異步、同步電動機配合應(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。電動機作為油田的主要耗電設(shè)備，對如何降低其能耗，提高電網(wǎng)功率因素，達到節(jié)能降耗的目的進行了分析研究。

1 三相異步電動機運行原理及特性分析

當(dāng)三相異步電動機的三相定子繞組接到三相對稱的交流電網(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)換成機械能。

1.1 三相異步電動機的磁路

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鉸鏈定、轉(zhuǎn)子繞組，在定子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，進行能量轉(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械能的轉(zhuǎn)換，為無用功，越小越好。

1.2 三相異步電動機的等值電路

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

圖1 T型等值電路

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

式中：

s——異步電動機的轉(zhuǎn)差率，%；

z1——原邊漏磁阻抗，Ω；

zm——勵磁繞組阻抗，Ω；

I1——定子電流，A ；

z——繞阻阻抗，Ω。

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

1.3 三相異步電動機的三種運行狀態(tài)

1.3.1 異步電動機的空載運行

異步電動機空載運行時，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，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 異步電動機啟動時的情況

異步電動機啟動時，n=0，S=1，代表機械負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，因此電動機的啟動電流很大，而功率因素很低。

1.3.3 異步電動機在額定負載下運行

異步電動機帶有額定負載時，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 永磁同步電動機運行原理及特性分析

當(dāng)同步電動機的三相定子繞組接到對程的三相電網(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，在勵磁繞組已通入勵磁電流的條件下，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，即同步電動機的轉(zhuǎn)速n=60 f/p。

2.1 同步電動機的電樞反應(yīng)

當(dāng)同步電動機的三相定子繞組接到對程的三相電網(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；同時轉(zhuǎn)子在勵磁電流的作用下，產(chǎn)生勵磁磁勢，這樣電動機氣隙中存在兩個磁勢，勵磁磁勢勢必要影響電樞磁勢，我們把電樞磁勢對勵磁磁勢的影響稱作電樞反應(yīng)。

2.2 同步電動機的電勢平衡

同步電動機在勵磁電流的作用下，勵磁磁勢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，這樣電動機將產(chǎn)生感性無功功率。同步電動機運行時電勢平衡方程[1]如下：

式中：

xc——同步電動機的同步電抗，Ω；

I——工作時定子電流，A ；

U——運行時電勢，V；

E0——空載運行時電勢，V；

j——繞阻導(dǎo)抗，Ω；

xa——漏磁電抗，Ω。

由于同步電動機在運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，同步電動機在運行過程中從電網(wǎng)中吸收容性功率，可以補償電網(wǎng)中一部分感性無功功率，這是同步電動機區(qū)別于異步電動機的一個優(yōu)點。

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

2013年利用節(jié)能專項資金將該線路所轄的油井三相異步電動機更換成稀土永磁同步電動機5臺，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)測中心對該條線路進行測試，該線路的功率因素為0.857。按照P=3UI cos ? 計算，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)異步電動機在運行過程當(dāng)中以消耗感性功率為主，稀土永磁同步電動機以消耗容性功率為依據(jù)，運用異步電動機與同步電動機的合理搭配使用，使感性負載與容性負載相互補償作用，提高電網(wǎng)功率因素，降低無功電能的消耗，能夠達到節(jié)能降耗的目的。

[1]姜廣緒.電力拖動[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.