调压型节能控制箱适应性分析

李　雪（大庆油田有限责任公司第九采油厂）

调压型节能控制箱适应性分析

李雪（大庆油田有限责任公司第九采油厂）

从异步电动机的调压节能原理出发，阐述不同负载调压前后电动机效率与转差率的对应关系，对不同负载下调压前后消耗功率及负载功率进行理论计算，分析节能控制箱负载率与节电率及日节电之间的关系，给出应用节能控制箱选井条件，为推广应用提供借鉴。

调压；节电率；负载率；转差率

电动机效率是衡量电动机经济运行的重要指标，在满足相同负载功率前提下，电动机效率越高，则能耗越小。对于负载周期性变化，且经常处于轻载或空载状态下的异步电动机，通过调节电动机端电压，可使自身损耗减小，提高效率，达到节能的目的。

1　电动机降压节能原理和参数分析

1.1降压节能原理

电动机的损耗包括：定子铜耗、转子铜耗、铁耗、机械损耗及杂损等。定子铜损PCu1、转子铜损PCu2与定子、转子电流平方成正比，铁损PFe与电压的平方成正比，在满足负载有效功率需求的前提下，可以通过对电动机供电电源的合理控制，使定子铜耗、转子铜耗和铁耗减小。

将维持电动机工作的定子电流分解为转矩电流分量及励磁电流分量，励磁电流分量依赖于电压和磁通密度，在额定电压下，磁场消耗的能量保持恒定，与负载所需的转矩无关。转矩电流分量与负载转矩大小有关，在额定电压下，随着负载转矩的减小，转矩电流所占比重减小。

当电源电压大于电动机额定电压时：电动机主磁通增加，导致励磁电流Im上升，定子电流I1上升，导致定子铁损PFe和铜损PCu1增加，无功励磁分量占比重增加，电动机效率下降，功率因数下降。由此得出，当电动机过载运行时，通过将电源电压降低至额定电压可以提高电动机效率。

当电源电压小于电动机额定电压时：若负载处于额定负载，此时励磁电流Im将随之减小，铁芯损耗和定子铜损减小。但转差率增大，转子电流增加，转子铜损耗也随之增加。若异步电动机轻载运行，定子电流的励磁分量Im起主要的作用，此时定子电流I1随Im的减小而减小，定子的功率因数提高，铁损降低。由此得出，轻载运行时，适当的降低电压可以提高电动机效率。

1.2电动机效率与转差率、电压的关系

三相异步电动机的简化等效电路［1］如图1所示，对于容量较大的电动机c1很接近1［2］，为了简化计算，取c1=1。以下分析过程中假定电动机的参数不变。

图1　异步电动机的简化等效电路

转子电流：

励磁电流：

忽略机械损耗和附加损耗时输出功率P2可表示为

定子端输入的电功率P1可表示为

电动机的效率可表示为

把公式（1）（2）（3）（4）带入（5）有

对上式求导，即当电动机效率取得最大值时，可求得电动机最大效率时的转差率为

式（1）～（7）中：

I2'、Im——转子电流、励磁电流，A；

P1、P2——输入功率、输出功率，kW；

η、s——电动机效率、转差率，%；

r1、r2＇——定子、转子电阻，Ω；

U、I1——定子电压、电流幅值，V、A；

x1、x2——定子、转子漏抗，Ω；

rm、xm——铁耗等效电阻、激磁电抗，Ω。

将电动机的相关参数带入式（6），可以得到在s为0～1范围内，电动机效率与转差率s的关系［3］如图2所示。由公式（6）、（7）以及图2可知，电动机的效率仅与参数和转差率的有关，考虑电动机参数不变情况下，效率达到最大值时的转差率也是恒定值。

图2　异步电动机转差率与电动机效率的关系

对于某一特定转矩负载而言，有以下2种方式使电动机的转差变化（在频率一定条件下，转差变化意味着电动机转速变化）：

1）机械特性。异步电动机在额定电压下工作时，不同负载T的转差率s不同，因此效率也就不同。空载和轻载时的s较小，效率也较小，随着负载T的增大，转差率增加，当T达到T（ηmax）时效率达到最大值，如果负载扭矩继续增加，转差率s增大，效率又逐渐减小（图3）。

图3　异步电动机不同负载调压挖制效率曲线

2）调压特性。如果负载为某一值不变，降低电压后电动机的转差率也会增大，当s达到s（ηmax）时效率达到最大值。如果电压继续降低，转差率s增大，但是效率又逐渐减小。存在某一负载T（ηmax），降低电压后，s增大，但电动机效率η增加所以负载大于T（ηmax）的范周内，额定电压时的电动机效率η最大。在负载小于T（ηmax）范围内，调节电压，使s始终保持在s（ηmax）附近，此时电动机效率始终保持较高的ηmax值，负载大于T（ηmax），调压后效率反而减低，因此没有调压的必要。

2　调压型节能控制箱适应性分析

根据异步电动机不同负载调压控制仿真模型，通过调整电动机电压，在不同负载下电动机效率均可达到最优值，即ηmax对不同负载下调压前后消耗功率及负载功率进行理论计算求解流程如图4。

例如，对于YCHD225-12/8在用功率为17 kW的电动机，其不同负载率条件下工频运行及节能运行条件下的能耗状况如表1所示。

对于YCHD225-12/8型电动机调压控制有如下特点，节电率随着负载率的降低而升高；日节电随着负载率的增大先增加后降低；负载率为3.3%（对应功率利用率18.4%），日节电最高达到51.8 kWh。也就是说负载率越低应用动态调压技术并不一定效益最高。每台节能控制箱2.3万元，以投资回收期5年计算，日节电20 kWh，电动机负载率22%，对应的功率利用率为33.7%。考虑到抽油机为变负载运行，建议优选功率利用率30%以下电动机应用节能控制箱。

图4　计算流程

3　结论与建议

在不同负载下，通过调整电动机电压，进而控制转差率可以使电动机效率达到最高值。

2）针对厂部分电动机负载率低导致电动机效率偏低的实际，通过应用动态调压技术，可以提高电动机效率，节电率随着负载率的降低而升高，日节电随着负载率的增大先增加后降低。

3）由于抽油机载荷呈周期波动，对于YCHD225-12/8型电动机，建议针对功率利用率30%以下的异步电动机应用动态调压技术。

［1］韩星海.异步电动机调压节能控制的理论分析与仿真［J］.潍坊学院学报，2010，10（4）：21-24.

［2］张承慧，李爱文，张庆苑.感应电动机新型最小损耗控制策略［J］.电工技术学报，1998，13（4）：25-29.

［3］程明，曹瑞武，胡国文，等.异步电动机调压节能控制方法研究［J］.电力自动化设备，2008（1）：6-11.

（编辑贾洪来）

1）调压节能的实质是控制电动机的转差率，

表1　YCHD225-12/8电动机不同负载率调压控制前后理论计算

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.07.001

2015-11-24

李雪，2011年毕业于西南石油大学（资源勘查工程专业），从事采油工程相关工作，E-mail：324265647@qq.com，地址:黑龙江省大庆油田有限责任公司第九采油厂，163853。