調整供電電壓提高電動機效率技術分析

齊白玉 朱金丹（大慶油田有限責任公司第九采油廠）

引言

某采油廠抽油機井應用三相異步電動機1000余臺，通過對電動機運行情況分析，目前主要存在兩方面問題：一是電動機實際運行電壓偏高。電力線路末端存在一定壓降損失，為了不使末端用電設備電壓過低，一般線路電壓高于用電設備額定電壓。統計各油田253臺電動機電壓值，93.3%以上電動機實際工作電壓高于額定電壓（表1）。二是在用功率利用率低。抽油機上下往復運動導致交變載荷變化頻繁，盡管采用了曲柄配重的旋轉平衡，但載荷仍然呈周期波動。在確保可靠啟動和正常運行情況下，與之匹配的電動機額定功率都比運行功率大，除負載峰值時刻以外，大部分時段處于輕載運行。統計606臺雙速電動機，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，且每個沖程一半時段位于電動機低效區。

表1 電動機實際工作電壓與額定電壓對比

表2 雙速電動機功率利用率分級

1 調壓節能原理

交流電動機運行中的電能損耗主要有銅損、鐵損、機械損耗，而對于一個電動機來說機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，與負載的大小相關。鐵損是轉子、定子鐵芯的渦流與磁滯現象的影響導致的能量損失。當銅損和鐵損相等時，電動機效率最高。在滿足負載有效功率需求前提下，可以通過對電動機供電電源的合理控制，降低銅損、鐵損，提高電動機效率[1]。

將電動機的定子電流分解為轉矩電流分量及勵磁電流分量：轉矩電流分量與負載轉矩大小有關，在額定電壓下，隨著負載轉矩的減小，轉矩電流所占比重減小。勵磁電流分量依賴于電壓和磁通密度，在額定電壓下，磁場消耗的能量保持恒定，與負載所需的轉矩無關[2]。

當供電電壓大于電動機額定電壓（UN）時，電動機主磁通增加，導致勵磁電流上升，鐵損和銅損增加，無功勵磁分量占比重增大，電動機效率下降。當供電電壓小于電動機額定電壓（UN）時，若處于額定負載運行，勵磁電流減小，鐵損減小。但轉差率增大，轉子電流增加，轉子銅損也隨之增加；若處于輕載運行，鐵損占主導地位，通過降低電壓，減少磁通量，從而減少鐵損，達到提高電動機效率，降低能耗的目的（圖1）。

圖1 電動機電壓電流特征示意

電動機在不同電壓下特性曲線表明（圖2），當電動機處于額定負載，電壓為UN時，電動機效率最高；當電動機處于3/4額定負載，電壓為0.85UN時，電動機效率略微下降；當電動機低于1/2額定負載，電壓為0.85UN時，電動機效率高于額定電壓時效率[3]。

圖2 異步電動機效率-電壓特性曲線

2 措施應用及效果分析

2.1 人工調整電源電壓

針對電動機運行電壓偏高的實際情況，在龍虎泡油田選取7口井，現場通過調整變壓器擋位，降低供電電壓，使電動機電壓趨近于額定電壓，并對調壓后啟動、空載運行、正常運行3種狀態進行對比分析。

啟動電流減小。異步電動機啟動時轉差率s=1，轉子部分等效阻抗較小；根據異步電動機等效電路分析，異步電動機啟動電流與外加電壓U1成正比，與短路阻抗成反比，一般異步電動機啟動電流較大。

龍8-12井電動機額定工作電壓380V，額定相電壓220V，實際工作相電壓為238.6V，啟動電流101.5A；調整后實際工作相電壓降低到228.1V（仍然偏高），啟動電流降為93.8A，啟動電流明顯減小。

空載電流和空載功率減小。異步電動機輕載或空載時，定子電流中勵磁電流占主導。當電動機發生空載時（可視為輕載的極限情況），轉差率s≈0，空載電流即勵磁電流。如表3所示，龍5-斜11井電動機調壓前后對比，空載電流下降1.6A，空載功率下降0.12kW，功率因數略微上升。

表3 龍5-斜11井空載調壓前后能耗對比

運行時耗電降低。調整電壓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，日節電6.2kWh，節電率5.9%，系統效率提高1.2個百分點。

2.2 應用動態調壓控制技術

由于抽油機減速箱扭矩呈周期波動，理論分析表明，異步電動機輸入電壓過高或過低都會導致電流上升。因此，通過實時檢測電動機負載率變化，實時調整電動機輸入電壓和負載電流，可實現節能降耗。

在敖南油田應用抽油機節能控制箱進行動態調壓控制，當負載減小時，適當降低電動機輸入電壓，以保證電流處于最低值，將電動機自身損耗降至最低，進而提高電動機效率。

對比南254-斜244井應用抽油機節能控制箱前后電壓電流曲線（圖3），該井應用抽油機節能控制箱前工頻運行時線電壓維持在388.0V，電流介于29.9～31.1A之間；應用抽油機節能控制箱后節能運行時電壓維持在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，日節電19.6kWh，節電率20.0%。

圖3 南254-斜244井節能及工頻運行時電壓電流曲線

目前，共應用節能控制箱43臺，平均單井日節電17.4kWh，節電率26.4%，而且功率利用率越低效果越明顯。

3 結論與建議

1）針對異步電動機實際工作電壓偏高的井，通過人工調整，將電壓降低至額定電壓可提高電動機效率。

2）針對部分電動機負載率低的井，通過應用動態調壓控制技術，可以提高電動機效率，進一步降低抽油機能耗。

[1]呼朝.影響電動機效率的因素及現實中提高電動機效率的方法淺析[J].科技信息,2008(28):429-430.

[2]曹瑞武.異步電動機調壓節能控制技術研究[D].[碩士學位論文].南京:東南大學,2007.

[3]孫成寶,金哲.現代節電技術與節電工程[M].北京:中國水利水電出版社,2005:9-12.