M 0 图2-1 抽油机负荷曲线
f
从曲线上可以看出:
1、抽油机的转矩是随着曲柄转角变化而周期性变化的;抽油机的工作频率一般为6～12次/分，即工作周期为5～10秒。
2、当出现负扭矩时，减速器主动轮将变为被动轮。如负扭矩较大，将发生从动轮冲击主动轮，影响减速器齿轮的寿命。
3、抽油机启动时，抽油杆一般处于最低位置，所需启动转矩只需克服静磨擦力及原油的表面张力的影响，因此，所需转矩相对较小。抽油机启动后，抽油杆开始上升，很快(约2.5S)就碰到了第一个最大阻力转矩。因此，它一方面要求电动机具有较大的静启转矩，克服静磨擦力;另一方面，要求电机具有较大的平均启动转矩，以便使电机在第一个最大阻力转矩到来之前，超过电机临界(最大转矩转速)，使电机进入稳定工作状态。
抽油机的负载特点决定了三相异步电动机驱动抽油机不可避免地会出现“大马拉小车”的现象。
1、抽油机带载启动，惯性矩较大。在选配电动机功率时为了不影响生产，一般按最大扭矩来选配电动机;抽油机启动后，正常工作时的平均转矩与最大扭矩相比要低1/3,所以电动机输入功率仅为额定功率的1/3，不可避免出现“大马拉小车”的局面。
2、油田生产中有可能出现各种故障，如油井结蜡、砂卡、扶正器损坏等，因此，在在选配电动机功率时也要增加一些裕量，这进一步加剧了“大马拉小车”的现象。
根据油田生产测试，抽油机电动机的平均负荷率一般在20%左右，少数负荷率高的也仅为30%，电动机的长期低负荷运转，造成了效率低，功率因数低，能耗高的状况。
抽油机负荷的周期性变化，反应在电动机上主要是电流功率因数的变化，因此上可以将电流或功率因数作为依据来对抽油机系统进行控制。
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第3章 三相异步电动机运行特性分析
3.1 稳定运行时的三相异步电动机
3.1.1等效电路及矢量图
三相异步电动机稳定运行时的单相等效电路如图3-1所示:
R1
?X1 ? R2?? X2? I2I1 U1 ?Rm I0 ??1?s?R? s2Xm 图3-1 异步电动机等效电路图
图中: R1、X1、I1为定子绕组电阻、漏抗和电流
?为转子绕组电阻、漏抗和电流 ?、X2?、I2R2??Rm、Xm、I0为励磁电阻、电抗和励磁电流
??1?s?R?为附加电阻
s2其矢量图如图3-2所示。由此可以得到三相 异步电动机转子旋转时的基本方程式为:
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I1X ?1I?1R?1 ?E?F1
1 U?1 ?F?2 ?I??2 ?I?I1 F?00 ?0 B?I?2 ?
?I??R?22s IE??1??E? F??2 ?2X22? 图3-2 异步电动机矢量图
U???1??E1?I1?R1?X1?
?E??1?I0?Rm?Xm?
?E??1?E?2 (3-1)
E????R?22?I?2??s?X??2?? I???1?I2?I0
令:
Z1?R1?X1
Z?R?22N?s?X?2 Zm?Rm?Xm
??1?1?Z1/Zm (校正系数)
则有 ??
I??1?Z?1?U1zN/ZmU1U1ZZ???1??1?Z1/m?Z?2N???21Zm?1Z1??1Z2?N?? ?I??2?U1Z?Z?U1? (3-3) 1??11/Zm?Z?2NZ1??1Z?2N
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(3-2)
3.1.2 三相异步电动机的功率关系及损耗分析
PM P1 Pmec P2 Pmec1?Pad PFe Pcu2 Pcu1
图3-3 异步电动机的功率流程图
图3-3为异步电动机的功率流程图。其中 P1为从电源输入的有功功率
Pcu1为定子铜耗
电动机的铁损耗等于定子铁损耗
2 PFe?3I0Rm
PU1I1cos?1 1?3 Pcu1?3I12R1
（3-4） ( 3-5 )
正常运行情况下的三相异步电动机，转于铁损耗很小，可以忽略不计，因此，
( 3-6)
从图3-1等效电路中可以看出，通过空气隙传递到转子方面的电磁功率PM等于转子回路全部电阻上的损耗，即:
转子铜耗为
?2PM?3I2?R2 s( 3-7 )
?2R2??sPM Pcu2?3I2(3-8)
电磁功率PM减去转子绕组中的铜耗Pcu2就是等效绕组
?1?s?R?上的损耗。
s2这部分等效损耗实际上是传输给电机转轴上的机械功率Pmec即:
??1?s?R2?/s??1?s?PM Pmec?PM?Pcu2?3I22 (3-9)
电动机在运行时，会产生轴承以及风阻等摩擦阻转矩，这也要损耗一部分功率，把这部分功率叫做机械损耗，用Pmec1表示。
在异步电动机中，除了上述各种损耗外，由于定、转子开槽和定、转子磁动势中含有谐波磁动势，还要产生一些附加损耗Pad。附加损耗一般不易计算，往往
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根据经验估算。在大型异步电动机中，附加损耗凡。一般约为额定输出功率的0.5%；而在小型异步电动机中，满载时，可达额定输出功率的1%～3%。在任意负载时，按定子电流与额定电流比值的平方成正比折算。
机械功率Pmec减去机械损耗Pmec1和附加损耗Pad，才是真正的输出功率P2。 综上所述，可得功率关系式如下:
输入功率=定子铜耗+定子铁耗+传给转子的功率，即:
P1?Pcu1?PFe?PM PM?Pcu2?Pmec Pmec?Pmec1?Pad?P2
(3-10) (3-11) (3-12)
传给转子的功率(电磁功率)=转子铜耗+机械功率，即: 机械功率=机械损耗+附加损耗+输出功率，即:
由以上分析可见，异步电动机在正常运行时，由于其转速和主磁通近似不变，导致机械损耗和定子铁耗也近似不变，故称机械损耗和定子铁耗为不变损耗;定、转子铜耗则随电流的平方关系而变化;附加损耗在任意负载时也按定子电流与额定电流比值的平方成正比折算。这样，异步电动机的定子电流和负载电流的变化，可引起定、转子铜耗和附加损耗的变化。通过调压，可以达到减小定、转子铜耗和附加损耗的目的。
3.1.3 异步电动机的转矩表达式
由上节可知:
Pmec??1?s?PM
(3-13)
旋转体的机械功率等于作用在旋转体上的转矩与它的机械角速度的乘积。在异步电动机中，机械功率Pmec就是电磁转矩T乘以转子的机械角速度?，所以 又因为: 所以:
T?PmecPmecPmecPMP????M ?2?n/60?1?s?2?n1/602?n1/60?1PM?m2E2I2cos?2
(3-14)
(3-15)
T?m2E2I2cos?2m2?4.44f1N2k?2???CT?mI2cos?2 (3-16) 2?n1/602?n1/60式中，?m是气隙每极磁通量，m2是转子绕组的相数，CT?m2pN2/2为转矩因数，
N2是转子绕组每相的匝数，k是转子绕组的基波绕组因数。 由转子电流和定子电压的关系，可以推得另一关系式如下:
?npU12sR2PMT??
?1?1?sR1??1R2???s2?X1??1X2??2?? （3-17）
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