異步電動機臨界反電勢測試與最優節點研究

盧正通 焦裕璽 孫東 馬坤（中國石化勝利油田技術檢測中心）

異步電動機臨界反電勢測試與最優節點研究

盧正通 焦裕璽 孫東 馬坤（中國石化勝利油田技術檢測中心）

通過分析異步電動機Γ型等效電路，得到轉差率與定子端電壓、功率因數之間的函數關系，間接地尋找不同負載下的最優工作電壓，從而獲得最大功率因數來實現節能。研究的目的是找到電動機的定子最優電壓，從而實現電動機的最優運行。經過測試驗證對比，發現理論分析與現場實測非常接近，驗證了該方法的有效性。

異步電動機 臨界反電勢 功率因數

在油田實際應用中，電動機經常在變負荷狀態[1]下運行，有很多負荷的功率在重載、輕載及空載之間周期性大幅度變化，甚至有些負荷還存在倒發電工況，這就導致異步電動機的功率因數低，效率不高，電能浪費現象十分嚴重。因此，提高電動機的運行功率因數具有重要意義。

目前，異步電動機的節能[2]方法有很多種，這里只分析調壓方式研究異步電動機的能耗問題。在負載率一定的情況下，分析功率因數與定子端電壓的關系式，通過計算和實驗找到臨界反電勢即定子電壓最優點，此時的定子電壓對應功率因數最大，實現了調節電壓以提高功率因數，進而達到節能的目的。最優電壓問題是指在一定的負載轉矩條件下對異步電動機施加什么樣的電壓，能夠使電動機功率因數最大。

1 基于電壓控制的異步電動機節能原理

異步電動機Γ型等效電路如圖1所示：對于準確Γ型電路，圖中系數c1=1+Z1/Zm，對于大容量電動機X1?Xm，c1是一個幅值接近于1的常數，為方便計算取c1=1；電動機的功率因數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、功率因數角?、功率因數cos?，s為轉差率。各參數之間的關系可由下式表示：

圖1 電動機等效電路

其中，a、b、c、d、e代表以下變量：

當功率因數角?取得最小值時有可求出最小功率角即最大功率因數，此時的轉差率為

轉差率s的范圍是（0，1），考慮電動機參數不變的情況下，cos?達到最大時有恒定的smin，同樣存在調壓特性和機械特性[3]對功率因數的影響（圖2）。

圖2 功率因數曲線

1）機械特性：在額定功率下，不同負載下s不同，因此功率因數也不同。空載和輕載時s較小，功率因數也較小，隨著負載的增大，s增大。當s達到smin時功率因數達到最大值，如果負載繼續增大，s增大，功率因數又會減小。

2）調壓特性：如果負載恒定，降低電壓后電動機s增大，當s到達smin時功率因數達到最大值。如果電壓繼續降低，s增大，功率又逐漸減小。在某一負載T下，存在某一電壓對應的?最小，功率因數達到最大，這里剛好對應smin的狀態，這時在電壓不變時，大于或者小于這一負載下功率因數都會減小。

對于某一恒定負載，忽略機械損耗和附加損耗，認為T和負載轉矩相等，推出當負載轉矩、頻率、電動機各參數不變時的電壓與轉差率的關系：

將此時的轉差率smin代入，即可獲得最大功率因數時的定子電壓即臨界反電勢。

2 實驗實測

在一定負載下，連續調整電動機的定子電壓，用FLUK43B電力分析儀測試電動機的瞬時無功功率，并用萬用表測試電壓。當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，對應的定子電壓即為該負載下的臨界反電勢，此時的無功功率很小。

對于不同額定電壓等級（380 V、660 V、1140 V）、不同額定功率（22 kW、30 kW）和不同轉速750 r/min，1000 r/min的多臺電動機進行運行測試，各參數結果見表1。

表1 不同電壓等級對應的功率和功率因數

從30 kW的8極380 V電動機不同負載率對應不同電壓下的功率因數關系可以看出：

1）電動機的臨界反電勢在380～390 V之間，功率因數能達到0.999，當定子電壓高于電動機的臨界反電勢時，其感性無功功率呈感性功率因數運行；當定子電壓低于電動機的臨界反電勢時，電動機的容性無功功率呈容性功率因數運行。

2）當電動機的定子電壓等于或近似等于其臨界反電勢時，電動機功率因數最高。

3）負載率較低時，功率因數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，功率因數下降越多。

4）隨負載率的增大，電壓變化對功率因數的影響逐漸減弱。

5）在定子電壓一定時，電動機的負載率越低，功率因數越低。

6）電動機空載臨界反電勢近似等于空載反電勢，隨著負載的增加，臨界反電勢逐漸下降。

3 結論

試驗結果表明，在同樣的工況下，電動機功率因數同定子電壓有著密切的關系。當變壓器輸出電壓過低時，無功為負值，此時電動機呈容性，功率因數低于0.9（額定值）；當電壓過高時，無功為正值，此時電動機呈感性，功率因數同樣低于0.9（額定值）；當在某一固定電壓時，無功趨近為零，功率因數為1，電動機達到理想運行狀態，電力效率最高，損耗最小，此時電壓等于電動機的反電勢點。由試驗數據可知，該井的反電勢點略低于390 V，由于變壓器檔位少，所以無法精確調試出該井的反電勢點。該方法有著明顯的節電效果，電動機效率也相應提高，有待于進一步開發研究。

[1]羅雄.不均勻負載電動機調壓節能裝置的研究[D].北京:華北電力大學（北京）:2004.

[2]李彪.周期性負載條件下異步電機節能控制器的研究[D].濟南:山東大學:2011.

[3]賀潔.異步電機輕載條件下調壓節能最優電壓分析[J].山東大學學報,2012(6):41-46.

10.3969/j.issn.2095-1493.2015.004.003

2014-10-08）

盧正通，山東科技大學在讀碩士研究生，從事石油開發節能項目研發工作，E-mail：1206434337@qq.com，地址：山東省青島市黃島區前灣港路579號山東科技大學，266590。