基于可控电抗器的电动机节能装置设计

周维 郑诗琦 蒋妍 田睿智 朱轲

摘   要：装置针对抽油机电动机能耗大的问题进行研究，并设计新型抽油机节能装置，针对抽油机电动机起动电流巨大，运行时功率因数低且数值变化大的运行特性，设计一种基于PLC控制的自动装置，采用ADE7753电力计量芯片进行数据采样，利用磁阀式可控电抗器改变晶闸管导通角来限制抽油机的起动电流，降压起动;利用电抗器的连续可调性，通过与电容器并联进行动态的无功功率补偿，从而达到节约原油开采成本，提高油企经济效益的目的。通过MATLAB仿真实验和相关的理论计算研究，在对可控电抗器进行调节的过程中，可以实现降低起动电流和功率因数的提高，从而减少电能的损耗。

关键词：抽油机电动机  节能  可控电抗器  起动电流  无功补偿  PLC

中图分类号：TM76                                  文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）05（a）-0121-05

1  磁控电抗器的结构及工作原理

1.1 磁控电抗器的结构

设计采用可控电抗器中的磁控电抗器作为软启动和无功功率补偿装置的主要组成部分，它由控制部分和饱和电抗器两部分组成。该电抗器主铁心部分分为两个铁芯柱，每个柱的上下两个绕组由截面积较小的磁阀相连，各绕组分别绕有匝数为N/2的线圈及一个抽头。两个铁芯柱上下两抽头并联极性相反的晶闸管K1和K2，不同铁芯柱上下两个绕组相互连接后并联于电网中，同时接一续流二极管串联在两连接点上[1]。

1.2 磁控电抗器工作原理

在磁控电抗器主铁芯柱上外加一电源，在一个周期内，电源触发晶闸管轮流导通，与续流二极管一起形成一个全波整流电路，并在其形成的回路中产生直流偏磁电流。磁控电抗器是利用铁磁材料的磁化曲线的非线性关系，根据直流激磁现象，控制直流电流变化进而改变铁芯的磁饱和程度。铁心饱和度受直流电流控制，直流偏磁现象使磁控电抗器的铁心饱和程度发生变化，其电抗值也会发生改变[2]。

式中α为晶闸管导通角，β为铁心的饱和程度。由上述可知，改变晶闸管的导通角就能改变磁饱和度的大小，使电抗值随着晶闸管的触发角的增大而增大，从而达到平滑调节电抗器的容量的目的，进而实现动态补偿。

1.3 电动机的软起动原理

当电动机接入电网时，电动机即将起动但尚未起动时的瞬间电流为起动电流，起动电流Ist的公式如下：

式中为定子侧的漏抗;为折算到定子侧的转子漏抗。由上式可知，在定子侧每一项串联电抗后，起动电流将变小，若X的值可变，则起动电流也可以随电抗值的改变而改变。电网电压、电抗器电压、电动机端电压三者关系为。当UL减小时，U1增大[3]。通过对电抗器电抗值的调节，改变端电压的大小，这就是磁控电抗器降压起动的工作原理。

2  利用可控电抗器的动态无功补偿

2.1 功率因数补偿

电动机在吸收有功功率时，从电网吸收无功功率，造成供電系统功率因数的降低，从而增加输电线路的功率损耗，使发电设备的容量不能充分利用。因此，需要对电动机进行无功补偿，以提高功率因数。本设计采用在电网电源端挂上电容器作为无功电源，抵消电感产生的无功功率。在现有的设计中，大多采用投切电容器的方式，使用多组不同的电容值的电容器，根据需要进行投切。但投切电容器的方式有两个问题，一是投切开关的损耗较大，二是不能准确地进行无功功率补偿，而使用可控电抗器进行调节，则是另辟蹊径[4]。

由于电容器是不能无极调节的，在通常情况下是以投切的方式来改变补偿电容的大小。但是，将电容器两端并联该可控电抗器后，由于两者的补偿作用，且始终使系统处于容性状态，则可以实现无功电源的无极调节。

2.2 无功电源电容器的选取

通过无功补偿装置调整其功率因数，本设计中先由采样装置检测电动机的实际功率因数并反馈给PLC系统，再由下式计算出所需要无功功率补偿容量[4]，通过改变可控电抗器的电抗值使无功补偿装置提供所需的补偿容量，实现无功补偿容量双向连续、平滑调节。

式中：Qc-无功功率补偿容量  P1-电源端收入功率  -额定功率因数角。

选取电容器容量时，为达到安全、经济合理的补偿目的，可以根据电动机的额定参数选择所需电容的容量，常用的公式如下：。

K的其取值如表1，根据电动机的极数选取相应的K值[3]。

将可控电抗器与电容器并联，等效于一个电容值在一定范围内可连续改变的电容器，由此实现对无功的动态补偿。

装置等效阻抗将其等效为一个电容器则

即前式分母上

式中C'—等效电容值。

三相无功补偿容量根据公式可以看出补偿容量随电抗XL增大而增大。

3  节能装置设计方案

首先在电动机与电源之间串上一个可控电抗器，此电抗器的导通角调节程度可以根据如上公式进行调节，触发角α与基波电流I1的关系图如图2所示[2]。

本设计中电容器作为无功电源，选择可控电抗器的类型为磁阀式可控电抗器。通过电抗器来限制电动机起动电流（通常为5～7倍）。PLC检测电动机电流平稳运行之后，将此电抗器从电动机与电源之间旁路，接到和电动机匹配的电容器上，可控电抗器可以实现容性感抗的动态调节[4]。在电动机运行的过程中，会出现功率因数变化极大的情况，本设计采用理想方案，即在电动机进线端进行功率因数检测，利用ADE7753电力计量芯片，完成各项电力数据的采集[5]。采集样本为10个周期的电压与电流的波形，取功率因数的平均值作为调节电抗器的参考标准。调整系统功率因数稳定在0.9～1.0之间。

该装置既可以实现电动机的软起动，又可以完成电动机运行过程中的动态无功功率补偿功能，进而实现保护电网，减少企业支出，节能环保的目的。

4  MATLAB仿真实验

4.1 Simulink仿真抽油机电动机软启动

抽油机电动机串联可控电控器实现软启动，利用Simulink搭建电机的起动模型[5]。仿真中电源电压取380V，频率为50Hz。图6为电机直接起动与串电抗器起动模型，电抗器两端各并联一个电阻进行封装，起到缓冲作用。

电动机各项参数取实验室现有电动机Y100L-4实际参数，额定功率为2.2kW，额定电流5A，额定电压380V。经仿真验证得到当电动机直接起动和串电抗器起动时，电机电流的变化情况如图4。

图4上下两张图分别为电动机直接起动和串联电抗器启动时的电流变化情况。由图4可知，不串电抗器时，起动电流为100A左右，电流平稳时大约在0.7s时;串联电抗器时，起动电流为60A左右，电流平稳时在0.4s左右。由此证明，串联电抗器使得电动机起动电流减小，同时缩短了电流平稳所需时间。

4.2 Simulink仿真抽油机电动机无功功率补偿

抽油机电动机的无功补偿装置原理图的Simulink的仿真图如图5所示。

在电路的母线部分靠近三相电源处挂上电容和电抗并联的无功功率补偿装置，作无功电源。可控电抗器作为无功电源调节装置受PLC所控制的变化的直流电流控制。通过Simulink仿真结果可得图6。

上图为未补偿时，电压波形和电流波形之间的相位关系;下图为补偿后，电压和电流之间的相位关系。两图对比后发现，补偿后电压和电流之间的相位差缩小，故功率因数明显增大。从该仿真结果可以直观的看出，选择合适的补偿电容值，即可合理改变功率因数的数值。

5  PLC控制理论研究

左图电动机软启动控制过程流程图，右图为电动机动态无功功率补偿过程流程图[6]。

6  预计无功补偿效果

实际实验使用型号为Y100L-4三相鼠笼式异步电动机，额定功率2.2kW，额定电压380V，额定电流5A，额定功率因数0.82进行负载实验。测定电动机在负载运行过程中输入功率与实时功率因数，记录后根据无功功率补偿计算式，进行相应的计算，从而得到功率补偿表。

表2为电动机运行时的功率因数补償到0.9时所需要补偿的无功功率Q。根据上表可知在功率因数极低的情况下的电动机所需要补偿的容量，进而选择合适的电容器与电抗器参数型号进行匹配。

7  结语

本文设计了新型抽油机节能装置，在原有的抽油机电动机的基础上进行直接改造，节约生产成本;在进一步的技术方案中，可控电抗器既可以实现软启动，又可以进行无功功率补偿，二者的控制均通过PLC系统进行操作，实现自动化。

节能系统中电动机软启动装置，在电动机起动时起到限流作用;电动机无功功率补偿系统，作无功电源进行无功功率补偿;使用ADE7753电力计量芯片，用于检测电压波形和电流波形之间的相位差，计算系统功率因数;控制系统则以PLC为核心将软启动装置、无功补偿装置、采样系统和各开关相串连形成一套系统。

经过多次仿真试验与实际负载实验结果理想值计算，表明此设计可以实现无功功率补偿，解决采油环境下电动机负载变化大引起的功率因数变化大的问题，该系统不仅可以实现用户电费的节约也可以减少电网的负担，对于个人用户和电网都有着重大意义。

参考文献

[1] 杜占鹏.磁饱和可控电抗器特性研究[J].山东工业技术，2016（14）：302-303.

[2] 郑佩祥，王永明，于建龙，等.MCR电压无功动态加权模糊控制系统[J].南昌大学学报：工科版，2014，36（4）：399-403.

[3] 张维.磁控式电机软起动器的研制[D].西安科技大学，2008.

[4] 耿大勇.变流器供电系统的无功补偿与谐波抑制研究[D].沈阳工业大学，2002.

[5] 赵涛.三相异步电动机软启动与调压节能技术的研究[D].天津理工大学，2017.

[6] 张酩.基于PLC控制的磁饱和电抗器在异步电机中的应用[D].南昌大学，2012.