异步、同步电动机配合应用节能性探讨

2014-08-13车景兰大庆油田有限责任公司第九采油厂

石油石化节能 2014年3期

车景兰（大庆油田有限责任公司第九采油厂）

随着油田开发的不断深入，采出液中含水率的不断升高，以及低产低效井的不断增加，原油的开采成本越来越高，如何有效利用能源，把原油开采成本降低到最低限度，充分实现“少投入，多产出”的高含水开发后期油田开采方式，已成为当今油田开采讨论的主题。电动机作为油田的主要耗电设备，对如何降低其能耗，提高电网功率因素，达到节能降耗的目的进行了分析研究。

1 三相异步电动机运行原理及特性分析

当三相异步电动机的三相定子绕组接到三相对称的交流电网中，便在绕组的气隙中产生旋转磁场，该旋转磁场与转子导体相互作用，在转子中产生感应电流和电磁转矩，从而使转子旋转，将电能转换成机械能。

1.1 三相异步电动机的磁路

根据磁通经过的途径和性质，把磁通分为主磁通和漏磁通[1]。主磁通是指同时与定、转子绕组铰链，在气隙中以同步转速旋转的基波磁通，由于这部分磁通同时铰链定、转子绕组，在定子绕组中产生感应电势，进行能量转换。漏磁通指仅与定子绕组或转子绕组一方相铰链的磁通，这部分磁通不作为电能与机械能的转换，为无用功，越小越好。

1.2 三相异步电动机的等值电路

经过频率和绕组折算，将异步电动机的转子阻抗折算为标准值，可以画出异步电动机的T 型等值电路见图1。

图1 T型等值电路

根据异步电动机的T 型等值电路[2]，可以列出异步电动机的电压与电流的关系式：

式中：

s——异步电动机的转差率，%；

z1——原边漏磁阻抗，Ω；

zm——励磁绕组阻抗，Ω；

I1——定子电流，A ；

z——绕阻阻抗，Ω。

从等值阻抗来看， z 是一个混联阻抗，相当于先把励磁阻抗zm和转子回路总阻抗并联，再与原边漏磁阻抗串联。异步电动机的T 型等值电路以电路形式综合了异步电动机的电磁过程，通过等值电路就可以反映出异步电动机的各种运行状况。

1.3 三相异步电动机的三种运行状态

1.3.1 异步电动机的空载运行

异步电动机空载运行时，转子转速与旋转磁场的转速非常接近，转差率近似等于零，转子电路相当于开路，此时，定子电路中的电流滞后于外加电压接近90°，因此功率因素很低。

1.3.2 异步电动机启动时的情况

异步电动机启动时，n=0，S=1，代表机械负载的附加电阻等于零，相当于转子电路呈短路状态，且电阻分量很小，因此电动机的启动电流很大，而功率因素很低。

1.3.3 异步电动机在额定负载下运行

异步电动机带有额定负载时，其转差率约为5%，折算后的转子电路总阻抗为转子电阻的20倍左右，从而使转子电路基本上表现为电阻性的，定子的功率因素较高，通常为0.8~0.85。

2 永磁同步电动机运行原理及特性分析

当同步电动机的三相定子绕组接到对程的三相电网中，定子绕组中必须产生以同步转速旋转的定子磁场，在励磁绕组已通入励磁电流的条件下，转子便形成N、S 相间的磁极，根据同性相斥、异性相吸的磁特性，转子磁极便紧紧“吸住”旋转磁场的异性磁极跟着旋转磁场一起旋转，其转速与旋转磁场的转速相同，即同步电动机的转速n=60 f/p。

2.1 同步电动机的电枢反应

当同步电动机的三相定子绕组接到对程的三相电网中，定子绕组中产生旋转磁场，其基波旋转磁势的转速为同步转速n1，其转向与定子电流的相序相同；同时转子在励磁电流的作用下，产生励磁磁势，这样电动机气隙中存在两个磁势，励磁磁势势必要影响电枢磁势，我们把电枢磁势对励磁磁势的影响称作电枢反应。

2.2 同步电动机的电势平衡

同步电动机在励磁电流的作用下，励磁磁势Ff增加，而电网电压UL= 常数，根据能量守恒定律，合成磁势Fδ不变，定子绕组内将出现一个滞后于的电流，产生去磁的电枢反应磁势Fa 抵消Ff的增加，维持Fδ=Ff+Fa 不变，这样电动机将产生感性无功功率。同步电动机运行时电势平衡方程[1]如下：

式中：

xc——同步电动机的同步电抗，Ω；

I——工作时定子电流，A ；

U——运行时电势，V；

E0——空载运行时电势，V；

j——绕阻导抗，Ω；

xa——漏磁电抗，Ω。

由于同步电动机在运行过程中存在电枢反应，致使定子电流超前电压ϕ 角度，因此，同步电动机在运行过程中从电网中吸收容性功率，可以补偿电网中一部分感性无功功率，这是同步电动机区别于异步电动机的一个优点。

3 现场应用效果

某井排6kV 线路长度3.4 km，钢绞铝导线横截面积95 mm2，辖油井23口，注入站2座，设备负荷1865kW ，2012年测试线路功率因素0.791，见表1。

表1 2012年某线路测试结果统计

2013年利用节能专项资金将该线路所辖的油井三相异步电动机更换成稀土永磁同步电动机5台，总功率225 kW ，应用后这5口井平均消耗功率从12.31 kW 下降到9.24 kW ，抽油机井系统效率从29.1%提高到32.4%。2013年年底，经公司质量节能监测中心对该条线路进行测试，该线路的功率因素为0.857。按照P=3UI cos ϕ 计算，功率因素提高了0.066，年减少线路损耗124.5×104kW h，节电率6.7%。