异步电动机临界反电势测试与最优节点研究

卢正通 焦裕玺 孙东 马坤（中国石化胜利油田技术检测中心）

异步电动机临界反电势测试与最优节点研究

卢正通 焦裕玺 孙东 马坤（中国石化胜利油田技术检测中心）

通过分析异步电动机Γ型等效电路，得到转差率与定子端电压、功率因数之间的函数关系，间接地寻找不同负载下的最优工作电压，从而获得最大功率因数来实现节能。研究的目的是找到电动机的定子最优电压，从而实现电动机的最优运行。经过测试验证对比，发现理论分析与现场实测非常接近，验证了该方法的有效性。

异步电动机 临界反电势 功率因数

在油田实际应用中，电动机经常在变负荷状态[1]下运行，有很多负荷的功率在重载、轻载及空载之间周期性大幅度变化，甚至有些负荷还存在倒发电工况，这就导致异步电动机的功率因数低，效率不高，电能浪费现象十分严重。因此，提高电动机的运行功率因数具有重要意义。

目前，异步电动机的节能[2]方法有很多种，这里只分析调压方式研究异步电动机的能耗问题。在负载率一定的情况下，分析功率因数与定子端电压的关系式，通过计算和实验找到临界反电势即定子电压最优点，此时的定子电压对应功率因数最大，实现了调节电压以提高功率因数，进而达到节能的目的。最优电压问题是指在一定的负载转矩条件下对异步电动机施加什么样的电压，能够使电动机功率因数最大。

1 基于电压控制的异步电动机节能原理

异步电动机Γ型等效电路如图1所示：对于准确Γ型电路，图中系数c1=1+Z1/Zm，对于大容量电动机X1≪Xm，c1是一个幅值接近于1的常数，为方便计算取c1=1；电动机的功率因数角为电压与电流的相位差，它等于单相阻抗Z的阻抗角。由图1知道阻抗Z、功率因数角ϕ、功率因数cosϕ，s为转差率。各参数之间的关系可由下式表示：

图1 电动机等效电路

其中，a、b、c、d、e代表以下变量：

当功率因数角ϕ取得最小值时有可求出最小功率角即最大功率因数，此时的转差率为

转差率s的范围是（0，1），考虑电动机参数不变的情况下，cosϕ达到最大时有恒定的smin，同样存在调压特性和机械特性[3]对功率因数的影响（图2）。

图2 功率因数曲线

1）机械特性：在额定功率下，不同负载下s不同，因此功率因数也不同。空载和轻载时s较小，功率因数也较小，随着负载的增大，s增大。当s达到smin时功率因数达到最大值，如果负载继续增大，s增大，功率因数又会减小。

2）调压特性：如果负载恒定，降低电压后电动机s增大，当s到达smin时功率因数达到最大值。如果电压继续降低，s增大，功率又逐渐减小。在某一负载T下，存在某一电压对应的ϕ最小，功率因数达到最大，这里刚好对应smin的状态，这时在电压不变时，大于或者小于这一负载下功率因数都会减小。

对于某一恒定负载，忽略机械损耗和附加损耗，认为T和负载转矩相等，推出当负载转矩、频率、电动机各参数不变时的电压与转差率的关系：

将此时的转差率smin代入，即可获得最大功率因数时的定子电压即临界反电势。

2 实验实测

在一定负载下，连续调整电动机的定子电压，用FLUK43B电力分析仪测试电动机的瞬时无功功率，并用万用表测试电压。当FLUK43B测取的无功功率既不显示“C”（容性无功）也不显示“L”（感性无功）时，对应的定子电压即为该负载下的临界反电势，此时的无功功率很小。

对于不同额定电压等级（380 V、660 V、1140 V）、不同额定功率（22 kW、30 kW）和不同转速750 r/min，1000 r/min的多台电动机进行运行测试，各参数结果见表1。

表1 不同电压等级对应的功率和功率因数

从30 kW的8极380 V电动机不同负载率对应不同电压下的功率因数关系可以看出：

1）电动机的临界反电势在380～390 V之间，功率因数能达到0.999，当定子电压高于电动机的临界反电势时，其感性无功功率呈感性功率因数运行；当定子电压低于电动机的临界反电势时，电动机的容性无功功率呈容性功率因数运行。

2）当电动机的定子电压等于或近似等于其临界反电势时，电动机功率因数最高。

3）负载率较低时，功率因数随外加定子电压偏离临界反电势的增大而减小，定子电压偏离临界反电势越多，功率因数下降越多。

4）随负载率的增大，电压变化对功率因数的影响逐渐减弱。

5）在定子电压一定时，电动机的负载率越低，功率因数越低。

6）电动机空载临界反电势近似等于空载反电势，随着负载的增加，临界反电势逐渐下降。

3 结论

试验结果表明，在同样的工况下，电动机功率因数同定子电压有着密切的关系。当变压器输出电压过低时，无功为负值，此时电动机呈容性，功率因数低于0.9（额定值）；当电压过高时，无功为正值，此时电动机呈感性，功率因数同样低于0.9（额定值）；当在某一固定电压时，无功趋近为零，功率因数为1，电动机达到理想运行状态，电力效率最高，损耗最小，此时电压等于电动机的反电势点。由试验数据可知，该井的反电势点略低于390 V，由于变压器档位少，所以无法精确调试出该井的反电势点。该方法有着明显的节电效果，电动机效率也相应提高，有待于进一步开发研究。

[1]罗雄.不均匀负载电动机调压节能装置的研究[D].北京:华北电力大学（北京）:2004.

[2]李彪.周期性负载条件下异步电机节能控制器的研究[D].济南:山东大学:2011.

[3]贺洁.异步电机轻载条件下调压节能最优电压分析[J].山东大学学报,2012(6):41-46.

10.3969/j.issn.2095-1493.2015.004.003

2014-10-08）

卢正通，山东科技大学在读硕士研究生，从事石油开发节能项目研发工作，E-mail：1206434337@qq.com，地址：山东省青岛市黄岛区前湾港路579号山东科技大学，266590。