異步電動(dòng)機(jī)臨界反電勢測試與最優(yōu)節(jié)點(diǎn)研究

盧正通 焦裕璽 孫東 馬坤（中國石化勝利油田技術(shù)檢測中心）

異步電動(dòng)機(jī)臨界反電勢測試與最優(yōu)節(jié)點(diǎn)研究

盧正通 焦裕璽 孫東 馬坤（中國石化勝利油田技術(shù)檢測中心）

通過分析異步電動(dòng)機(jī)Γ型等效電路，得到轉(zhuǎn)差率與定子端電壓、功率因數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，間接地尋找不同負(fù)載下的最優(yōu)工作電壓，從而獲得最大功率因數(shù)來實(shí)現(xiàn)節(jié)能。研究的目的是找到電動(dòng)機(jī)的定子最優(yōu)電壓，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的最優(yōu)運(yùn)行。經(jīng)過測試驗(yàn)證對(duì)比，發(fā)現(xiàn)理論分析與現(xiàn)場實(shí)測非常接近，驗(yàn)證了該方法的有效性。

異步電動(dòng)機(jī) 臨界反電勢 功率因數(shù)

在油田實(shí)際應(yīng)用中，電動(dòng)機(jī)經(jīng)常在變負(fù)荷狀態(tài)[1]下運(yùn)行，有很多負(fù)荷的功率在重載、輕載及空載之間周期性大幅度變化，甚至有些負(fù)荷還存在倒發(fā)電工況，這就導(dǎo)致異步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)低，效率不高，電能浪費(fèi)現(xiàn)象十分嚴(yán)重。因此，提高電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行功率因數(shù)具有重要意義。

目前，異步電動(dòng)機(jī)的節(jié)能[2]方法有很多種，這里只分析調(diào)壓方式研究異步電動(dòng)機(jī)的能耗問題。在負(fù)載率一定的情況下，分析功率因數(shù)與定子端電壓的關(guān)系式，通過計(jì)算和實(shí)驗(yàn)找到臨界反電勢即定子電壓最優(yōu)點(diǎn)，此時(shí)的定子電壓對(duì)應(yīng)功率因數(shù)最大，實(shí)現(xiàn)了調(diào)節(jié)電壓以提高功率因數(shù)，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能的目的。最優(yōu)電壓問題是指在一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩條件下對(duì)異步電動(dòng)機(jī)施加什么樣的電壓，能夠使電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)最大。

1 基于電壓控制的異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能原理

異步電動(dòng)機(jī)Γ型等效電路如圖1所示：對(duì)于準(zhǔn)確Γ型電路，圖中系數(shù)c1=1+Z1/Zm，對(duì)于大容量電動(dòng)機(jī)X1?Xm，c1是一個(gè)幅值接近于1的常數(shù)，為方便計(jì)算取c1=1；電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)角為電壓與電流的相位差，它等于單相阻抗Z的阻抗角。由圖1知道阻抗Z、功率因數(shù)角?、功率因數(shù)cos?，s為轉(zhuǎn)差率。各參數(shù)之間的關(guān)系可由下式表示：

圖1 電動(dòng)機(jī)等效電路

其中，a、b、c、d、e代表以下變量：

當(dāng)功率因數(shù)角?取得最小值時(shí)有可求出最小功率角即最大功率因數(shù)，此時(shí)的轉(zhuǎn)差率為

轉(zhuǎn)差率s的范圍是（0，1），考慮電動(dòng)機(jī)參數(shù)不變的情況下，cos?達(dá)到最大時(shí)有恒定的smin，同樣存在調(diào)壓特性和機(jī)械特性[3]對(duì)功率因數(shù)的影響（圖2）。

圖2 功率因數(shù)曲線

1）機(jī)械特性：在額定功率下，不同負(fù)載下s不同，因此功率因數(shù)也不同?？蛰d和輕載時(shí)s較小，功率因數(shù)也較小，隨著負(fù)載的增大，s增大。當(dāng)s達(dá)到smin時(shí)功率因數(shù)達(dá)到最大值，如果負(fù)載繼續(xù)增大，s增大，功率因數(shù)又會(huì)減小。

2）調(diào)壓特性：如果負(fù)載恒定，降低電壓后電動(dòng)機(jī)s增大，當(dāng)s到達(dá)smin時(shí)功率因數(shù)達(dá)到最大值。如果電壓繼續(xù)降低，s增大，功率又逐漸減小。在某一負(fù)載T下，存在某一電壓對(duì)應(yīng)的?最小，功率因數(shù)達(dá)到最大，這里剛好對(duì)應(yīng)smin的狀態(tài)，這時(shí)在電壓不變時(shí)，大于或者小于這一負(fù)載下功率因數(shù)都會(huì)減小。

對(duì)于某一恒定負(fù)載，忽略機(jī)械損耗和附加損耗，認(rèn)為T和負(fù)載轉(zhuǎn)矩相等，推出當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩、頻率、電動(dòng)機(jī)各參數(shù)不變時(shí)的電壓與轉(zhuǎn)差率的關(guān)系：

將此時(shí)的轉(zhuǎn)差率smin代入，即可獲得最大功率因數(shù)時(shí)的定子電壓即臨界反電勢。

2 實(shí)驗(yàn)實(shí)測

在一定負(fù)載下，連續(xù)調(diào)整電動(dòng)機(jī)的定子電壓，用FLUK43B電力分析儀測試電動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)無功功率，并用萬用表測試電壓。當(dāng)FLUK43B測取的無功功率既不顯示“C”（容性無功）也不顯示“L”（感性無功）時(shí)，對(duì)應(yīng)的定子電壓即為該負(fù)載下的臨界反電勢，此時(shí)的無功功率很小。

對(duì)于不同額定電壓等級(jí)（380 V、660 V、1140 V）、不同額定功率（22 kW、30 kW）和不同轉(zhuǎn)速750 r/min，1000 r/min的多臺(tái)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行運(yùn)行測試，各參數(shù)結(jié)果見表1。

表1 不同電壓等級(jí)對(duì)應(yīng)的功率和功率因數(shù)

從30 kW的8極380 V電動(dòng)機(jī)不同負(fù)載率對(duì)應(yīng)不同電壓下的功率因數(shù)關(guān)系可以看出：

1）電動(dòng)機(jī)的臨界反電勢在380～390 V之間，功率因數(shù)能達(dá)到0.999，當(dāng)定子電壓高于電動(dòng)機(jī)的臨界反電勢時(shí)，其感性無功功率呈感性功率因數(shù)運(yùn)行；當(dāng)定子電壓低于電動(dòng)機(jī)的臨界反電勢時(shí)，電動(dòng)機(jī)的容性無功功率呈容性功率因數(shù)運(yùn)行。

2）當(dāng)電動(dòng)機(jī)的定子電壓等于或近似等于其臨界反電勢時(shí)，電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)最高。

3）負(fù)載率較低時(shí)，功率因數(shù)隨外加定子電壓偏離臨界反電勢的增大而減小，定子電壓偏離臨界反電勢越多，功率因數(shù)下降越多。

4）隨負(fù)載率的增大，電壓變化對(duì)功率因數(shù)的影響逐漸減弱。

5）在定子電壓一定時(shí)，電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率越低，功率因數(shù)越低。

6）電動(dòng)機(jī)空載臨界反電勢近似等于空載反電勢，隨著負(fù)載的增加，臨界反電勢逐漸下降。

3 結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明，在同樣的工況下，電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)同定子電壓有著密切的關(guān)系。當(dāng)變壓器輸出電壓過低時(shí)，無功為負(fù)值，此時(shí)電動(dòng)機(jī)呈容性，功率因數(shù)低于0.9（額定值）；當(dāng)電壓過高時(shí)，無功為正值，此時(shí)電動(dòng)機(jī)呈感性，功率因數(shù)同樣低于0.9（額定值）；當(dāng)在某一固定電壓時(shí)，無功趨近為零，功率因數(shù)為1，電動(dòng)機(jī)達(dá)到理想運(yùn)行狀態(tài)，電力效率最高，損耗最小，此時(shí)電壓等于電動(dòng)機(jī)的反電勢點(diǎn)。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，該井的反電勢點(diǎn)略低于390 V，由于變壓器檔位少，所以無法精確調(diào)試出該井的反電勢點(diǎn)。該方法有著明顯的節(jié)電效果，電動(dòng)機(jī)效率也相應(yīng)提高，有待于進(jìn)一步開發(fā)研究。

[1]羅雄.不均勻負(fù)載電動(dòng)機(jī)調(diào)壓節(jié)能裝置的研究[D].北京:華北電力大學(xué)（北京）:2004.

[2]李彪.周期性負(fù)載條件下異步電機(jī)節(jié)能控制器的研究[D].濟(jì)南:山東大學(xué):2011.

[3]賀潔.異步電機(jī)輕載條件下調(diào)壓節(jié)能最優(yōu)電壓分析[J].山東大學(xué)學(xué)報(bào),2012(6):41-46.

10.3969/j.issn.2095-1493.2015.004.003

2014-10-08）

盧正通，山東科技大學(xué)在讀碩士研究生，從事石油開發(fā)節(jié)能項(xiàng)目研發(fā)工作，E-mail：1206434337@qq.com，地址：山東省青島市黃島區(qū)前灣港路579號(hào)山東科技大學(xué)，266590。