电机负载率功率法测试适应性分析

文_任军平 王飞 黄建敏 陈能 隋志成

1.中国石油塔里木油田分公司油气工程研究院；2.西南石油大学机电工程学院

1 前言

油田机泵系统所采用的三相异步电机在向各类泵提供原动力的同时，也产生了自身损耗。为检测电机运行过程中的能耗情况，需要对其运行状况进行监测和能效测试，其中负载率是电动机输出轴功率与额定功率之间的比值，是电机运行的重要参数之一，负载率的大小直接影响电机的效率与耗电量大小。因此，在节能监测国家标准中，提供了多种三相异步电机的负载率的测试方法，其中功率法是最主要的测试方法之一。

2 负载率功率法测试方法

功率法是测试电机运行过程负载率的主要方法之一，该测试方法中所需部分参数可以由电机铭牌直接获取，电机实际运行参数测试项目主要为电参数测试，因此广泛应用于电机能耗分析和评估。电机负载率计算为公式(1)

式中：

负载率功率测试方法中，电机额定功率、电机额定效率和电机空载有功损耗可由电机铭牌数据或电机档案获得，电机输入功率可由仪表现场测试获得。考虑油田节能降耗需要对电机容量进行配置、改造或变频技术的推广应用，需要对电机负载率进行准确的计算测试，因此本文对负载率功率测试法的适应范围进行讨论。

3 负载率功率法测试适应性分析

因此，由式（2）和式（3）将负载率的定义式转化式(4)

式(4)为以负载率为未知数的二次方程，经等号两边整理并消去结果为负数的伪值，即可得到于式（1）相同的负载率功率测试方程。然后，根据定义，式（3）中的后两项即为电机在某一负载率时对应的有功损耗。因此，电机负载率功率法测试方程成立的前提即为式（3）中的后两项作为电机在某一负载率时对应的有功损耗成立。而电机有功损耗相当于电机空载有功损耗与电机对应负载率下的可变有功损耗之和，即：

式中：

由于电机空载有功损耗为电机铁耗、电机风耗和电机空载铜耗之和，因此，式（5）可以转化为：

式中：

由上式可得：

式中：

另外，由于杂散损耗与电流的平方成正比，因此有：

在三相异步电机的负载定子电流、负载转子电流和空载定子电流之间存在如下关系式：

因此，有：

将上式带入式（10），可得：

将式（9）和式（13）带入式（6），并整理得：

式中，当电机处在额定状态下时，

由上述证明过程发现，当式（5）成立时电机负载率功率法测试方程成立，否则电机负载率计算会带来较大的误差。电机长期处于恶劣作业环境会加速电机绝缘老化、加剧磨损，进而增大电机空载有功损耗，使得功率法负载率测试误差增大。

4 案例分析

为验证上述分析，选取国内某油田正常运行级数分别为2、4、6的三相异步电机为测试对象，其基本参数如表1所示。

表1 电机基本参数

表2 不同输入功率时电机的负载率

表2 不同输入功率时电机负载率的误差

由表2和表3可以看出，对于不同型号的电机，其负载率均随着电机输入功率的增大而逐渐增大，并且根据负载率功率测试方法得到的负载率误差随电机输入功率的变化有所减小。当电机负载率大于50%之后，即电机输入功率接近额定功率范围时，采用功率法得到的负载率误差在5%以内，得到的结果能够满足工程测试需求。但当电机处于轻载时，采用功率法所得的电机负载率误差较大，所得结论与理论分析保持一致。

5 结语

测试负载率功率法受电机内部参数变化影响较小，当电机在接近额定电压范围内作业时，采用该方法能够得到较为准确的电机负载率。但当电机负载率显著降低时，采用该方法测试结果会产生较大误差，不适用于重轻载下电机的负载率计算。