谐波磁场及电流产生。由于附加损耗影响因素较多，其随负载变化规律难以直观定性分析，本文将结合不同负载下实测的附加损耗值，对其变化规律进行详细分析;

(4)无功需求:从图1(a)中可直观看出，定子电流I1始终滞后U1一个角度 φ(0°＜φ＜90°)，此时电机从电网吸收无功，且主要用于建立主磁场。

1.2 发电工况

在发电工况下(转差率s＜0)，电机功率流向与电动工况正好相反，但仍需要从电网侧吸收无功以建立主磁场，如图1(b)所示，负载侧所提供的机械功率一部分转化为电机内部损耗，另一部分转化为电能回馈到电网，在该工况下，电机定、转子铜耗及附加损耗随负载变化规律和电动工况时相同，但不同于受发电工况下激磁电势升高和有功电流反向的影响［5］，电机的基本铁耗会随负载增加而增加，其增加程度主要取决于此时感应电势的大小。

由于发电工况时电机的输入功率和负载转矩均为负值，为便于后续分析，文中仍按电动惯例分析发电工况下的功率流向，即把定子侧电功率作为输入功率，将转子侧机械功率作为负载输出功率。

1.3 有功零输入时的特殊工况

电机从电动工况变为发电工况，机端有功流向由从电网吸收有功转变为向电网发出有功。在整个转变过程中存在有功功率为零的时刻。该工况下的典型向量图如图1(c)所示，可以看出，定子电流和端电压之间的夹角φ=90°，电机从电网吸收的有功功率为零，此时只从电网吸收无功功率。

2 试验方案介绍

2.1 试验方案设计

图1 不同工况下的异步电机相量图

上文主要分析了电动和发电工况下，电机内部损耗和无功需求情况，但仅从定性角度很难对不同工况下电机内部各项损耗和无功需求进行对比研究。为此，文中设计了可模拟电动和发电工况的试验方案，其基本结构原理如图2所示，主要由异步电机、直流电机、调压器、功率分析仪、转矩转速传感器组成。输入有功和无功功率利用高精度功率分析仪实时监测，输出功率可利用转矩转速传感器实时测量电机转矩和转速求出。以下简要介绍如何利用该平台实现异步电机的电动和发电工况。

图2 试验方案基本原理图

(1)电动工况:由异步电机作为原动机拖动直流电机运行，此时直流电机作为发电机运行，即K1闭合、K2断开。通过控制直流电机所带负载可实现异步电机的负载调节。

(2)发电工况:直流电机作为原动机拖动异步电机运行，即K2闭合、K1断开。当转子转速超过同步速、转子磁场超前于定子磁场一个角度时，电机就会进入发电工况。通过控制直流电机侧输入功率可调节异步机向电网输出功率大小。

2.2 基于实测数据的电机内部各项损耗计算

利用文献［11-12］推荐的B法对电机进行测试，可方便得出定子铜耗Pcu1、转子铜耗Pcu2，风摩耗Pfw可利用空载试验求出，由于试验过程中电机转速变化较小(±50转范围内)，故可认为风摩耗

关于附加损耗Pδ的计算，文献［10-11］中指出，利用实测电机输入和输出功率求出电机总损耗，再用总损耗减去定转子铜耗、基本铁耗及风摩耗，便可得出附加损耗，求解公式如下:

利用式(3)求出不同负载下的附加损耗后，对各负载点的附加损耗值进行线性回归分析［10］，便可求得电机不同负载下的附加损耗。

结合实测各电气量及损耗数据，利用上述方法得到5.5 kW电机空载运行时，定子铜耗为61 W、风摩耗为60 W，实测得到基本铁耗和空载附加损耗之和为122 W。为了将两者分离，利用基于时步有限元的铁耗计算方法［13］得到的空载基本铁耗约为85 W，进而求出空载附加损耗为37 W。不变。

在电源频率不变的条件下，基本铁耗Pfe与感应电势平方成正比［13］，上述测试标准中均假定试验过程中绕组感应电势等于机端电压，进而得出负载试验下基本铁耗近似等同于空载基本铁耗。实际上，受绕组电阻和漏电抗影响，感应电势与机端电压存在一定差别，这将导致不同负载下基本铁耗将发生一定变化，这在发电工况下尤为明显。为准确求出电动和发电工况下带不同负载时的基本铁耗，文中根据图1所示各电气量之间的关系，列出不同工况下定子电压方程，表达式如下(为便于书写，式中省略相量标识“.”)。

式中:U1——机端电压;

I1——定子电流;

R1、X1——定子绕组电阻和漏电抗。

上述参数均可实测得出，利用式(1)可求得不同负载下的感应电势E1。令空载感应电势和基耗为E0和Pfe0，则任意负载下的基本铁耗PFe可由式(2)求得

3 不同工况下电机损耗和无功特性对比研究

3.1 输入和输出有功功率曲线

为了直观地描述电动和发电工况下损耗和无功需求变化规律，以下分析中首先选择转矩作为参考量，分析所测得的不同工况下输入和输出功率曲线，如图3所示，其中转矩负值表示功率由直流电机侧流向异步电机，而有功功率负值表示在电机定子端监测到发电工况下异步电机向电网发出的功率。

由图3可看出，当负载转矩T=0时，输入功率仍大于零，进一步对试验数据分析发现，当负载转矩为－1.1 N·m时，输入功率为零，即－1.1＜T＜0，电机仍从电网吸收有功功率，同时负载侧也向电机输入一部分有功，在该区间内，电机虽然已进入发电工况，但并不向电网发出有功，其内部损耗由电网和负载侧共同提供，文中将该区间称为发电工况负功不可测区，如图3中区域②所示;同时将另外两个运行区域称为发电工况负功可测区和电动工况区，如图3中区域①和区域③所示。考虑到区域②持续时间较短且始终接近空载运行，以下主要针对区域①和区域③中电机各项损耗和无功需求进行分析。

图3 输入和输出有功功率变化曲线和工况分区图

3.2 电机内部各项损耗变化规律

为能够直观的对比发电和电动工况下，电机各项损耗大小及其变化规律，将负载转矩绝对值作为参考量进行分析，所得到的各项损耗及转差率变化曲线如图4所示，对图中曲线进行分析可得出如下结论:

(1)不同工况下定转子铜耗随转矩变化规律及趋势基本一致，即电动工况下定转子铜耗要高于发电工况，且负载转矩越大，两者差别越明显，如图4(a)、图4(b)所示。这主要是由于当转矩绝对值相同时，运行于电动工况下的电机转差率较高，如图4(f)所示，这相当于电机所带负载相对较大，使得定、转子电流及铜耗均高于发电工况。

(2)发电工况下基本铁耗高于电动工况，如图4(c)所示，其原因在前文已有叙述，即发电工况下定子绕组感应电势高于电动工况，导致铁心饱和严重、铁耗增加;但两者变化趋势有一定差别，主要体现在发电工况下铁耗增加平缓，而电动工况下铁耗随负载增加而减小，且变化趋势近似线性，这主要是由于两种工况下绕组电阻压降方向不一致引起，通过实测数据计算得出定子绕组感应电势由360 V降低至额定负载时的340 V，而发电工况则增加至370 V，两者变化趋势与图4(c)一致，这一点也可从图1(a)和图1(b)的相量图中分析得出。

(3)两种工况下的附加损耗均随负载增加而增加，且发电工况下的附加损耗大于电动工况，如图4(d)所示。根据前文分析可知，在不考虑电机制造加工因素影响时，附加损耗大小一方面取决于基波电流产生漏磁场，另一方面取决于电机内部谐波磁场和电流，其中后者占主要成份。电机在两种工况下轻载时，定转子电流较小，由其产生的谐波电流和磁场较小，对附加损耗影响不明显，但发电工况下感应电势要明显高于电动工况，使得电机磁路饱和程度增加，主磁场和谐波磁场均不同程度增加，由其产生的谐波电流、磁场及转子导条间横向电流产生损耗均高于电动工况，由此导致发电工况下的附加损耗较高;随着负载增加，两种工况下的定转子电流均大幅增加，但发电工况下感应电势的增加趋于平缓，这两种因素共同作用，导致发电工况下附加损耗近似线性变化，而电动工况下的附加损耗变化规律则和定转子电流(定转子铜耗)一致。

综合上述各项损耗变化趋势，可得出两种工况下电机总损耗变化规律如图4(e)所示，由图中所示曲线可得出:轻载时，发电工况下的总损耗略大于电动工况，重载时则相反，这主要是由于在轻载时，定转子铜耗增加速度低于基本铁耗和附加损耗增加速度，导致发电工况下总损耗略大于电动工况;当负载增加后，定转子电流大幅增加，尤其产生的损耗在总损耗中占主要成份，最终导致电动工况下总损耗大于发电工况。

图4 各项损耗和转差率随转矩变化曲线

考虑到在实际生产中，负载转矩通常难以测量，为能够根据所测电气量直接判断电机在不同工况下的损耗特性，以下选择较易测量的定子电流作为参考量，对比分析在不同工况下电机各项损耗、转矩及转差率的变化情况，结果如图5所示，对其进行分析可得出如下结论:

(1)定子电流相同时，电动工况转差率略高于发电工况，如图5(f)所示，但此时发电工况的转矩略高于电动工况，如图5(e)所示，这使得定子电流相同时两种工况下转子铜耗基本一致。

(2)在相同定子电流下，发电工况下的基本铁耗和附加损耗均大于电动工况，其原因在前述分析中已详细论述，此处不再赘述。

综上可得，相同定子电流情况下发电工况总损耗始终大于电动工况，当定子电流为额定电流时，发电工况下总损耗比电动工况高9%(约100 W)。

3.3 无功需求分析

不同工况下电机无功需求随转矩和定子电流的变化曲线如图6所示，分析图中曲线可得出以下结论:

(1)不论是发电还是电动工况，无功需求均随负载转矩和定子电流的增加而增加，原因主要有以下三个方面:首先，在不考虑漏磁路饱和时，定转子电流随负载增加而增加，定转子漏抗所消耗的无功与电流成正比，其在重载时消耗的无功将大幅增加;其次，由于绕组分布和齿槽效应产生的谐波磁场所消耗的无功也会随负载增加而增加;此外，电动工况下，受绕组感应电势降低影响，建立主磁场所需无功会随负载增加而减小，而发电工况则相反，建立主磁场所消耗的无功在轻载时占主要成份，这导致轻载时电机无功需求增加趋势平缓，当负载增加到一定程度后，上述前两个因素成为确定无功消耗的主要因素，使得无功需求迅速增加。

(2)发电工况下无功需求均高于电动工况，随负载增加，两种工况下无功需求差距也随之增加。例如，当电流为IN/2时，发电工况的无功比电动工况高8.2%(约270 var)，而电流为IN时，发电工况无功需求比电动工况要高20%(约800 var)。这主要是因为发电工况下定子绕组感应电势较高，与之相对应的主磁通会高于电动工况，故需要从电网吸收更多无功建立主磁场;此外，较高的绕组感应电势会引起磁路过饱和，导致电机内部磁场畸变严重，由此产生的谐波磁场会进一步消耗更多无功。

图5 损耗、转矩及转差率随定子电流变化曲线

图6 无功功率随转矩和定子电流的变化曲线

4 结语

(1)定性分析了笼型异步电机在发电和电动工况下的各项损耗和无功需求变化情况，并设计了可模拟发电和电动工况的试验方案。

(2)通过系统试验研究得出电动和发电工况下，电机各项损耗和无功需求随负载转矩和定子电流的变化规律。为实际生产如何根据可测电气量判断发电和电动工况下电机的损耗和无功需求特性，提供可供参考依据。

此外，需要指出的是，对于不同容量电机，各项损耗在总损耗中所占比例存在一定差别，作为初步研究，本文仅选用了一台5.5 kW电机进行了试验研究。因此，对于大容量电机在不同工况下的损耗和无功需求特性的问题，仍需进一步研究。

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