趙法武 趙海龍 舒展

摘 要：在考慮感應(yīng)電動機(jī)等效電路參數(shù)非線性的基礎(chǔ)上，研究了游梁式抽油機(jī)電動機(jī)有功及無功綜合節(jié)能的機(jī)理和途徑。通過磁路分析，研究了等效電路參數(shù)與感應(yīng)電勢之間的非線性關(guān)系，以及鐵耗、定轉(zhuǎn)子銅耗與轉(zhuǎn)差率的非線性關(guān)系。從而提出游梁式抽油機(jī)電動機(jī)可采用調(diào)壓節(jié)能、電容器動態(tài)補(bǔ)償節(jié)能、星形-三角形變換調(diào)壓節(jié)能等方法實現(xiàn)綜合節(jié)能。

關(guān)鍵詞：感應(yīng)電動機(jī)；非線性關(guān)系；節(jié)能

油田在用電動機(jī)的綜合節(jié)能

關(guān)于油田在用電動機(jī)的運行工況及節(jié)能機(jī)理，在以往文獻(xiàn)中已有較多論述，從不同的角度提出了諸如超高轉(zhuǎn)差率電動機(jī)節(jié)能、晶閘管調(diào)壓節(jié)能、星-角動態(tài)切換節(jié)能以及變頻調(diào)速節(jié)能等大量節(jié)能途徑，取得了一定的成果。

為了進(jìn)一步提高機(jī)節(jié)能效果，為探尋新的節(jié)能途徑提供理論依據(jù)，并找出在實際生產(chǎn)中可以推廣應(yīng)用的措施，筆者在考慮感應(yīng)電動機(jī)等效電路參數(shù)非線性的基礎(chǔ)上，研究電動機(jī)有功及無功綜合節(jié)能的機(jī)理和途徑。首先通過磁路分析，研究了等效電路參數(shù)與感應(yīng)電勢之間的非線性關(guān)系；最后在計及參數(shù)非線性的基礎(chǔ)上，分析了幾種節(jié)能途徑，重點介紹了在電動機(jī)的出線端通過可控硅自動投切電容器，不但可以節(jié)省無功功率，而且可以減少轉(zhuǎn)子損耗及增加發(fā)電機(jī)工況所發(fā)出的有功功率。從而達(dá)到節(jié)省無功功率和節(jié)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(jī)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(yīng)電動機(jī)的參數(shù)，可變電容C代表用低壓動態(tài)補(bǔ)償電容器。圖中參數(shù)的典型數(shù)值為R1=0.15Ω；Xl=0.6Ω；R2=0.6Ω；X2=0.6Ω；Rm=515Ω； Xm=16Ω；C=200μF；電動機(jī)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(shù)的變化

當(dāng)激磁電勢變化時，隨著飽和情況的變化，電路的參數(shù)Rm、 Xm會發(fā)生明顯變化。根據(jù)電動機(jī)的磁化曲線通過詳細(xì)的磁路分析得到的Rm、 Xm與激磁電勢之間的非線性關(guān)系。可以看出，激磁電勢增大時，Rm、 Xm明顯減小，這就是電動機(jī)參數(shù)的非線性現(xiàn)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(yīng)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(fā)電機(jī)工況下的鐵耗及無功功率將會十分顯著地大于電動機(jī)工況的相應(yīng)數(shù)值。以上述45kW電動機(jī)為例

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

3.轉(zhuǎn)差率及轉(zhuǎn)子銅耗

由圖1容易得到電磁轉(zhuǎn)矩

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

式中m、Ω——電動機(jī)的相數(shù)和同步轉(zhuǎn)速。

據(jù)此可求得轉(zhuǎn)差率與激磁電勢之間的關(guān)系

（4）

其中“+”用于發(fā)電機(jī)工況；“一”用于電動機(jī)工況。

根據(jù)式（4）進(jìn)行的實際計算表明，對于一定大小的電磁轉(zhuǎn)矩，在電動機(jī)及發(fā)電機(jī)正常運行區(qū)間，當(dāng)激磁電勢較大時，相應(yīng)的S則較小。考慮到轉(zhuǎn)子銅耗

PCu2=TemΩS （6）

所以，當(dāng)激磁電勢較大時，轉(zhuǎn)子銅耗較小。

感應(yīng)電動機(jī)綜合節(jié)能的討論

1.調(diào)壓節(jié)能

因為驅(qū)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(huán)中，當(dāng)載荷轉(zhuǎn)矩較大時，則施加較大的電壓，而當(dāng)載荷轉(zhuǎn)矩較小時，則施加較小的電壓。

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

2.電容器動態(tài)補(bǔ)償節(jié)能

（1）電容器動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)谋匾?/p>

考慮到在電源電壓一定的情況下，不同運行工況、不同負(fù)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(fù)載下有效補(bǔ)償無功，采用電容器動態(tài)補(bǔ)償是很有必要的。

（2）采用電容器動態(tài)補(bǔ)償后節(jié)能機(jī)理

采用電容器補(bǔ)償后，電動機(jī)的無功實現(xiàn)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(jié)能效果尤為顯著。

除了減少線路消耗之外，并聯(lián)電容后使線路壓降減小，從而使激磁電勢增大，也可帶來節(jié)能效果。這是因為在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，激磁電勢增大，使轉(zhuǎn)差率變小，從而降低了轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子銅耗降低更明顯，從而帶來節(jié)能效果。這種節(jié)能效果使電動機(jī)工況輸入功率減小，而發(fā)電機(jī)工況發(fā)出的功率增大。

3.采用星-三角接法調(diào)壓節(jié)能的切換點

采用星-三角變換實現(xiàn)調(diào)壓節(jié)能是調(diào)壓節(jié)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(cè)，為大功率區(qū)域，如果采用星接，則轉(zhuǎn)差率及轉(zhuǎn)子銅耗隨負(fù)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(cè)宜采用角接。左側(cè)為小功率區(qū)域，無論采用那種接法，轉(zhuǎn)差率及轉(zhuǎn)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(qū)域采用星接。如果根據(jù)井況，需考慮適當(dāng)采用高轉(zhuǎn)差率運行，可以對初步選擇的結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)修正。

4.電容器動態(tài)投切的某些測試結(jié)果

根據(jù)上述原理設(shè)計制作的可控硅投切的無功動態(tài)補(bǔ)償裝置，在多個不同類型油井進(jìn)行了實際使用測試。在變壓器出線端測試結(jié)果表明，有功節(jié)電率一般在12% ～20% ，部分饋電線路長的油井，節(jié)電率達(dá)到20% ～30%。在電動機(jī)出線端測得的有功節(jié)電率一般在3% ～6% 。

根據(jù)以上原理，我隊進(jìn)行了無功動態(tài)補(bǔ)償?shù)脑囼?，不同程度均見到了?jié)能效果，尤其是我隊的一口低功率因數(shù)電機(jī)。

結(jié) 論

（1）通過磁路分析，進(jìn)一步研究了等效電路參數(shù)與感應(yīng)電勢之間的關(guān)系，說明電動機(jī)參數(shù)存在不容忽視的非線性現(xiàn)象。

（2）在考慮參數(shù)非線性時，發(fā)電機(jī)工況的無功與鐵耗顯著大于電動機(jī)工況的對應(yīng)數(shù)值。

（3）在考慮參數(shù)非線性的條件下，研究了電容動態(tài)補(bǔ)償?shù)确桨傅木C合節(jié)能機(jī)理。采用可控硅動態(tài)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(fā)電機(jī)工況顯著減小轉(zhuǎn)子銅耗，從而獲得綜合節(jié)能效果。