調(diào)整供電電壓提高電動(dòng)機(jī)效率技術(shù)分析

齊白玉 朱金丹（大慶油田有限責(zé)任公司第九采油廠）

引言

某采油廠抽油機(jī)井應(yīng)用三相異步電動(dòng)機(jī)1000余臺(tái)，通過對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行情況分析，目前主要存在兩方面問題：一是電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行電壓偏高。電力線路末端存在一定壓降損失，為了不使末端用電設(shè)備電壓過低，一般線路電壓高于用電設(shè)備額定電壓。統(tǒng)計(jì)各油田253臺(tái)電動(dòng)機(jī)電壓值，93.3%以上電動(dòng)機(jī)實(shí)際工作電壓高于額定電壓（表1）。二是在用功率利用率低。抽油機(jī)上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致交變載荷變化頻繁，盡管采用了曲柄配重的旋轉(zhuǎn)平衡，但載荷仍然呈周期波動(dòng)。在確?？煽繂?dòng)和正常運(yùn)行情況下，與之匹配的電動(dòng)機(jī)額定功率都比運(yùn)行功率大，除負(fù)載峰值時(shí)刻以外，大部分時(shí)段處于輕載運(yùn)行。統(tǒng)計(jì)606臺(tái)雙速電動(dòng)機(jī)，平均功率利用率為24.6%，功率利用率小于20%的有213口井，占35.1%，平均功率利用率僅14.7%（表2）。功率僅9.1kW，且每個(gè)沖程一半時(shí)段位于電動(dòng)機(jī)低效區(qū)。

表1 電動(dòng)機(jī)實(shí)際工作電壓與額定電壓對(duì)比

表2 雙速電動(dòng)機(jī)功率利用率分級(jí)

1 調(diào)壓節(jié)能原理

交流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中的電能損耗主要有銅損、鐵損、機(jī)械損耗，而對(duì)于一個(gè)電動(dòng)機(jī)來(lái)說機(jī)械損耗是不變的常量，只占總損耗的一小部分。銅損是熱量損失部分，與負(fù)載的大小相關(guān)。鐵損是轉(zhuǎn)子、定子鐵芯的渦流與磁滯現(xiàn)象的影響導(dǎo)致的能量損失。當(dāng)銅損和鐵損相等時(shí)，電動(dòng)機(jī)效率最高。在滿足負(fù)載有效功率需求前提下，可以通過對(duì)電動(dòng)機(jī)供電電源的合理控制，降低銅損、鐵損，提高電動(dòng)機(jī)效率[1]。

將電動(dòng)機(jī)的定子電流分解為轉(zhuǎn)矩電流分量及勵(lì)磁電流分量：轉(zhuǎn)矩電流分量與負(fù)載轉(zhuǎn)矩大小有關(guān)，在額定電壓下，隨著負(fù)載轉(zhuǎn)矩的減小，轉(zhuǎn)矩電流所占比重減小。勵(lì)磁電流分量依賴于電壓和磁通密度，在額定電壓下，磁場(chǎng)消耗的能量保持恒定，與負(fù)載所需的轉(zhuǎn)矩?zé)o關(guān)[2]。

當(dāng)供電電壓大于電動(dòng)機(jī)額定電壓（UN）時(shí)，電動(dòng)機(jī)主磁通增加，導(dǎo)致勵(lì)磁電流上升，鐵損和銅損增加，無(wú)功勵(lì)磁分量占比重增大，電動(dòng)機(jī)效率下降。當(dāng)供電電壓小于電動(dòng)機(jī)額定電壓（UN）時(shí)，若處于額定負(fù)載運(yùn)行，勵(lì)磁電流減小，鐵損減小。但轉(zhuǎn)差率增大，轉(zhuǎn)子電流增加，轉(zhuǎn)子銅損也隨之增加；若處于輕載運(yùn)行，鐵損占主導(dǎo)地位，通過降低電壓，減少磁通量，從而減少鐵損，達(dá)到提高電動(dòng)機(jī)效率，降低能耗的目的（圖1）。

圖1 電動(dòng)機(jī)電壓電流特征示意

電動(dòng)機(jī)在不同電壓下特性曲線表明（圖2），當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于額定負(fù)載，電壓為UN時(shí)，電動(dòng)機(jī)效率最高；當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于3/4額定負(fù)載，電壓為0.85UN時(shí)，電動(dòng)機(jī)效率略微下降；當(dāng)電動(dòng)機(jī)低于1/2額定負(fù)載，電壓為0.85UN時(shí)，電動(dòng)機(jī)效率高于額定電壓時(shí)效率[3]。

圖2 異步電動(dòng)機(jī)效率-電壓特性曲線

2 措施應(yīng)用及效果分析

2.1 人工調(diào)整電源電壓

針對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行電壓偏高的實(shí)際情況，在龍虎泡油田選取7口井，現(xiàn)場(chǎng)通過調(diào)整變壓器擋位，降低供電電壓，使電動(dòng)機(jī)電壓趨近于額定電壓，并對(duì)調(diào)壓后啟動(dòng)、空載運(yùn)行、正常運(yùn)行3種狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比分析。

啟動(dòng)電流減小。異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)差率s=1，轉(zhuǎn)子部分等效阻抗較小；根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)等效電路分析，異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流與外加電壓U1成正比，與短路阻抗成反比，一般異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流較大。

龍8-12井電動(dòng)機(jī)額定工作電壓380V，額定相電壓220V，實(shí)際工作相電壓為238.6V，啟動(dòng)電流101.5A；調(diào)整后實(shí)際工作相電壓降低到228.1V（仍然偏高），啟動(dòng)電流降為93.8A，啟動(dòng)電流明顯減小。

空載電流和空載功率減小。異步電動(dòng)機(jī)輕載或空載時(shí)，定子電流中勵(lì)磁電流占主導(dǎo)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)發(fā)生空載時(shí)（可視為輕載的極限情況），轉(zhuǎn)差率s≈0，空載電流即勵(lì)磁電流。如表3所示，龍5-斜11井電動(dòng)機(jī)調(diào)壓前后對(duì)比，空載電流下降1.6A，空載功率下降0.12kW，功率因數(shù)略微上升。

表3 龍5-斜11井空載調(diào)壓前后能耗對(duì)比

運(yùn)行時(shí)耗電降低。調(diào)整電壓7口井，措施有效率100%，平均工作相電壓由措施前的234.8V降低至223.5V，平均單井日耗電由104.4kWh下降到98.2kWh，日節(jié)電6.2kWh，節(jié)電率5.9%，系統(tǒng)效率提高1.2個(gè)百分點(diǎn)。

2.2 應(yīng)用動(dòng)態(tài)調(diào)壓控制技術(shù)

由于抽油機(jī)減速箱扭矩呈周期波動(dòng)，理論分析表明，異步電動(dòng)機(jī)輸入電壓過高或過低都會(huì)導(dǎo)致電流上升。因此，通過實(shí)時(shí)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)負(fù)載率變化，實(shí)時(shí)調(diào)整電動(dòng)機(jī)輸入電壓和負(fù)載電流，可實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。

在敖南油田應(yīng)用抽油機(jī)節(jié)能控制箱進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)壓控制，當(dāng)負(fù)載減小時(shí)，適當(dāng)降低電動(dòng)機(jī)輸入電壓，以保證電流處于最低值，將電動(dòng)機(jī)自身?yè)p耗降至最低，進(jìn)而提高電動(dòng)機(jī)效率。

對(duì)比南254-斜244井應(yīng)用抽油機(jī)節(jié)能控制箱前后電壓電流曲線（圖3），該井應(yīng)用抽油機(jī)節(jié)能控制箱前工頻運(yùn)行時(shí)線電壓維持在388.0V，電流介于29.9～31.1A之間；應(yīng)用抽油機(jī)節(jié)能控制箱后節(jié)能運(yùn)行時(shí)電壓維持在190.0～276.0V，電流介于2.7～15.1 A之間。該井平均單井日耗電由98.2kWh下降到78.6kWh，日節(jié)電19.6kWh，節(jié)電率20.0%。

圖3 南254-斜244井節(jié)能及工頻運(yùn)行時(shí)電壓電流曲線

目前，共應(yīng)用節(jié)能控制箱43臺(tái)，平均單井日節(jié)電17.4kWh，節(jié)電率26.4%，而且功率利用率越低效果越明顯。

3 結(jié)論與建議

1）針對(duì)異步電動(dòng)機(jī)實(shí)際工作電壓偏高的井，通過人工調(diào)整，將電壓降低至額定電壓可提高電動(dòng)機(jī)效率。

2）針對(duì)部分電動(dòng)機(jī)負(fù)載率低的井，通過應(yīng)用動(dòng)態(tài)調(diào)壓控制技術(shù)，可以提高電動(dòng)機(jī)效率，進(jìn)一步降低抽油機(jī)能耗。

[1]呼朝.影響電動(dòng)機(jī)效率的因素及現(xiàn)實(shí)中提高電動(dòng)機(jī)效率的方法淺析[J].科技信息,2008(28):429-430.

[2]曹瑞武.異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓節(jié)能控制技術(shù)研究[D].[碩士學(xué)位論文].南京:東南大學(xué),2007.

[3]孫成寶,金哲.現(xiàn)代節(jié)電技術(shù)與節(jié)電工程[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2005:9-12.