牟樹貞， 趙海森， 羅應(yīng)立， 姚丙雷

(1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206;

2.上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司，上海 200063)

0 引言

在油田的實際生產(chǎn)中，籠型異步電機(jī)被廣泛應(yīng)用于驅(qū)動游梁式抽油機(jī)，此類機(jī)械設(shè)備具有周期性變化的特點［1］，使得電機(jī)在一個運(yùn)行周期中存在重載、輕載、空載及發(fā)電等多種運(yùn)行狀態(tài)，與恒定負(fù)荷相比，這種運(yùn)行條件下的電機(jī)損耗和無功需求規(guī)律復(fù)雜多變且難以預(yù)測。因此，為了能夠給帶此類負(fù)荷的異步電機(jī)如何采取有針對性的節(jié)能控制措施提供依據(jù)，研究運(yùn)行在這種復(fù)雜工況下的電機(jī)損耗及無功特性是很有必要的。

在周期性變工況條件下異步電機(jī)運(yùn)行性能及節(jié)能控制方面，國內(nèi)外學(xué)者已開展了大量研究，例如，文獻(xiàn)［1-2］研究了周期性負(fù)荷對電機(jī)效率和運(yùn)行特性的影響;文獻(xiàn)［3］針對此類負(fù)荷設(shè)計了具有高轉(zhuǎn)差率的電機(jī)，并將其運(yùn)行特性與普通異步電機(jī)進(jìn)行了對比研究;文獻(xiàn)［4］對抽油機(jī)電機(jī)運(yùn)行在發(fā)電工況時的耗電機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)分析，并對無功補(bǔ)償、調(diào)壓節(jié)能及雙功率電機(jī)等多種節(jié)能控制措施進(jìn)行了實測對比;文獻(xiàn)［5］在考慮抽油機(jī)電機(jī)等效電路非線性的基礎(chǔ)上，分析了不同工況下感應(yīng)電勢的變化特點，并討論了此類變工況條件下電機(jī)的節(jié)能機(jī)理和途徑;文獻(xiàn)［6］以總損耗最小為目標(biāo)函數(shù)，求出周期性變工況下電機(jī)的最優(yōu)電壓曲線，并對比分析了此類工況下異步電機(jī)的不同節(jié)能途徑;文獻(xiàn)［7-9］在對現(xiàn)場實測300多臺抽油機(jī)電機(jī)負(fù)荷特性曲線進(jìn)行系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，研制出集斷續(xù)供電、星角動態(tài)轉(zhuǎn)換及動態(tài)無功補(bǔ)償于一體的節(jié)能控制器，并將其應(yīng)用于油田生產(chǎn)，取得了顯著節(jié)能效果。但是，上述文獻(xiàn)均側(cè)重于電機(jī)損耗和無功的外部特性研究，并未深入研究電動和發(fā)電工況下，電機(jī)內(nèi)部定轉(zhuǎn)子銅耗、鐵耗、附加損耗及無功需求的變化規(guī)律。

針對這一問題，本文以5.5 kW異步電機(jī)為實例，設(shè)計了能夠模擬電動和發(fā)電工況的試驗方案，對其在不同工況下的損耗和無功需求進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗研究，并分析得出，電機(jī)定轉(zhuǎn)子銅耗、鐵耗、附加損耗及無功需求隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律，此外，考慮到工程實際中定子電流較容易測量，文中還進(jìn)一步分析了上述各項損耗隨定子電流變化的一般規(guī)律。文中研究成果為運(yùn)行在周期性變工況條件下的異步電機(jī)能耗在線分析，以及如何采取合理節(jié)能控制措施奠定了理論基礎(chǔ)。

1 不同工況下電機(jī)損耗和無功需求

1.1 電動工況

異步電機(jī)在電動工況下運(yùn)行時，轉(zhuǎn)差率0＜s＜1，電機(jī)正常運(yùn)行時從電網(wǎng)吸收有功和無功功率，這種狀態(tài)下的相量圖如圖1(a)所示。不考慮制造加工因素的影響，對該工況下電機(jī)損耗和無功需求的定性分析可從以下幾方面展開。

(1)定轉(zhuǎn)子基波電流產(chǎn)生的銅耗:電流主要取決于負(fù)載大小，故定、轉(zhuǎn)子銅耗隨負(fù)載增加而增加;

(2)主磁場在鐵心內(nèi)部交變產(chǎn)生的基本鐵耗:由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近同步速，主磁場與轉(zhuǎn)子鐵心的相對轉(zhuǎn)速很小，故基本鐵耗主要以定子側(cè)為主。當(dāng)負(fù)載電流增加時，定子側(cè)阻抗壓降增加，導(dǎo)致定子側(cè)感應(yīng)電勢降低、主磁場減小，基本鐵耗略有降低;

(3)附加損耗:異步電機(jī)的附加損耗包括基頻和高頻附加損耗兩類［10］，前者由漏磁場在端蓋、機(jī)座等結(jié)構(gòu)件中產(chǎn)生;后者主要由諧波磁場及電流產(chǎn)生。由于附加損耗影響因素較多，其隨負(fù)載變化規(guī)律難以直觀定性分析，本文將結(jié)合不同負(fù)載下實測的附加損耗值，對其變化規(guī)律進(jìn)行詳細(xì)分析;

(4)無功需求:從圖1(a)中可直觀看出，定子電流I1始終滯后U1一個角度 φ(0°＜φ＜90°)，此時電機(jī)從電網(wǎng)吸收無功，且主要用于建立主磁場。

1.2 發(fā)電工況

在發(fā)電工況下(轉(zhuǎn)差率s＜0)，電機(jī)功率流向與電動工況正好相反，但仍需要從電網(wǎng)側(cè)吸收無功以建立主磁場，如圖1(b)所示，負(fù)載側(cè)所提供的機(jī)械功率一部分轉(zhuǎn)化為電機(jī)內(nèi)部損耗，另一部分轉(zhuǎn)化為電能回饋到電網(wǎng)，在該工況下，電機(jī)定、轉(zhuǎn)子銅耗及附加損耗隨負(fù)載變化規(guī)律和電動工況時相同，但不同于受發(fā)電工況下激磁電勢升高和有功電流反向的影響［5］，電機(jī)的基本鐵耗會隨負(fù)載增加而增加，其增加程度主要取決于此時感應(yīng)電勢的大小。

由于發(fā)電工況時電機(jī)的輸入功率和負(fù)載轉(zhuǎn)矩均為負(fù)值，為便于后續(xù)分析，文中仍按電動慣例分析發(fā)電工況下的功率流向，即把定子側(cè)電功率作為輸入功率，將轉(zhuǎn)子側(cè)機(jī)械功率作為負(fù)載輸出功率。

1.3 有功零輸入時的特殊工況

電機(jī)從電動工況變?yōu)榘l(fā)電工況，機(jī)端有功流向由從電網(wǎng)吸收有功轉(zhuǎn)變?yōu)橄螂娋W(wǎng)發(fā)出有功。在整個轉(zhuǎn)變過程中存在有功功率為零的時刻。該工況下的典型向量圖如圖1(c)所示，可以看出，定子電流和端電壓之間的夾角φ=90°，電機(jī)從電網(wǎng)吸收的有功功率為零，此時只從電網(wǎng)吸收無功功率。

2 試驗方案介紹

2.1 試驗方案設(shè)計

圖1 不同工況下的異步電機(jī)相量圖

上文主要分析了電動和發(fā)電工況下，電機(jī)內(nèi)部損耗和無功需求情況，但僅從定性角度很難對不同工況下電機(jī)內(nèi)部各項損耗和無功需求進(jìn)行對比研究。為此，文中設(shè)計了可模擬電動和發(fā)電工況的試驗方案，其基本結(jié)構(gòu)原理如圖2所示，主要由異步電機(jī)、直流電機(jī)、調(diào)壓器、功率分析儀、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器組成。輸入有功和無功功率利用高精度功率分析儀實時監(jiān)測，輸出功率可利用轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器實時測量電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速求出。以下簡要介紹如何利用該平臺實現(xiàn)異步電機(jī)的電動和發(fā)電工況。

圖2 試驗方案基本原理圖

(1)電動工況:由異步電機(jī)作為原動機(jī)拖動直流電機(jī)運(yùn)行，此時直流電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，即K1閉合、K2斷開。通過控制直流電機(jī)所帶負(fù)載可實現(xiàn)異步電機(jī)的負(fù)載調(diào)節(jié)。

(2)發(fā)電工況:直流電機(jī)作為原動機(jī)拖動異步電機(jī)運(yùn)行，即K2閉合、K1斷開。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過同步速、轉(zhuǎn)子磁場超前于定子磁場一個角度時，電機(jī)就會進(jìn)入發(fā)電工況。通過控制直流電機(jī)側(cè)輸入功率可調(diào)節(jié)異步機(jī)向電網(wǎng)輸出功率大小。

2.2 基于實測數(shù)據(jù)的電機(jī)內(nèi)部各項損耗計算

利用文獻(xiàn)［11-12］推薦的B法對電機(jī)進(jìn)行測試，可方便得出定子銅耗Pcu1、轉(zhuǎn)子銅耗Pcu2，風(fēng)摩耗Pfw可利用空載試驗求出，由于試驗過程中電機(jī)轉(zhuǎn)速變化較小(±50轉(zhuǎn)范圍內(nèi))，故可認(rèn)為風(fēng)摩耗

關(guān)于附加損耗Pδ的計算，文獻(xiàn)［10-11］中指出，利用實測電機(jī)輸入和輸出功率求出電機(jī)總損耗，再用總損耗減去定轉(zhuǎn)子銅耗、基本鐵耗及風(fēng)摩耗，便可得出附加損耗，求解公式如下:

利用式(3)求出不同負(fù)載下的附加損耗后，對各負(fù)載點的附加損耗值進(jìn)行線性回歸分析［10］，便可求得電機(jī)不同負(fù)載下的附加損耗。

結(jié)合實測各電氣量及損耗數(shù)據(jù)，利用上述方法得到5.5 kW電機(jī)空載運(yùn)行時，定子銅耗為61 W、風(fēng)摩耗為60 W，實測得到基本鐵耗和空載附加損耗之和為122 W。為了將兩者分離，利用基于時步有限元的鐵耗計算方法［13］得到的空載基本鐵耗約為85 W，進(jìn)而求出空載附加損耗為37 W。不變。

在電源頻率不變的條件下，基本鐵耗Pfe與感應(yīng)電勢平方成正比［13］，上述測試標(biāo)準(zhǔn)中均假定試驗過程中繞組感應(yīng)電勢等于機(jī)端電壓，進(jìn)而得出負(fù)載試驗下基本鐵耗近似等同于空載基本鐵耗。實際上，受繞組電阻和漏電抗影響，感應(yīng)電勢與機(jī)端電壓存在一定差別，這將導(dǎo)致不同負(fù)載下基本鐵耗將發(fā)生一定變化，這在發(fā)電工況下尤為明顯。為準(zhǔn)確求出電動和發(fā)電工況下帶不同負(fù)載時的基本鐵耗，文中根據(jù)圖1所示各電氣量之間的關(guān)系，列出不同工況下定子電壓方程，表達(dá)式如下(為便于書寫，式中省略相量標(biāo)識“.”)。

式中:U1——機(jī)端電壓;

I1——定子電流;

R1、X1——定子繞組電阻和漏電抗。

上述參數(shù)均可實測得出，利用式(1)可求得不同負(fù)載下的感應(yīng)電勢E1。令空載感應(yīng)電勢和基耗為E0和Pfe0，則任意負(fù)載下的基本鐵耗PFe可由式(2)求得

3 不同工況下電機(jī)損耗和無功特性對比研究

3.1 輸入和輸出有功功率曲線

為了直觀地描述電動和發(fā)電工況下?lián)p耗和無功需求變化規(guī)律，以下分析中首先選擇轉(zhuǎn)矩作為參考量，分析所測得的不同工況下輸入和輸出功率曲線，如圖3所示，其中轉(zhuǎn)矩負(fù)值表示功率由直流電機(jī)側(cè)流向異步電機(jī)，而有功功率負(fù)值表示在電機(jī)定子端監(jiān)測到發(fā)電工況下異步電機(jī)向電網(wǎng)發(fā)出的功率。

由圖3可看出，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩T=0時，輸入功率仍大于零，進(jìn)一步對試驗數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為－1.1 N·m時，輸入功率為零，即－1.1＜T＜0，電機(jī)仍從電網(wǎng)吸收有功功率，同時負(fù)載側(cè)也向電機(jī)輸入一部分有功，在該區(qū)間內(nèi)，電機(jī)雖然已進(jìn)入發(fā)電工況，但并不向電網(wǎng)發(fā)出有功，其內(nèi)部損耗由電網(wǎng)和負(fù)載側(cè)共同提供，文中將該區(qū)間稱為發(fā)電工況負(fù)功不可測區(qū)，如圖3中區(qū)域②所示;同時將另外兩個運(yùn)行區(qū)域稱為發(fā)電工況負(fù)功可測區(qū)和電動工況區(qū)，如圖3中區(qū)域①和區(qū)域③所示?？紤]到區(qū)域②持續(xù)時間較短且始終接近空載運(yùn)行，以下主要針對區(qū)域①和區(qū)域③中電機(jī)各項損耗和無功需求進(jìn)行分析。

圖3 輸入和輸出有功功率變化曲線和工況分區(qū)圖

3.2 電機(jī)內(nèi)部各項損耗變化規(guī)律

為能夠直觀的對比發(fā)電和電動工況下，電機(jī)各項損耗大小及其變化規(guī)律，將負(fù)載轉(zhuǎn)矩絕對值作為參考量進(jìn)行分析，所得到的各項損耗及轉(zhuǎn)差率變化曲線如圖4所示，對圖中曲線進(jìn)行分析可得出如下結(jié)論:

(1)不同工況下定轉(zhuǎn)子銅耗隨轉(zhuǎn)矩變化規(guī)律及趨勢基本一致，即電動工況下定轉(zhuǎn)子銅耗要高于發(fā)電工況，且負(fù)載轉(zhuǎn)矩越大，兩者差別越明顯，如圖4(a)、圖4(b)所示。這主要是由于當(dāng)轉(zhuǎn)矩絕對值相同時，運(yùn)行于電動工況下的電機(jī)轉(zhuǎn)差率較高，如圖4(f)所示，這相當(dāng)于電機(jī)所帶負(fù)載相對較大，使得定、轉(zhuǎn)子電流及銅耗均高于發(fā)電工況。

(2)發(fā)電工況下基本鐵耗高于電動工況，如圖4(c)所示，其原因在前文已有敘述，即發(fā)電工況下定子繞組感應(yīng)電勢高于電動工況，導(dǎo)致鐵心飽和嚴(yán)重、鐵耗增加;但兩者變化趨勢有一定差別，主要體現(xiàn)在發(fā)電工況下鐵耗增加平緩，而電動工況下鐵耗隨負(fù)載增加而減小，且變化趨勢近似線性，這主要是由于兩種工況下繞組電阻壓降方向不一致引起，通過實測數(shù)據(jù)計算得出定子繞組感應(yīng)電勢由360 V降低至額定負(fù)載時的340 V，而發(fā)電工況則增加至370 V，兩者變化趨勢與圖4(c)一致，這一點也可從圖1(a)和圖1(b)的相量圖中分析得出。

(3)兩種工況下的附加損耗均隨負(fù)載增加而增加，且發(fā)電工況下的附加損耗大于電動工況，如圖4(d)所示。根據(jù)前文分析可知，在不考慮電機(jī)制造加工因素影響時，附加損耗大小一方面取決于基波電流產(chǎn)生漏磁場，另一方面取決于電機(jī)內(nèi)部諧波磁場和電流，其中后者占主要成份。電機(jī)在兩種工況下輕載時，定轉(zhuǎn)子電流較小，由其產(chǎn)生的諧波電流和磁場較小，對附加損耗影響不明顯，但發(fā)電工況下感應(yīng)電勢要明顯高于電動工況，使得電機(jī)磁路飽和程度增加，主磁場和諧波磁場均不同程度增加，由其產(chǎn)生的諧波電流、磁場及轉(zhuǎn)子導(dǎo)條間橫向電流產(chǎn)生損耗均高于電動工況，由此導(dǎo)致發(fā)電工況下的附加損耗較高;隨著負(fù)載增加，兩種工況下的定轉(zhuǎn)子電流均大幅增加，但發(fā)電工況下感應(yīng)電勢的增加趨于平緩，這兩種因素共同作用，導(dǎo)致發(fā)電工況下附加損耗近似線性變化，而電動工況下的附加損耗變化規(guī)律則和定轉(zhuǎn)子電流(定轉(zhuǎn)子銅耗)一致。

綜合上述各項損耗變化趨勢，可得出兩種工況下電機(jī)總損耗變化規(guī)律如圖4(e)所示，由圖中所示曲線可得出:輕載時，發(fā)電工況下的總損耗略大于電動工況，重載時則相反，這主要是由于在輕載時，定轉(zhuǎn)子銅耗增加速度低于基本鐵耗和附加損耗增加速度，導(dǎo)致發(fā)電工況下總損耗略大于電動工況;當(dāng)負(fù)載增加后，定轉(zhuǎn)子電流大幅增加，尤其產(chǎn)生的損耗在總損耗中占主要成份，最終導(dǎo)致電動工況下總損耗大于發(fā)電工況。

圖4 各項損耗和轉(zhuǎn)差率隨轉(zhuǎn)矩變化曲線

考慮到在實際生產(chǎn)中，負(fù)載轉(zhuǎn)矩通常難以測量，為能夠根據(jù)所測電氣量直接判斷電機(jī)在不同工況下的損耗特性，以下選擇較易測量的定子電流作為參考量，對比分析在不同工況下電機(jī)各項損耗、轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)差率的變化情況，結(jié)果如圖5所示，對其進(jìn)行分析可得出如下結(jié)論:

(1)定子電流相同時，電動工況轉(zhuǎn)差率略高于發(fā)電工況，如圖5(f)所示，但此時發(fā)電工況的轉(zhuǎn)矩略高于電動工況，如圖5(e)所示，這使得定子電流相同時兩種工況下轉(zhuǎn)子銅耗基本一致。

(2)在相同定子電流下，發(fā)電工況下的基本鐵耗和附加損耗均大于電動工況，其原因在前述分析中已詳細(xì)論述，此處不再贅述。

綜上可得，相同定子電流情況下發(fā)電工況總損耗始終大于電動工況，當(dāng)定子電流為額定電流時，發(fā)電工況下總損耗比電動工況高9%(約100 W)。

3.3 無功需求分析

不同工況下電機(jī)無功需求隨轉(zhuǎn)矩和定子電流的變化曲線如圖6所示，分析圖中曲線可得出以下結(jié)論:

(1)不論是發(fā)電還是電動工況，無功需求均隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩和定子電流的增加而增加，原因主要有以下三個方面:首先，在不考慮漏磁路飽和時，定轉(zhuǎn)子電流隨負(fù)載增加而增加，定轉(zhuǎn)子漏抗所消耗的無功與電流成正比，其在重載時消耗的無功將大幅增加;其次，由于繞組分布和齒槽效應(yīng)產(chǎn)生的諧波磁場所消耗的無功也會隨負(fù)載增加而增加;此外，電動工況下，受繞組感應(yīng)電勢降低影響，建立主磁場所需無功會隨負(fù)載增加而減小，而發(fā)電工況則相反，建立主磁場所消耗的無功在輕載時占主要成份，這導(dǎo)致輕載時電機(jī)無功需求增加趨勢平緩，當(dāng)負(fù)載增加到一定程度后，上述前兩個因素成為確定無功消耗的主要因素，使得無功需求迅速增加。

(2)發(fā)電工況下無功需求均高于電動工況，隨負(fù)載增加，兩種工況下無功需求差距也隨之增加。例如，當(dāng)電流為IN/2時，發(fā)電工況的無功比電動工況高8.2%(約270 var)，而電流為IN時，發(fā)電工況無功需求比電動工況要高20%(約800 var)。這主要是因為發(fā)電工況下定子繞組感應(yīng)電勢較高，與之相對應(yīng)的主磁通會高于電動工況，故需要從電網(wǎng)吸收更多無功建立主磁場;此外，較高的繞組感應(yīng)電勢會引起磁路過飽和，導(dǎo)致電機(jī)內(nèi)部磁場畸變嚴(yán)重，由此產(chǎn)生的諧波磁場會進(jìn)一步消耗更多無功。

圖5 損耗、轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)差率隨定子電流變化曲線

圖6 無功功率隨轉(zhuǎn)矩和定子電流的變化曲線

4 結(jié)語

(1)定性分析了籠型異步電機(jī)在發(fā)電和電動工況下的各項損耗和無功需求變化情況，并設(shè)計了可模擬發(fā)電和電動工況的試驗方案。

(2)通過系統(tǒng)試驗研究得出電動和發(fā)電工況下，電機(jī)各項損耗和無功需求隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩和定子電流的變化規(guī)律。為實際生產(chǎn)如何根據(jù)可測電氣量判斷發(fā)電和電動工況下電機(jī)的損耗和無功需求特性，提供可供參考依據(jù)。

此外，需要指出的是，對于不同容量電機(jī)，各項損耗在總損耗中所占比例存在一定差別，作為初步研究，本文僅選用了一臺5.5 kW電機(jī)進(jìn)行了試驗研究。因此，對于大容量電機(jī)在不同工況下的損耗和無功需求特性的問題，仍需進(jìn)一步研究。

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