抽油機(jī)節(jié)能電控裝置綜合分析

3.1 電動(dòng)機(jī)定子繞組△/Y轉(zhuǎn)換降壓節(jié)能

由于低壓電動(dòng)機(jī)在正常工作時(shí)，定子三相繞組是△接法，這樣每相繞組承受380V的線電壓，電動(dòng)機(jī)可產(chǎn)生額定的輸出機(jī)械功率。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩是與電壓的平方成正比的，當(dāng)電動(dòng)機(jī)輕載（負(fù)載率33％）時(shí)，可以將電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩也就僅為額定轉(zhuǎn)矩的1/3。當(dāng)負(fù)載率>33％時(shí)，再將電動(dòng)機(jī)繞組改為△接法運(yùn)行，否則，會(huì)因電流過大而燒毀電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)在進(jìn)行Y/△轉(zhuǎn)換時(shí)會(huì)產(chǎn)生沖擊電流。

Y/△接法轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)一般采用交流接觸器實(shí)現(xiàn)，也可以通過晶閘管開關(guān)實(shí)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(shí)的負(fù)載率則會(huì)對(duì)節(jié)能效果產(chǎn)生較大的影響。當(dāng)負(fù)載率β33％時(shí)，不能及時(shí)進(jìn)行△→Y切換，則會(huì)影響節(jié)能效果，而當(dāng)負(fù)載率β>33％時(shí)，不能及時(shí)進(jìn)行Y→△切換，則會(huì)使電流過大，銅耗增加，反而費(fèi)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(diǎn)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(shí)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(dòng)

晶閘管軟啟動(dòng)與調(diào)壓節(jié)電的控制框圖如圖5所示。由單片機(jī)控制串聯(lián)在電動(dòng)機(jī)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(diǎn)是可以動(dòng)態(tài)跟蹤電動(dòng)機(jī)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(shí)也可得到及時(shí)的響應(yīng)，以免電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)；且可兼作電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)器，同時(shí)由于采用單片機(jī)控制，具有完善的保護(hù)功能。其缺點(diǎn)是造價(jià)較高，且由于對(duì)晶閘管進(jìn)行相控，會(huì)產(chǎn)生大量的諧波，對(duì)電網(wǎng)、電機(jī)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(dòng)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(jì)算值

關(guān)于電動(dòng)機(jī)降壓節(jié)電的有關(guān)計(jì)算和校驗(yàn)，國(guó)標(biāo)GB12497-1995《三相異步電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》中有明確的要求。在采取調(diào)壓節(jié)電時(shí)，既要達(dá)到節(jié)電的目的，又要保證電動(dòng)機(jī)軸上的出力，并有一定的過載系數(shù)，否則，當(dāng)負(fù)載波動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)將發(fā)生堵轉(zhuǎn)而燒毀。電動(dòng)機(jī)輕載降壓時(shí)，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(shí)，才能使降壓運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)效率得到提高而節(jié)能。

經(jīng)過各種檢驗(yàn)計(jì)算，電動(dòng)機(jī)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(jì)算的，若考慮到晶閘管調(diào)壓所產(chǎn)生的諧波，引起電動(dòng)機(jī)的噪音，振動(dòng)和附加發(fā)熱等因素，其節(jié)能效果還要降低。一臺(tái)Y1600—10/1730型電動(dòng)機(jī)輕載降壓節(jié)能效果的計(jì)算數(shù)據(jù)見表1。Y1600—10/1730型電動(dòng)機(jī)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(dòng)電流倍數(shù)（堵轉(zhuǎn)電流/額定電流）=5.53，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)（起動(dòng)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(dòng)機(jī)額定負(fù)載時(shí)的有功損耗ΣP_N=93.3kW，電動(dòng)機(jī)的空載損耗P_o=29.6kW，空載電流I_o=46.25A，電動(dòng)機(jī)帶額定負(fù)載時(shí)的無功功率Q_N=918kvar，電動(dòng)機(jī)的空載無功功率Q_o=480.6kvar。

由表1可知，電動(dòng)機(jī)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(duì)供電網(wǎng)有利。而有功節(jié)電主要節(jié)省的是電動(dòng)機(jī)自身?yè)p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(shí)，有功節(jié)電率為15％；β=0.2時(shí)為5.3％；β=0.3時(shí)僅為2.1％。按照國(guó)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(jì)當(dāng)量，其值規(guī)定為：電動(dòng)機(jī)直連發(fā)電機(jī)母線時(shí)取0.02～0.04；經(jīng)二次變壓時(shí)取0.05～0.07；經(jīng)三次變壓時(shí)取0.08～0.1。一般抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)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(jì)算。由于降壓節(jié)能時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速基本上不變，軸上的負(fù)載也不變，則電動(dòng)機(jī)的輸出軸功率是不會(huì)改變的，節(jié)省的只是電動(dòng)機(jī)自身?yè)p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(shí)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(dòng)機(jī)額定功率之比。這是一個(gè)概念誤區(qū)，有些用戶在計(jì)算節(jié)電效益時(shí)，往往用電動(dòng)機(jī)的額定功率乘以節(jié)電率再乘以運(yùn)行時(shí)間來計(jì)算節(jié)省的電能（kW·h）數(shù)，這是錯(cuò)誤的。

由表1可知，當(dāng)負(fù)載率為β=0.4時(shí)，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(shí)的負(fù)載功率P_N×0.4加上電動(dòng)機(jī)當(dāng)U=UN時(shí)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(duì)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)的目的，一是減少起動(dòng)時(shí)過大的沖擊電流，二是減小全壓起動(dòng)時(shí)過大的機(jī)械沖擊。那么在抽油機(jī)上使用降壓軟起動(dòng)裝置，其效果究竟如何呢？由于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與施加電壓的平方成正比，施加電壓降低了，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩若達(dá)不到負(fù)載的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩時(shí)，電動(dòng)機(jī)是轉(zhuǎn)不起來的。雖然電動(dòng)機(jī)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(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩只有額定轉(zhuǎn)矩的50％，對(duì)于起動(dòng)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩足以克服負(fù)載的靜轉(zhuǎn)矩時(shí)，電動(dòng)機(jī)才能啟動(dòng)。所以，△/Y轉(zhuǎn)換起動(dòng)只適合起動(dòng)轉(zhuǎn)矩1/3額定轉(zhuǎn)矩的負(fù)載，一般的軟起動(dòng)也只適合起動(dòng)轉(zhuǎn)矩50％額定轉(zhuǎn)矩的負(fù)載，對(duì)于重載起動(dòng)的負(fù)載就降低起動(dòng)電流來說，軟起動(dòng)器也是無能為力的。

對(duì)需重載起動(dòng)的負(fù)載，使用軟起動(dòng)并不能達(dá)到減小起動(dòng)電流的目的，更不能達(dá)到節(jié)省起動(dòng)能量的作用；但是，由于軟起動(dòng)器的電壓是呈鈄坡上升的，雖然在達(dá)到起動(dòng)轉(zhuǎn)矩前電動(dòng)機(jī)并不旋轉(zhuǎn)，但隨著電動(dòng)機(jī)軸上扭矩的不斷增大，被拖動(dòng)的負(fù)載是慢慢被加力的，所以，用軟起動(dòng)器起動(dòng)需重載起動(dòng)的負(fù)載時(shí)，可以達(dá)到減小機(jī)械沖擊的目的。對(duì)于抽油機(jī)來講，使用軟起動(dòng)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(dòng)時(shí)機(jī)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(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，可以通過調(diào)整晶閘管的觸發(fā)角α改善瞬時(shí)過電壓的問題，事實(shí)上也不盡然。當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)由于負(fù)載超速而變成異步發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，是會(huì)產(chǎn)生瞬間過電壓，使電動(dòng)機(jī)端電壓高于供網(wǎng)電壓，但由于供電網(wǎng)可以看成是一個(gè)無窮大的電源系統(tǒng)，當(dāng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，電機(jī)端電壓只是略高于供網(wǎng)電壓，以便能量反饋。這時(shí)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(jī)的負(fù)荷，對(duì)于抑制過電壓并無效果。

4 無功就地補(bǔ)償節(jié)能型

交流異步電動(dòng)機(jī)的無功就地補(bǔ)償就是將補(bǔ)償電容器組直接與電動(dòng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和運(yùn)行時(shí)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(dòng)系統(tǒng)對(duì)無功功率的需求，使整個(gè)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(bǔ)償只對(duì)長(zhǎng)期空載或輕載運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)有用，對(duì)于重載運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)，因?yàn)槠浔旧砉β室驍?shù)較高，沒有補(bǔ)償?shù)谋匾?。由于抽油機(jī)大部分處于輕載運(yùn)行的狀況，且由于其分散性，低壓輸電線路較長(zhǎng)，本身功率因數(shù)又偏低，無功就地補(bǔ)償?shù)男Ч^好。對(duì)于抽油機(jī)這樣的負(fù)載，負(fù)載頻繁變化，沒有必要采用自動(dòng)投切的電容器組補(bǔ)償，這樣會(huì)增加成本，降低可靠性，是得不償失之舉。只要根據(jù)電機(jī)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(bǔ)償就行了，既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用。目前，由于市售的補(bǔ)償電容器質(zhì)量都不好，壽命都不長(zhǎng)，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。