周維 鄭詩琦 蔣妍 田睿智 朱軻

摘? ?要：裝置針對抽油機電動機能耗大的問題進行研究，并設(shè)計新型抽油機節(jié)能裝置，針對抽油機電動機起動電流巨大，運行時功率因數(shù)低且數(shù)值變化大的運行特性，設(shè)計一種基于PLC控制的自動裝置，采用ADE7753電力計量芯片進行數(shù)據(jù)采樣，利用磁閥式可控電抗器改變晶閘管導(dǎo)通角來限制抽油機的起動電流，降壓起動;利用電抗器的連續(xù)可調(diào)性，通過與電容器并聯(lián)進行動態(tài)的無功功率補償，從而達到節(jié)約原油開采成本，提高油企經(jīng)濟效益的目的。通過MATLAB仿真實驗和相關(guān)的理論計算研究，在對可控電抗器進行調(diào)節(jié)的過程中，可以實現(xiàn)降低起動電流和功率因數(shù)的提高，從而減少電能的損耗。

關(guān)鍵詞：抽油機電動機? 節(jié)能? 可控電抗器? 起動電流? 無功補償? PLC

中圖分類號：TM76? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）05（a）-0121-05

1? 磁控電抗器的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 磁控電抗器的結(jié)構(gòu)

設(shè)計采用可控電抗器中的磁控電抗器作為軟啟動和無功功率補償裝置的主要組成部分，它由控制部分和飽和電抗器兩部分組成。該電抗器主鐵心部分分為兩個鐵芯柱，每個柱的上下兩個繞組由截面積較小的磁閥相連，各繞組分別繞有匝數(shù)為N/2的線圈及一個抽頭。兩個鐵芯柱上下兩抽頭并聯(lián)極性相反的晶閘管K1和K2，不同鐵芯柱上下兩個繞組相互連接后并聯(lián)于電網(wǎng)中，同時接一續(xù)流二極管串聯(lián)在兩連接點上[1]。

1.2 磁控電抗器工作原理

在磁控電抗器主鐵芯柱上外加一電源，在一個周期內(nèi)，電源觸發(fā)晶閘管輪流導(dǎo)通，與續(xù)流二極管一起形成一個全波整流電路，并在其形成的回路中產(chǎn)生直流偏磁電流。磁控電抗器是利用鐵磁材料的磁化曲線的非線性關(guān)系，根據(jù)直流激磁現(xiàn)象，控制直流電流變化進而改變鐵芯的磁飽和程度。鐵心飽和度受直流電流控制，直流偏磁現(xiàn)象使磁控電抗器的鐵心飽和程度發(fā)生變化，其電抗值也會發(fā)生改變[2]。

式中α為晶閘管導(dǎo)通角，β為鐵心的飽和程度。由上述可知，改變晶閘管的導(dǎo)通角就能改變磁飽和度的大小，使電抗值隨著晶閘管的觸發(fā)角的增大而增大，從而達到平滑調(diào)節(jié)電抗器的容量的目的，進而實現(xiàn)動態(tài)補償。

1.3 電動機的軟起動原理

當電動機接入電網(wǎng)時，電動機即將起動但尚未起動時的瞬間電流為起動電流，起動電流Ist的公式如下：

式中為定子側(cè)的漏抗;為折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子漏抗。由上式可知，在定子側(cè)每一項串聯(lián)電抗后，起動電流將變小，若X的值可變，則起動電流也可以隨電抗值的改變而改變。電網(wǎng)電壓、電抗器電壓、電動機端電壓三者關(guān)系為。當UL減小時，U1增大[3]。通過對電抗器電抗值的調(diào)節(jié)，改變端電壓的大小，這就是磁控電抗器降壓起動的工作原理。

2? 利用可控電抗器的動態(tài)無功補償

2.1 功率因數(shù)補償

電動機在吸收有功功率時，從電網(wǎng)吸收無功功率，造成供電系統(tǒng)功率因數(shù)的降低，從而增加輸電線路的功率損耗，使發(fā)電設(shè)備的容量不能充分利用。因此，需要對電動機進行無功補償，以提高功率因數(shù)。本設(shè)計采用在電網(wǎng)電源端掛上電容器作為無功電源，抵消電感產(chǎn)生的無功功率。在現(xiàn)有的設(shè)計中，大多采用投切電容器的方式，使用多組不同的電容值的電容器，根據(jù)需要進行投切。但投切電容器的方式有兩個問題，一是投切開關(guān)的損耗較大，二是不能準確地進行無功功率補償，而使用可控電抗器進行調(diào)節(jié)，則是另辟蹊徑[4]。

由于電容器是不能無極調(diào)節(jié)的，在通常情況下是以投切的方式來改變補償電容的大小。但是，將電容器兩端并聯(lián)該可控電抗器后，由于兩者的補償作用，且始終使系統(tǒng)處于容性狀態(tài)，則可以實現(xiàn)無功電源的無極調(diào)節(jié)。

2.2 無功電源電容器的選取

通過無功補償裝置調(diào)整其功率因數(shù)，本設(shè)計中先由采樣裝置檢測電動機的實際功率因數(shù)并反饋給PLC系統(tǒng)，再由下式計算出所需要無功功率補償容量[4]，通過改變可控電抗器的電抗值使無功補償裝置提供所需的補償容量，實現(xiàn)無功補償容量雙向連續(xù)、平滑調(diào)節(jié)。

式中：Qc-無功功率補償容量? P1-電源端收入功率? -額定功率因數(shù)角。

選取電容器容量時，為達到安全、經(jīng)濟合理的補償目的，可以根據(jù)電動機的額定參數(shù)選擇所需電容的容量，常用的公式如下：。

K的其取值如表1，根據(jù)電動機的極數(shù)選取相應(yīng)的K值[3]。

將可控電抗器與電容器并聯(lián)，等效于一個電容值在一定范圍內(nèi)可連續(xù)改變的電容器，由此實現(xiàn)對無功的動態(tài)補償。

裝置等效阻抗將其等效為一個電容器則

即前式分母上

式中C'—等效電容值。

三相無功補償容量根據(jù)公式可以看出補償容量隨電抗XL增大而增大。

3? 節(jié)能裝置設(shè)計方案

首先在電動機與電源之間串上一個可控電抗器，此電抗器的導(dǎo)通角調(diào)節(jié)程度可以根據(jù)如上公式進行調(diào)節(jié)，觸發(fā)角α與基波電流I1的關(guān)系圖如圖2所示[2]。

本設(shè)計中電容器作為無功電源，選擇可控電抗器的類型為磁閥式可控電抗器。通過電抗器來限制電動機起動電流（通常為5～7倍）。PLC檢測電動機電流平穩(wěn)運行之后，將此電抗器從電動機與電源之間旁路，接到和電動機匹配的電容器上，可控電抗器可以實現(xiàn)容性感抗的動態(tài)調(diào)節(jié)[4]。在電動機運行的過程中，會出現(xiàn)功率因數(shù)變化極大的情況，本設(shè)計采用理想方案，即在電動機進線端進行功率因數(shù)檢測，利用ADE7753電力計量芯片，完成各項電力數(shù)據(jù)的采集[5]。采集樣本為10個周期的電壓與電流的波形，取功率因數(shù)的平均值作為調(diào)節(jié)電抗器的參考標準。調(diào)整系統(tǒng)功率因數(shù)穩(wěn)定在0.9～1.0之間。

該裝置既可以實現(xiàn)電動機的軟起動，又可以完成電動機運行過程中的動態(tài)無功功率補償功能，進而實現(xiàn)保護電網(wǎng)，減少企業(yè)支出，節(jié)能環(huán)保的目的。

4? MATLAB仿真實驗

4.1 Simulink仿真抽油機電動機軟啟動

抽油機電動機串聯(lián)可控電控器實現(xiàn)軟啟動，利用Simulink搭建電機的起動模型[5]。仿真中電源電壓取380V，頻率為50Hz。圖6為電機直接起動與串電抗器起動模型，電抗器兩端各并聯(lián)一個電阻進行封裝，起到緩沖作用。

電動機各項參數(shù)取實驗室現(xiàn)有電動機Y100L-4實際參數(shù)，額定功率為2.2kW，額定電流5A，額定電壓380V。經(jīng)仿真驗證得到當電動機直接起動和串電抗器起動時，電機電流的變化情況如圖4。

圖4上下兩張圖分別為電動機直接起動和串聯(lián)電抗器啟動時的電流變化情況。由圖4可知，不串電抗器時，起動電流為100A左右，電流平穩(wěn)時大約在0.7s時;串聯(lián)電抗器時，起動電流為60A左右，電流平穩(wěn)時在0.4s左右。由此證明，串聯(lián)電抗器使得電動機起動電流減小，同時縮短了電流平穩(wěn)所需時間。

4.2 Simulink仿真抽油機電動機無功功率補償

抽油機電動機的無功補償裝置原理圖的Simulink的仿真圖如圖5所示。

在電路的母線部分靠近三相電源處掛上電容和電抗并聯(lián)的無功功率補償裝置，作無功電源?？煽仉娍蛊髯鳛闊o功電源調(diào)節(jié)裝置受PLC所控制的變化的直流電流控制。通過Simulink仿真結(jié)果可得圖6。

上圖為未補償時，電壓波形和電流波形之間的相位關(guān)系;下圖為補償后，電壓和電流之間的相位關(guān)系。兩圖對比后發(fā)現(xiàn)，補償后電壓和電流之間的相位差縮小，故功率因數(shù)明顯增大。從該仿真結(jié)果可以直觀的看出，選擇合適的補償電容值，即可合理改變功率因數(shù)的數(shù)值。

5? PLC控制理論研究

左圖電動機軟啟動控制過程流程圖，右圖為電動機動態(tài)無功功率補償過程流程圖[6]。

6? 預(yù)計無功補償效果

實際實驗使用型號為Y100L-4三相鼠籠式異步電動機，額定功率2.2kW，額定電壓380V，額定電流5A，額定功率因數(shù)0.82進行負載實驗。測定電動機在負載運行過程中輸入功率與實時功率因數(shù)，記錄后根據(jù)無功功率補償計算式，進行相應(yīng)的計算，從而得到功率補償表。

表2為電動機運行時的功率因數(shù)補償?shù)?.9時所需要補償?shù)臒o功功率Q。根據(jù)上表可知在功率因數(shù)極低的情況下的電動機所需要補償?shù)娜萘?，進而選擇合適的電容器與電抗器參數(shù)型號進行匹配。

7? 結(jié)語

本文設(shè)計了新型抽油機節(jié)能裝置，在原有的抽油機電動機的基礎(chǔ)上進行直接改造，節(jié)約生產(chǎn)成本;在進一步的技術(shù)方案中，可控電抗器既可以實現(xiàn)軟啟動，又可以進行無功功率補償，二者的控制均通過PLC系統(tǒng)進行操作，實現(xiàn)自動化。

節(jié)能系統(tǒng)中電動機軟啟動裝置，在電動機起動時起到限流作用;電動機無功功率補償系統(tǒng)，作無功電源進行無功功率補償;使用ADE7753電力計量芯片，用于檢測電壓波形和電流波形之間的相位差，計算系統(tǒng)功率因數(shù);控制系統(tǒng)則以PLC為核心將軟啟動裝置、無功補償裝置、采樣系統(tǒng)和各開關(guān)相串連形成一套系統(tǒng)。

經(jīng)過多次仿真試驗與實際負載實驗結(jié)果理想值計算，表明此設(shè)計可以實現(xiàn)無功功率補償，解決采油環(huán)境下電動機負載變化大引起的功率因數(shù)變化大的問題，該系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)用戶電費的節(jié)約也可以減少電網(wǎng)的負擔，對于個人用戶和電網(wǎng)都有著重大意義。

參考文獻

[1] 杜占鵬.磁飽和可控電抗器特性研究[J].山東工業(yè)技術(shù)，2016（14）：302-303.

[2] 鄭佩祥，王永明，于建龍，等.MCR電壓無功動態(tài)加權(quán)模糊控制系統(tǒng)[J].南昌大學學報：工科版，2014，36（4）：399-403.

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[4] 耿大勇.變流器供電系統(tǒng)的無功補償與諧波抑制研究[D].沈陽工業(yè)大學，2002.

[5] 趙濤.三相異步電動機軟啟動與調(diào)壓節(jié)能技術(shù)的研究[D].天津理工大學，2017.

[6] 張酩.基于PLC控制的磁飽和電抗器在異步電機中的應(yīng)用[D].南昌大學，2012.