电动机能稳定运行的必要条件是使Tmax?Tc，即bc?1。因此当负载率m一定时，如越大，电压允许调节的范围也就越大，式中，Ku为调压系数。
由上式还可知，转子电流与调压系数成反比，与负载率成正比:转差率则与电压的平方成反比，与负载率成正比变化。利用式(3-28)可以方便地分析出不同性质的负载在不同运行方式下受电压变化的影响。
利用式(3-28)进行分析时，应注意到:转差率与调压系数的平方成反比变化，但转速的平方成正比，负载阻转矩只受运行方式(重载和轻载)、负载性质(恒转矩或变转矩)的影响，两者不能混淆。另外，对恒转矩负载，转差率只允许在0～Sn的范围内变动才稳定，在此范围内改变电压时，转速的变化是很小的，一般电压降低10%，转速只降低1%左右。
综上所述，恒转矩负载在重载方式下运行时，不允许电压有较大变化，通常规定电压的变化范围为?5%UN，而其在轻载方式下运行时，允许电压有较大的变化，变化范围视负载的情况而定。 （2）变转矩负载
当电压降低时，转差S升高，转速将随之有一定程度的降低，同时阻转矩也跟着降低，这就使允许调压的范围变大.不仅在0～Sm的线性工作段可以稳定工作，而且在T-S曲线的下降段也能稳定工作。所以对于变转矩负载，不仅调压范围大，而且由于阻转矩Tc的下降，使得转子电流I2也跟着下降，这就不会出现象恒转矩负载那样转子过热的问题，也不会出现不稳定的问题，显然在这种场合采取调压方法是可行的，节能效果也比恒转矩负载好得多。 2、随负载变化允许调压的范围
由上分析可见，随负载变化调压只适用于变转矩负载和恒转矩负载的轻载状况。同时，调节电压应遵循两个约束条件:
（1）在一定负载下降低电压运行时，必须使电动机继续保持最大转矩倍数; （2）转子电流不应超过额定值。
顺便指出，对恒转矩负载的轻载状况，调压仅仅在于提高电动机的功率因数，节约电动机本身的有功功率和无功功率损失，而对于变转矩负载来说，除了可以节约这部分损失外，还可以减少输出功率，节能效果更为显著，应用也更有意义。
3、电压变化对电动机功率、效率和功率因数的影响
前面从不使电动机失去稳定和不使转子发热的角度，也就是从安全的角度出发，分析了负载变化时，允许调压的范围。下面讨论降低电压能否给电动机的经济运行带来好处。
由前面的分析可知：
P1?P2??P
（3-29）
22
??cos??P2P2 ?P1P2??P（3-30）
（3-31）
P13UNI1?P2??P3UNI1可见，影响电动机输入功率、效率和功率因数的主要原因是电动机的输出功率和电动机本身的损耗，那么电压的变化对这三者有什么影响呢?简析如下:
（1）电压变化对输出功率的影响
由前分析可知，对于恒转矩负载，无论是在重载还是在轻载状况下，电动机的输出功率P2?m2PN?常数，基本不变。
而对于变转矩负载，情况就大不一样了。由于电动机在低速时也能保持稳定运行，因此，允许的电压、转差率和相应的转速的变化范围较大，而变转矩负载的阻转矩是随着转速的增减而增减的，例如机泵类的负载转矩与转速的平方成正比关系。因此，变转矩负载的输出功率将随电压的降低而降低。降低的程度，随电动机性能的不同而不同。
（2）电压变化对电动机的损耗影响 电动机的损耗，由3.1.2节可知:
1）机械损耗
机械损耗与转速成正比，由于电压变化所引起的转速变化不大，因此可认为 Pmec?常数 2）附加损耗
附加损耗与电流的平方成正比，与电压的平方成反比
3）定子铁耗
当电压接近额定值时，电动机的磁路趋于饱和:当电压低于额定值时，铁耗近似地与外加电压的平方成正比，即
4）转子铜耗
转子铜耗的大小主要取决于转子电流的大小，而转子电流的大小又取决于电压和负载的大小，如式(3-31)所示。当电压变化时，由于主磁通与电压成正比变化，所以转子电流的大小与电压成反比变化，因此转子铜耗与电压的平方成反比变化，可表示为：
2 Pcu2?Pcu2N/Ku
?P?PFe?Pmec?Pcu1?Pcu2?Pad
(3-32)
电压变化对各项损耗的影响如下:
(3-33)
Pad?PadN?m/ku?
2 (3-34)
PFe?PFeN?Ku?
2（3-35）
(3-36)
因此，降低电压总会引起转子电流和铜耗的增大，这是所不希望的。还可以
23
由转差率直接算出转子铜耗的大小，故转子铜耗又称为转差损耗或转差功率：
Pcu2?sPM?s?P1?Pcu1?PFe?
（3-37 ）
对恒转矩负载来说，由于输入功率几乎不变，所以当降压运行时，转子铜耗将随转差率的增大而增大。
对于变转矩负载，因其输入功率君随电压的降低而降低，转子铜耗要比恒转矩负载小得多，其值为：
Pcu2?s?1?s??P2max
a（3-38）
其中P2max表示在s?0，Pcu2?0时电动机的最大机械输出功率，如忽略定子损耗，P2max近似等于s?0时的输入功率。
5）定子铜耗
定子铜耗取决于定子电流的大小。定子电流I1是转子电流I2与励磁电流I0的向量和，因此定子电流的大小不仅与负载的性质、轻重等有关，而且还与励磁电流和转子电流的比值I0/I2有关。当电动机轻载或空载时，I1中I0分量所占的比重较大，I2分量所占的比重较小，电压适当下降时，定子电流能够减小，相应地定子铜耗也可以减小。
（3）电压变化对功率因数的影响
由于电压降低总是使励磁电流减小，转子电流增大，尽管定子电流可能增大或者减小，但定子电流与电源电压之间的相角?1总是减小的，因此，功率因数将随电压的增大而减小，随电压的减小而增大。
?????? 24
第4章 系统硬件设计
4.1 概述
三相异步电动机驱动抽油机负荷时，基本上处于周期性变化之中，这种变化主要引起电流及功率因数的变化，因此也可由电流或功率因数的变化获知负载的变化情况，从而便可以将电流或功率因数作为反馈量来对抽油机系统进行控制。在对抽油机驱动电动机的节能方法进行比较研究后，我们的目的就是研制以异步电动机电流作为反馈量应用模糊控制的智能抽油机节能控制装置，其基本控制思路是:控制装置在工作过程中不断实时检测电动机的电流，经A/ D转换单元变为数字量，并将采样值输入单片机，经单片机内的程序与给定的标准额定值相比较处理后，从单片机输出口产生相应的控制信号，调节串接在异步电动机供电回路中的双向晶闸管导通角，使之根据负载的大小自动调整异步电动机的定子输入电压，实现“铜耗=铁耗”的控制目的。节能控制系统构成图如图4-1所示。
～380V
K
节能装置
M
～
图4-1 抽油机系统构成
抽油机
4.2 抽油机节能装置主电路
抽油机节能装置的主电路系统按功能可以划分为六个部分：第一部分为功率
25
控制电路部分;第二部分为节能装置控制部分;第三部分为节能装置监测反馈部分;第四部分为IO接口装置通讯部分;第五部分为节能装置内部故障保护部分;第六部分为电动机缺相保护部分。
～380V
KM1 SB1
SB2
KM2的触点
指示灯 KM1的触点
KM2
I1
电流互感器
15
电流互感器
16
I2
I3
电流互感器
电源变压器
～25V
电压互感器
～12V ～9V
I4 U1
U2
KM3 SSR
电容器
M ～
图4-2 节能装置主电路
26