異步、同步電動(dòng)機(jī)配合應(yīng)用節(jié)能性探討

車景蘭（大慶油田有限責(zé)任公司第九采油廠）

隨著油田開發(fā)的不斷深入，采出液中含水率的不斷升高，以及低產(chǎn)低效井的不斷增加，原油的開采成本越來越高，如何有效利用能源，把原油開采成本降低到最低限度，充分實(shí)現(xiàn)“少投入，多產(chǎn)出”的高含水開發(fā)后期油田開采方式，已成為當(dāng)今油田開采討論的主題。電動(dòng)機(jī)作為油田的主要耗電設(shè)備，對(duì)如何降低其能耗，提高電網(wǎng)功率因素，達(dá)到節(jié)能降耗的目的進(jìn)行了分析研究。

1 三相異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行原理及特性分析

當(dāng)三相異步電動(dòng)機(jī)的三相定子繞組接到三相對(duì)稱的交流電網(wǎng)中，便在繞組的氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，該旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子導(dǎo)體相互作用，在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生感應(yīng)電流和電磁轉(zhuǎn)矩，從而使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。

1.1 三相異步電動(dòng)機(jī)的磁路

根據(jù)磁通經(jīng)過的途徑和性質(zhì)，把磁通分為主磁通和漏磁通[1]。主磁通是指同時(shí)與定、轉(zhuǎn)子繞組鉸鏈，在氣隙中以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的基波磁通，由于這部分磁通同時(shí)鉸鏈定、轉(zhuǎn)子繞組，在定子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。漏磁通指僅與定子繞組或轉(zhuǎn)子繞組一方相鉸鏈的磁通，這部分磁通不作為電能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，為無用功，越小越好。

1.2 三相異步電動(dòng)機(jī)的等值電路

經(jīng)過頻率和繞組折算，將異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子阻抗折算為標(biāo)準(zhǔn)值，可以畫出異步電動(dòng)機(jī)的T 型等值電路見圖1。

圖1 T型等值電路

根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的T 型等值電路[2]，可以列出異步電動(dòng)機(jī)的電壓與電流的關(guān)系式：

式中：

s——異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率，%；

z1——原邊漏磁阻抗，Ω；

zm——?jiǎng)?lì)磁繞組阻抗，Ω；

I1——定子電流，A ；

z——繞阻阻抗，Ω。

從等值阻抗來看， z 是一個(gè)混聯(lián)阻抗，相當(dāng)于先把勵(lì)磁阻抗zm和轉(zhuǎn)子回路總阻抗并聯(lián)，再與原邊漏磁阻抗串聯(lián)。異步電動(dòng)機(jī)的T 型等值電路以電路形式綜合了異步電動(dòng)機(jī)的電磁過程，通過等值電路就可以反映出異步電動(dòng)機(jī)的各種運(yùn)行狀況。

1.3 三相異步電動(dòng)機(jī)的三種運(yùn)行狀態(tài)

1.3.1 異步電動(dòng)機(jī)的空載運(yùn)行

異步電動(dòng)機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速非常接近，轉(zhuǎn)差率近似等于零，轉(zhuǎn)子電路相當(dāng)于開路，此時(shí)，定子電路中的電流滯后于外加電壓接近90°，因此功率因素很低。

1.3.2 異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的情況

異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，n=0，S=1，代表機(jī)械負(fù)載的附加電阻等于零，相當(dāng)于轉(zhuǎn)子電路呈短路狀態(tài)，且電阻分量很小，因此電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流很大，而功率因素很低。

1.3.3 異步電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下運(yùn)行

異步電動(dòng)機(jī)帶有額定負(fù)載時(shí)，其轉(zhuǎn)差率約為5%，折算后的轉(zhuǎn)子電路總阻抗為轉(zhuǎn)子電阻的20倍左右，從而使轉(zhuǎn)子電路基本上表現(xiàn)為電阻性的，定子的功率因素較高，通常為0.8~0.85。

2 永磁同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行原理及特性分析

當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)的三相定子繞組接到對(duì)程的三相電網(wǎng)中，定子繞組中必須產(chǎn)生以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的定子磁場，在勵(lì)磁繞組已通入勵(lì)磁電流的條件下，轉(zhuǎn)子便形成N、S 相間的磁極，根據(jù)同性相斥、異性相吸的磁特性，轉(zhuǎn)子磁極便緊緊“吸住”旋轉(zhuǎn)磁場的異性磁極跟著旋轉(zhuǎn)磁場一起旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速相同，即同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n=60 f/p。

2.1 同步電動(dòng)機(jī)的電樞反應(yīng)

當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)的三相定子繞組接到對(duì)程的三相電網(wǎng)中，定子繞組中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，其基波旋轉(zhuǎn)磁勢的轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速n1，其轉(zhuǎn)向與定子電流的相序相同；同時(shí)轉(zhuǎn)子在勵(lì)磁電流的作用下，產(chǎn)生勵(lì)磁磁勢，這樣電動(dòng)機(jī)氣隙中存在兩個(gè)磁勢，勵(lì)磁磁勢勢必要影響電樞磁勢，我們把電樞磁勢對(duì)勵(lì)磁磁勢的影響稱作電樞反應(yīng)。

2.2 同步電動(dòng)機(jī)的電勢平衡

同步電動(dòng)機(jī)在勵(lì)磁電流的作用下，勵(lì)磁磁勢Ff增加，而電網(wǎng)電壓UL= 常數(shù)，根據(jù)能量守恒定律，合成磁勢Fδ不變，定子繞組內(nèi)將出現(xiàn)一個(gè)滯后于的電流，產(chǎn)生去磁的電樞反應(yīng)磁勢Fa 抵消Ff的增加，維持Fδ=Ff+Fa 不變，這樣電動(dòng)機(jī)將產(chǎn)生感性無功功率。同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)電勢平衡方程[1]如下：

式中：

xc——同步電動(dòng)機(jī)的同步電抗，Ω；

I——工作時(shí)定子電流，A ；

U——運(yùn)行時(shí)電勢，V；

E0——空載運(yùn)行時(shí)電勢，V；

j——繞阻導(dǎo)抗，Ω；

xa——漏磁電抗，Ω。

由于同步電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中存在電樞反應(yīng)，致使定子電流超前電壓? 角度，因此，同步電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中從電網(wǎng)中吸收容性功率，可以補(bǔ)償電網(wǎng)中一部分感性無功功率，這是同步電動(dòng)機(jī)區(qū)別于異步電動(dòng)機(jī)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果

某井排6kV 線路長度3.4 km，鋼絞鋁導(dǎo)線橫截面積95 mm2，轄油井23口，注入站2座，設(shè)備負(fù)荷1865kW ，2012年測試線路功率因素0.791，見表1。

表1 2012年某線路測試結(jié)果統(tǒng)計(jì)

2013年利用節(jié)能專項(xiàng)資金將該線路所轄的油井三相異步電動(dòng)機(jī)更換成稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)5臺(tái)，總功率225 kW ，應(yīng)用后這5口井平均消耗功率從12.31 kW 下降到9.24 kW ，抽油機(jī)井系統(tǒng)效率從29.1%提高到32.4%。2013年年底，經(jīng)公司質(zhì)量節(jié)能監(jiān)測中心對(duì)該條線路進(jìn)行測試，該線路的功率因素為0.857。按照P=3UI cos ? 計(jì)算，功率因素提高了0.066，年減少線路損耗124.5×104kW h，節(jié)電率6.7%。

4 結(jié)語

根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程當(dāng)中以消耗感性功率為主，稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)以消耗容性功率為依據(jù)，運(yùn)用異步電動(dòng)機(jī)與同步電動(dòng)機(jī)的合理搭配使用，使感性負(fù)載與容性負(fù)載相互補(bǔ)償作用，提高電網(wǎng)功率因素，降低無功電能的消耗，能夠達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

[1]姜廣緒.電力拖動(dòng)[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2008.

[2]邱關(guān)源.電路[M].北京:高等教育出版社,2005.