浅析感应电动机节能技术及应用

赵法武 赵海龙 舒展

摘 要：在考虑感应电动机等效电路参数非线性的基础上，研究了游梁式抽油机电动机有功及无功综合节能的机理和途径。通过磁路分析，研究了等效电路参数与感应电势之间的非线性关系，以及铁耗、定转子铜耗与转差率的非线性关系。从而提出游梁式抽油机电动机可采用调压节能、电容器动态补偿节能、星形-三角形变换调压节能等方法实现综合节能。

关键词：感应电动机；非线性关系；节能

油田在用电动机的综合节能

关于油田在用电动机的运行工况及节能机理，在以往文献中已有较多论述，從不同的角度提出了诸如超高转差率电动机节能、晶闸管调压节能、星-角动态切换节能以及变频调速节能等大量节能途径，取得了一定的成果。

为了进一步提高机节能效果，为探寻新的节能途径提供理论依据，并找出在实际生产中可以推广应用的措施，笔者在考虑感应电动机等效电路参数非线性的基础上，研究电动机有功及无功综合节能的机理和途径。首先通过磁路分析，研究了等效电路参数与感应电势之间的非线性关系；最后在计及参数非线性的基础上，分析了几种节能途径，重点介绍了在电动机的出线端通过可控硅自动投切电容器，不但可以节省无功功率，而且可以减少转子损耗及增加发电机工况所发出的有功功率。从而达到节省无功功率和节省有功功率双重的效果。

电气原理图

图l是油田在用电动机及其供电回路的典型电气原理图。图中Re和Xe代表线路阻抗，R1、R2、X1、X2、Rm、Xm代表感应电动机的参数，可变电容C代表用低压动态补偿电容器。图中参数的典型数值为R1=0.15Ω；Xl=0.6Ω；R2=0.6Ω；X2=0.6Ω；Rm=515Ω； Xm=16Ω；C=200μF；电动机额定容量P2=45kW。

考虑非线性时的能量传输及损耗

1.不同激磁电势下电路参数的变化

当激磁电势变化时，随着饱和情况的变化，电路的参数Rm、 Xm会发生明显变化。根据电动机的磁化曲线通过详细的磁路分析得到的Rm、 Xm与激磁电势之间的非线性关系。可以看出，激磁电势增大时，Rm、 Xm明显减小，这就是电动机参数的非线性现象。

2.铁耗及无功功率

考虑到

Qm=2E12/Xm （1）

Pfe=3E12/Rm （2）

可以看出，激磁电势的增大与相应的Rm、Xm的减小都使无功消耗Qm及铁耗Pfe随电势增大而急剧地增大。

这说明发电机工况下的铁耗及无功功率将会十分显著地大于电动机工况的相应数值。以上述45kW电动机为例

可以得出：发电机重载工况所需无功功率（30.7 kvar）接近电动机重载工况所需无功功率（16.9 kvar）的2倍。

3.转差率及转子铜耗

由图1容易得到电磁转矩

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

式中m、Ω——电动机的相数和同步转速。

据此可求得转差率与激磁电势之间的关系

（4）

其中“+”用于发电机工况；“一”用于电动机工况。

根据式（4）进行的实际计算表明，对于一定大小的电磁转矩，在电动机及发电机正常运行区间，当激磁电势较大时，相应的S则较小。考虑到转子铜耗

PCu2=TemΩS （6）

所以，当激磁电势较大时，转子铜耗较小。

感应电动机综合节能的讨论

1.调压节能

因为驱动力矩与激磁电势的平方成正比，同时无功消耗Qm及铁耗PFe随电势增大而急剧地增大。所以，比较理想的方案是，在一个工作循环中，当载荷转矩较大时，则施加较大的电压，而当载荷转矩较小时，则施加较小的电压。

这里的关键是要合理选择电压的大小，以便使铁心损耗和转子铜耗总体上最小。这是因为，对于一定的负载转矩而言，施加较高的电压，则转子铜耗小，但与此同时铁耗却会相应地增大，反之，铁耗小，但转差率大，则转子铜耗大。

2.电容器动态补偿节能

（1）电容器动态无功补偿的必要性

考虑到在电源电压一定的情况下，不同运行工况、不同负载下的激磁电势会有明显差别，而激化支路所需的无功又随激磁电势的增大而急剧增大，所以，为在不同运行工况、不同负载下有效补偿无功，采用电容器动态补偿是很有必要的。

（2）采用电容器动态补偿后节能机理

采用电容器补偿后，电动机的无功实现了就地平衡，不需要馈电线路传输无功功率，可以使线路损耗大大减少。在馈电线路较长的情况下，节能效果尤为显著。

除了减少线路消耗之外，并联电容后使线路压降减小，从而使激磁电势增大，也可带来节能效果。这是因为在一定负载转矩下，激磁电势增大，使转差率变小，从而降低了转子铜耗。虽然激磁电势的增加使铁耗有所增加，但是，大量计算表明，总的效果是转子铜耗降低更明显，从而带来节能效果。这种节能效果使电动机工况输入功率减小，而发电机工况发出的功率增大。

3.采用星-三角接法调压节能的切换点

采用星-三角变换实现调压节能是调压节能的一个较简便的方式。

两曲线的交点可作为初步选择的切换点。在交点右侧，为大功率区域，如果采用星接，则转差率及转子铜耗随负载增加而迅速增大，使总损耗显著超过角接的总损耗。所以，交点的右侧宜采用角接。左侧为小功率区域，无论采用那种接法，转差率及转子铜耗都较小，在总损耗中，铁耗是主要的，而采用星接时的铁耗小于角接铁耗的1/3， 所以，该区域采用星接。如果根据井况，需考虑适当采用高转差率运行，可以对初步选择的结果进行适当修正。

4.电容器动态投切的某些测试结果

根据上述原理设计制作的可控硅投切的无功动态补偿装置，在多个不同类型油井进行了实际使用测试。在变压器出线端测试结果表明，有功节电率一般在12% ～20% ，部分馈电线路长的油井，节电率达到20% ～30%。在电动机出线端测得的有功节电率一般在3% ～6% 。

根据以上原理，我队进行了无功动态补偿的试验，不同程度均见到了节能效果，尤其是我队的一口低功率因数电机。

结 论

（1）通过磁路分析，进一步研究了等效电路参数与感应电势之间的关系，说明电动机参数存在不容忽视的非线性现象。

（2）在考虑参数非线性时，发电机工况的无功与铁耗显著大于电动机工况的对应数值。

（3）在考虑参数非线性的条件下，研究了电容动态补偿等方案的综合节能机理。采用可控硅动态投切电容器，不但可以显著减小各种工况下的无功消耗，而且可以在重载及发电机工况显著减小转子铜耗，从而获得综合节能效果。