抽油機節能電控裝置綜合分析

3.1 電動機定子繞組△/Y轉換降壓節能

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，電動機可產生額定的輸出機械功率。電動機的轉矩是與電壓的平方成正比的，當電動機輕載（負載率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/，電動機的轉矩也就僅為額定轉矩的1/3。當負載率>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。電動機在進行Y/△轉換時會產生沖擊電流。

Y/△接法轉換的實現一般采用交流接觸器實現，也可以通過晶閘管開關實現，兩種方法在節能效果上并無差異，而轉換控制電路如何準確掌握轉換時的負載率則會對節能效果產生較大的影響。當負載率β33％時，不能及時進行△→Y切換，則會影響節能效果，而當負載率β>33％時，不能及時進行Y→△切換，則會使電流過大，銅耗增加，反而費電，同樣影響節能效果。為了不使轉換頻繁發生，一般在轉換點的負載率之間設置一定的回差，通常采用負載率β30％時進行△→Y轉換，而當β>35％，進行Y→△轉換。

3.2 晶閘管相控與調壓節電軟啟動

晶閘管軟啟動與調壓節電的控制框圖如圖5所示。由單片機控制串聯在電動機定子主電路中的晶閘管的觸發角α，即可以改變加在定子繞組上的端電壓值，從而起到調壓節電的目的。其優點是可以動態跟蹤電動機的功率因數或輸入電功率，達到最佳節能效果；在負載突然增加時也可得到及時的響應，以免電動機堵轉；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，且由于對晶閘管進行相控，會產生大量的諧波，對電網、電機以及通信系統造成不良的影響，今后這類產品將因達不到電磁兼容的標準而被限制使用。

圖5 軟起動控制器框圖

表1 按最佳調壓系數進行調壓后節省的電量計算值

關于電動機降壓節電的有關計算和校驗，國標GB12497-1995《三相異步電動機經濟運行》中有明確的要求。在采取調壓節電時，既要達到節電的目的，又要保證電動機軸上的出力，并有一定的過載系數，否則，當負載波動時電動機將發生堵轉而燒毀。電動機輕載降壓時，首先是功率因數上升，節約了無功功率。這里必須著重指出：不是所有的降壓行為都能達到節能的目的，只有當電壓的降低程度大于轉差率及功率因數的上升程度時，才能使降壓運行的電動機效率得到提高而節能。

經過各種檢驗計算，電動機降壓后的最低電壓范圍大致為（0.56～0.27）UN。以上數據是以正弦波電壓計算的，若考慮到晶閘管調壓所產生的諧波，引起電動機的噪音，振動和附加發熱等因素，其節能效果還要降低。一臺Y1600—10/1730型電動機輕載降壓節能效果的計算數據見表1。Y1600—10/1730型電動機的原始數據為：額定功率P_N=1600kW，額定電壓U_N=6.0kV，額定電流I_N=185A，額定轉速n_N=595r/min，最大轉矩倍數（最大轉矩/額定轉矩）=2.22，起動電流倍數（堵轉電流/額定電流）=5.53，起動轉矩倍數（起動轉矩/額定轉矩）=0.824，額定效率η_N=94.49％，額定功率因數cosφ=0.879。電動機額定負載時的有功損耗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，電動機降壓節能，主要節省的是無功功率，提高了功率因數，對供電網有利。而有功節電主要節省的是電動機自身損耗的一部分，且隨著負載率的上升而銳減：負載系數β=0.1時，有功節電率為15％；β=0.2時為5.3％；β=0.3時僅為2.1％。按照國標GB124971995的規定，綜合節電為ΔP＋K_qΔQ，其中K_q為無功經濟當量，其值規定為：電動機直連發電機母線時取0.02～0.04；經二次變壓時取0.05～0.07；經三次變壓時取0.08～0.1。一般抽油機電動機均經三次以上變壓，可取為0.1，也即每節省10kvar的無功功率，可折合為1kW的有功功率計算。由于降壓節能時電動機的轉速基本上不變，軸上的負載也不變，則電動機的輸出軸功率是不會改變的，節省的只是電動機自身損耗的一部分，表1中第7欄綜合節電率應為表中第4欄的數據除以當時的負載功率與第5欄的損耗功率之和的結果，并非為節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，有些用戶在計算節電效益時，往往用電動機的額定功率乘以節電率再乘以運行時間來計算節省的電能（kW·h）數，這是錯誤的。

由表1可知，當負載率為β=0.4時，其綜合節電率為2.22％，其節省的功率并非為P_N×2.22％=35.52kW，而應當為β=0.4時的負載功率P_N×0.4加上電動機當U=UN時的功率損耗ΣP_N=72.83kW，來乘以綜合節電率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或欺騙用戶，應引起注意。

通過降壓對電動機實現軟起動的目的，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？由于電動機的轉矩與施加電壓的平方成正比，施加電壓降低了，電動機的轉矩若達不到負載的起動轉矩時，電動機是轉不起來的。雖然電動機的堵轉轉矩一般小于額定轉矩，但是，當電壓降到額定電壓的70％時，電動機轉矩只有額定轉矩的50％，對于起動轉矩超過50％額定轉矩的負載，是轉不起來的。只有當電壓升高到電動機的轉矩足以克服負載的靜轉矩時，電動機才能啟動。所以，△/Y轉換起動只適合起動轉矩1/3額定轉矩的負載，一般的軟起動也只適合起動轉矩50％額定轉矩的負載，對于重載起動的負載就降低起動電流來說，軟起動器也是無能為力的。

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

在某些宣傳降壓節能產品的文章中，提到在抽油機處于發電狀態時，可以通過調整晶閘管的觸發角α改善瞬時過電壓的問題，事實上也不盡然。當異步電動機由于負載超速而變成異步發電機運行時，是會產生瞬間過電壓，使電動機端電壓高于供網電壓，但由于供電網可以看成是一個無窮大的電源系統，當穩態運行時，電機端電壓只是略高于供網電壓，以便能量反饋。這時調整晶閘管的觸發角α，只能調整電流，即異步發電機的負荷，對于抑制過電壓并無效果。

4 無功就地補償節能型

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提供，因而可以最大限度地減少拖動系統對無功功率的需求，使整個供電線路的容量及能量損耗、導線截面、有色金屬消耗量，以及開關設備和變壓器的容量都相應減小，而供電質量卻得以提高。

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較高，沒有補償的必要。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，本身功率因數又偏低，無功就地補償的效果較好。對于抽油機這樣的負載，負載頻繁變化，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。只要根據電機容量及平均負載率，選配適當容量的電容器進行固定補償就行了，既經濟又實用。目前，由于市售的補償電容器質量都不好，壽命都不長，因此，應當選用質量較好的自愈式電容器，并有自放電電路的產品。