基于可控電抗器的電動機節能裝置設計

周維 鄭詩琦 蔣妍 田睿智 朱軻

摘? ?要：裝置針對抽油機電動機能耗大的問題進行研究，并設計新型抽油機節能裝置，針對抽油機電動機起動電流巨大，運行時功率因數低且數值變化大的運行特性，設計一種基于PLC控制的自動裝置，采用ADE7753電力計量芯片進行數據采樣，利用磁閥式可控電抗器改變晶閘管導通角來限制抽油機的起動電流，降壓起動;利用電抗器的連續可調性，通過與電容器并聯進行動態的無功功率補償，從而達到節約原油開采成本，提高油企經濟效益的目的。通過MATLAB仿真實驗和相關的理論計算研究，在對可控電抗器進行調節的過程中，可以實現降低起動電流和功率因數的提高，從而減少電能的損耗。

關鍵詞：抽油機電動機? 節能? 可控電抗器? 起動電流? 無功補償? PLC

中圖分類號：TM76? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）05（a）-0121-05

1? 磁控電抗器的結構及工作原理

1.1 磁控電抗器的結構

設計采用可控電抗器中的磁控電抗器作為軟啟動和無功功率補償裝置的主要組成部分，它由控制部分和飽和電抗器兩部分組成。該電抗器主鐵心部分分為兩個鐵芯柱，每個柱的上下兩個繞組由截面積較小的磁閥相連，各繞組分別繞有匝數為N/2的線圈及一個抽頭。兩個鐵芯柱上下兩抽頭并聯極性相反的晶閘管K1和K2，不同鐵芯柱上下兩個繞組相互連接后并聯于電網中，同時接一續流二極管串聯在兩連接點上[1]。

1.2 磁控電抗器工作原理

在磁控電抗器主鐵芯柱上外加一電源，在一個周期內，電源觸發晶閘管輪流導通，與續流二極管一起形成一個全波整流電路，并在其形成的回路中產生直流偏磁電流。磁控電抗器是利用鐵磁材料的磁化曲線的非線性關系，根據直流激磁現象，控制直流電流變化進而改變鐵芯的磁飽和程度。鐵心飽和度受直流電流控制，直流偏磁現象使磁控電抗器的鐵心飽和程度發生變化，其電抗值也會發生改變[2]。

式中α為晶閘管導通角，β為鐵心的飽和程度。由上述可知，改變晶閘管的導通角就能改變磁飽和度的大小，使電抗值隨著晶閘管的觸發角的增大而增大，從而達到平滑調節電抗器的容量的目的，進而實現動態補償。

1.3 電動機的軟起動原理

當電動機接入電網時，電動機即將起動但尚未起動時的瞬間電流為起動電流，起動電流Ist的公式如下：

式中為定子側的漏抗;為折算到定子側的轉子漏抗。由上式可知，在定子側每一項串聯電抗后，起動電流將變小，若X的值可變，則起動電流也可以隨電抗值的改變而改變。電網電壓、電抗器電壓、電動機端電壓三者關系為。當UL減小時，U1增大[3]。通過對電抗器電抗值的調節，改變端電壓的大小，這就是磁控電抗器降壓起動的工作原理。

2? 利用可控電抗器的動態無功補償

2.1 功率因數補償

電動機在吸收有功功率時，從電網吸收無功功率，造成供電系統功率因數的降低，從而增加輸電線路的功率損耗，使發電設備的容量不能充分利用。因此，需要對電動機進行無功補償，以提高功率因數。本設計采用在電網電源端掛上電容器作為無功電源，抵消電感產生的無功功率。在現有的設計中，大多采用投切電容器的方式，使用多組不同的電容值的電容器，根據需要進行投切。但投切電容器的方式有兩個問題，一是投切開關的損耗較大，二是不能準確地進行無功功率補償，而使用可控電抗器進行調節，則是另辟蹊徑[4]。

由于電容器是不能無極調節的，在通常情況下是以投切的方式來改變補償電容的大小。但是，將電容器兩端并聯該可控電抗器后，由于兩者的補償作用，且始終使系統處于容性狀態，則可以實現無功電源的無極調節。

2.2 無功電源電容器的選取

通過無功補償裝置調整其功率因數，本設計中先由采樣裝置檢測電動機的實際功率因數并反饋給PLC系統，再由下式計算出所需要無功功率補償容量[4]，通過改變可控電抗器的電抗值使無功補償裝置提供所需的補償容量，實現無功補償容量雙向連續、平滑調節。

式中：Qc-無功功率補償容量? P1-電源端收入功率? -額定功率因數角。

選取電容器容量時，為達到安全、經濟合理的補償目的，可以根據電動機的額定參數選擇所需電容的容量，常用的公式如下：。

K的其取值如表1，根據電動機的極數選取相應的K值[3]。

將可控電抗器與電容器并聯，等效于一個電容值在一定范圍內可連續改變的電容器，由此實現對無功的動態補償。

裝置等效阻抗將其等效為一個電容器則

即前式分母上

式中C'—等效電容值。

三相無功補償容量根據公式可以看出補償容量隨電抗XL增大而增大。

3? 節能裝置設計方案

首先在電動機與電源之間串上一個可控電抗器，此電抗器的導通角調節程度可以根據如上公式進行調節，觸發角α與基波電流I1的關系圖如圖2所示[2]。

本設計中電容器作為無功電源，選擇可控電抗器的類型為磁閥式可控電抗器。通過電抗器來限制電動機起動電流（通常為5～7倍）。PLC檢測電動機電流平穩運行之后，將此電抗器從電動機與電源之間旁路，接到和電動機匹配的電容器上，可控電抗器可以實現容性感抗的動態調節[4]。在電動機運行的過程中，會出現功率因數變化極大的情況，本設計采用理想方案，即在電動機進線端進行功率因數檢測，利用ADE7753電力計量芯片，完成各項電力數據的采集[5]。采集樣本為10個周期的電壓與電流的波形，取功率因數的平均值作為調節電抗器的參考標準。調整系統功率因數穩定在0.9～1.0之間。

該裝置既可以實現電動機的軟起動，又可以完成電動機運行過程中的動態無功功率補償功能，進而實現保護電網，減少企業支出，節能環保的目的。

4? MATLAB仿真實驗

4.1 Simulink仿真抽油機電動機軟啟動

抽油機電動機串聯可控電控器實現軟啟動，利用Simulink搭建電機的起動模型[5]。仿真中電源電壓取380V，頻率為50Hz。圖6為電機直接起動與串電抗器起動模型，電抗器兩端各并聯一個電阻進行封裝，起到緩沖作用。

電動機各項參數取實驗室現有電動機Y100L-4實際參數，額定功率為2.2kW，額定電流5A，額定電壓380V。經仿真驗證得到當電動機直接起動和串電抗器起動時，電機電流的變化情況如圖4。

圖4上下兩張圖分別為電動機直接起動和串聯電抗器啟動時的電流變化情況。由圖4可知，不串電抗器時，起動電流為100A左右，電流平穩時大約在0.7s時;串聯電抗器時，起動電流為60A左右，電流平穩時在0.4s左右。由此證明，串聯電抗器使得電動機起動電流減小，同時縮短了電流平穩所需時間。

4.2 Simulink仿真抽油機電動機無功功率補償

抽油機電動機的無功補償裝置原理圖的Simulink的仿真圖如圖5所示。

在電路的母線部分靠近三相電源處掛上電容和電抗并聯的無功功率補償裝置，作無功電源。可控電抗器作為無功電源調節裝置受PLC所控制的變化的直流電流控制。通過Simulink仿真結果可得圖6。

上圖為未補償時，電壓波形和電流波形之間的相位關系;下圖為補償后，電壓和電流之間的相位關系。兩圖對比后發現，補償后電壓和電流之間的相位差縮小，故功率因數明顯增大。從該仿真結果可以直觀的看出，選擇合適的補償電容值，即可合理改變功率因數的數值。

5? PLC控制理論研究

左圖電動機軟啟動控制過程流程圖，右圖為電動機動態無功功率補償過程流程圖[6]。

6? 預計無功補償效果

實際實驗使用型號為Y100L-4三相鼠籠式異步電動機，額定功率2.2kW，額定電壓380V，額定電流5A，額定功率因數0.82進行負載實驗。測定電動機在負載運行過程中輸入功率與實時功率因數，記錄后根據無功功率補償計算式，進行相應的計算，從而得到功率補償表。

表2為電動機運行時的功率因數補償到0.9時所需要補償的無功功率Q。根據上表可知在功率因數極低的情況下的電動機所需要補償的容量，進而選擇合適的電容器與電抗器參數型號進行匹配。

7? 結語

本文設計了新型抽油機節能裝置，在原有的抽油機電動機的基礎上進行直接改造，節約生產成本;在進一步的技術方案中，可控電抗器既可以實現軟啟動，又可以進行無功功率補償，二者的控制均通過PLC系統進行操作，實現自動化。

節能系統中電動機軟啟動裝置，在電動機起動時起到限流作用;電動機無功功率補償系統，作無功電源進行無功功率補償;使用ADE7753電力計量芯片，用于檢測電壓波形和電流波形之間的相位差，計算系統功率因數;控制系統則以PLC為核心將軟啟動裝置、無功補償裝置、采樣系統和各開關相串連形成一套系統。

經過多次仿真試驗與實際負載實驗結果理想值計算，表明此設計可以實現無功功率補償，解決采油環境下電動機負載變化大引起的功率因數變化大的問題，該系統不僅可以實現用戶電費的節約也可以減少電網的負擔，對于個人用戶和電網都有著重大意義。

參考文獻

[1] 杜占鵬.磁飽和可控電抗器特性研究[J].山東工業技術，2016（14）：302-303.

[2] 鄭佩祥，王永明，于建龍，等.MCR電壓無功動態加權模糊控制系統[J].南昌大學學報：工科版，2014，36（4）：399-403.

[3] 張維.磁控式電機軟起動器的研制[D].西安科技大學，2008.

[4] 耿大勇.變流器供電系統的無功補償與諧波抑制研究[D].沈陽工業大學，2002.

[5] 趙濤.三相異步電動機軟啟動與調壓節能技術的研究[D].天津理工大學，2017.

[6] 張酩.基于PLC控制的磁飽和電抗器在異步電機中的應用[D].南昌大學，2012.