抽油機節(jié)能電控裝置綜合分析

3.1 電動機定子繞組△/Y轉(zhuǎn)換降壓節(jié)能

由于低壓電動機在正常工作時，定子三相繞組是△接法，這樣每相繞組承受380V的線電壓，電動機可產(chǎn)生額定的輸出機械功率。電動機的轉(zhuǎn)矩是與電壓的平方成正比的，當(dāng)電動機輕載（負(fù)載率33％）時，可以將電動機的繞組由△接法改成Y接法，使每相繞組只承受220V的電壓，即為額定電壓的1/，電動機的轉(zhuǎn)矩也就僅為額定轉(zhuǎn)矩的1/3。當(dāng)負(fù)載率>33％時，再將電動機繞組改為△接法運行，否則，會因電流過大而燒毀電動機。電動機在進(jìn)行Y/△轉(zhuǎn)換時會產(chǎn)生沖擊電流。

Y/△接法轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)一般采用交流接觸器實現(xiàn)，也可以通過晶閘管開關(guān)實現(xiàn)，兩種方法在節(jié)能效果上并無差異，而轉(zhuǎn)換控制電路如何準(zhǔn)確掌握轉(zhuǎn)換時的負(fù)載率則會對節(jié)能效果產(chǎn)生較大的影響。當(dāng)負(fù)載率β33％時，不能及時進(jìn)行△→Y切換，則會影響節(jié)能效果，而當(dāng)負(fù)載率β>33％時，不能及時進(jìn)行Y→△切換，則會使電流過大，銅耗增加，反而費電，同樣影響節(jié)能效果。為了不使轉(zhuǎn)換頻繁發(fā)生，一般在轉(zhuǎn)換點的負(fù)載率之間設(shè)置一定的回差，通常采用負(fù)載率β30％時進(jìn)行△→Y轉(zhuǎn)換，而當(dāng)β>35％，進(jìn)行Y→△轉(zhuǎn)換。

3.2 晶閘管相控與調(diào)壓節(jié)電軟啟動

晶閘管軟啟動與調(diào)壓節(jié)電的控制框圖如圖5所示。由單片機控制串聯(lián)在電動機定子主電路中的晶閘管的觸發(fā)角α，即可以改變加在定子繞組上的端電壓值，從而起到調(diào)壓節(jié)電的目的。其優(yōu)點是可以動態(tài)跟蹤電動機的功率因數(shù)或輸入電功率，達(dá)到最佳節(jié)能效果；在負(fù)載突然增加時也可得到及時的響應(yīng)，以免電動機堵轉(zhuǎn)；且可兼作電動機的軟啟動器，同時由于采用單片機控制，具有完善的保護功能。其缺點是造價較高，且由于對晶閘管進(jìn)行相控，會產(chǎn)生大量的諧波，對電網(wǎng)、電機以及通信系統(tǒng)造成不良的影響，今后這類產(chǎn)品將因達(dá)不到電磁兼容的標(biāo)準(zhǔn)而被限制使用。

圖5 軟起動控制器框圖

表1 按最佳調(diào)壓系數(shù)進(jìn)行調(diào)壓后節(jié)省的電量計算值

關(guān)于電動機降壓節(jié)電的有關(guān)計算和校驗，國標(biāo)GB12497-1995《三相異步電動機經(jīng)濟運行》中有明確的要求。在采取調(diào)壓節(jié)電時，既要達(dá)到節(jié)電的目的，又要保證電動機軸上的出力，并有一定的過載系數(shù)，否則，當(dāng)負(fù)載波動時電動機將發(fā)生堵轉(zhuǎn)而燒毀。電動機輕載降壓時，首先是功率因數(shù)上升，節(jié)約了無功功率。這里必須著重指出：不是所有的降壓行為都能達(dá)到節(jié)能的目的，只有當(dāng)電壓的降低程度大于轉(zhuǎn)差率及功率因數(shù)的上升程度時，才能使降壓運行的電動機效率得到提高而節(jié)能。

經(jīng)過各種檢驗計算，電動機降壓后的最低電壓范圍大致為（0.56～0.27）UN。以上數(shù)據(jù)是以正弦波電壓計算的，若考慮到晶閘管調(diào)壓所產(chǎn)生的諧波，引起電動機的噪音，振動和附加發(fā)熱等因素，其節(jié)能效果還要降低。一臺Y1600—10/1730型電動機輕載降壓節(jié)能效果的計算數(shù)據(jù)見表1。Y1600—10/1730型電動機的原始數(shù)據(jù)為：額定功率P_N=1600kW，額定電壓U_N=6.0kV，額定電流I_N=185A，額定轉(zhuǎn)速n_N=595r/min，最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)（最大轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩）=2.22，起動電流倍數(shù)（堵轉(zhuǎn)電流/額定電流）=5.53，起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)（起動轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩）=0.824，額定效率η_N=94.49％，額定功率因數(shù)cosφ=0.879。電動機額定負(fù)載時的有功損耗ΣP_N=93.3kW，電動機的空載損耗P_o=29.6kW，空載電流I_o=46.25A，電動機帶額定負(fù)載時的無功功率Q_N=918kvar，電動機的空載無功功率Q_o=480.6kvar。

由表1可知，電動機降壓節(jié)能，主要節(jié)省的是無功功率，提高了功率因數(shù)，對供電網(wǎng)有利。而有功節(jié)電主要節(jié)省的是電動機自身損耗的一部分，且隨著負(fù)載率的上升而銳減：負(fù)載系數(shù)β=0.1時，有功節(jié)電率為15％；β=0.2時為5.3％；β=0.3時僅為2.1％。按照國標(biāo)GB124971995的規(guī)定，綜合節(jié)電為ΔP＋K_qΔQ，其中K_q為無功經(jīng)濟當(dāng)量，其值規(guī)定為：電動機直連發(fā)電機母線時取0.02～0.04；經(jīng)二次變壓時取0.05～0.07；經(jīng)三次變壓時取0.08～0.1。一般抽油機電動機均經(jīng)三次以上變壓，可取為0.1，也即每節(jié)省10kvar的無功功率，可折合為1kW的有功功率計算。由于降壓節(jié)能時電動機的轉(zhuǎn)速基本上不變，軸上的負(fù)載也不變，則電動機的輸出軸功率是不會改變的，節(jié)省的只是電動機自身損耗的一部分，表1中第7欄綜合節(jié)電率應(yīng)為表中第4欄的數(shù)據(jù)除以當(dāng)時的負(fù)載功率與第5欄的損耗功率之和的結(jié)果，并非為節(jié)省的綜合有功功率與電動機額定功率之比。這是一個概念誤區(qū)，有些用戶在計算節(jié)電效益時，往往用電動機的額定功率乘以節(jié)電率再乘以運行時間來計算節(jié)省的電能（kW·h）數(shù)，這是錯誤的。

由表1可知，當(dāng)負(fù)載率為β=0.4時，其綜合節(jié)電率為2.22％，其節(jié)省的功率并非為P_N×2.22％=35.52kW，而應(yīng)當(dāng)為β=0.4時的負(fù)載功率P_N×0.4加上電動機當(dāng)U=UN時的功率損耗ΣP_N=72.83kW，來乘以綜合節(jié)電率2.22％，即（1600×0.4＋72.83）×2.22％=15.8kW。有些制造商常在這一問題上誤導(dǎo)或欺騙用戶，應(yīng)引起注意。

通過降壓對電動機實現(xiàn)軟起動的目的，一是減少起動時過大的沖擊電流，二是減小全壓起動時過大的機械沖擊。那么在抽油機上使用降壓軟起動裝置，其效果究竟如何呢？由于電動機的轉(zhuǎn)矩與施加電壓的平方成正比，施加電壓降低了，電動機的轉(zhuǎn)矩若達(dá)不到負(fù)載的起動轉(zhuǎn)矩時，電動機是轉(zhuǎn)不起來的。雖然電動機的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩一般小于額定轉(zhuǎn)矩，但是，當(dāng)電壓降到額定電壓的70％時，電動機轉(zhuǎn)矩只有額定轉(zhuǎn)矩的50％，對于起動轉(zhuǎn)矩超過50％額定轉(zhuǎn)矩的負(fù)載，是轉(zhuǎn)不起來的。只有當(dāng)電壓升高到電動機的轉(zhuǎn)矩足以克服負(fù)載的靜轉(zhuǎn)矩時，電動機才能啟動。所以，△/Y轉(zhuǎn)換起動只適合起動轉(zhuǎn)矩1/3額定轉(zhuǎn)矩的負(fù)載，一般的軟起動也只適合起動轉(zhuǎn)矩50％額定轉(zhuǎn)矩的負(fù)載，對于重載起動的負(fù)載就降低起動電流來說，軟起動器也是無能為力的。

對需重載起動的負(fù)載，使用軟起動并不能達(dá)到減小起動電流的目的，更不能達(dá)到節(jié)省起動能量的作用；但是，由于軟起動器的電壓是呈鈄坡上升的，雖然在達(dá)到起動轉(zhuǎn)矩前電動機并不旋轉(zhuǎn)，但隨著電動機軸上扭矩的不斷增大，被拖動的負(fù)載是慢慢被加力的，所以，用軟起動器起動需重載起動的負(fù)載時，可以達(dá)到減小機械沖擊的目的。對于抽油機來講，使用軟起動器，不一定能達(dá)到減小沖擊電流的目的，但可以達(dá)到減小起動時機械沖擊的目的，還是有一定作用的。

在某些宣傳降壓節(jié)能產(chǎn)品的文章中，提到在抽油機處于發(fā)電狀態(tài)時，可以通過調(diào)整晶閘管的觸發(fā)角α改善瞬時過電壓的問題，事實上也不盡然。當(dāng)異步電動機由于負(fù)載超速而變成異步發(fā)電機運行時，是會產(chǎn)生瞬間過電壓，使電動機端電壓高于供網(wǎng)電壓，但由于供電網(wǎng)可以看成是一個無窮大的電源系統(tǒng)，當(dāng)穩(wěn)態(tài)運行時，電機端電壓只是略高于供網(wǎng)電壓，以便能量反饋。這時調(diào)整晶閘管的觸發(fā)角α，只能調(diào)整電流，即異步發(fā)電機的負(fù)荷，對于抑制過電壓并無效果。

4 無功就地補償節(jié)能型

交流異步電動機的無功就地補償就是將補償電容器組直接與電動機并聯(lián)運行，電動機啟動和運行時所需的無功功率由電容器提供，有功功率則仍由電網(wǎng)提供，因而可以最大限度地減少拖動系統(tǒng)對無功功率的需求，使整個供電線路的容量及能量損耗、導(dǎo)線截面、有色金屬消耗量，以及開關(guān)設(shè)備和變壓器的容量都相應(yīng)減小，而供電質(zhì)量卻得以提高。

無功就地補償只對長期空載或輕載運行的電動機有用，對于重載運行的電動機，因為其本身功率因數(shù)較高，沒有補償?shù)谋匾?。由于抽油機大部分處于輕載運行的狀況，且由于其分散性，低壓輸電線路較長，本身功率因數(shù)又偏低，無功就地補償?shù)男Ч^好。對于抽油機這樣的負(fù)載，負(fù)載頻繁變化，沒有必要采用自動投切的電容器組補償，這樣會增加成本，降低可靠性，是得不償失之舉。只要根據(jù)電機容量及平均負(fù)載率，選配適當(dāng)容量的電容器進(jìn)行固定補償就行了，既經(jīng)濟又實用。目前，由于市售的補償電容器質(zhì)量都不好，壽命都不長，因此，應(yīng)當(dāng)選用質(zhì)量較好的自愈式電容器，并有自放電電路的產(chǎn)品。