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摘要：井场用电设备中包含大量的感性负载和许多轻重负荷交替运行的电气设备，可利用提高用电设备的功率因素达到节约能源的目的。
关键词：感性负荷 功率因数 节能电路 节能
中图分类号：TE 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）32-307-01
井场电气设备主要以交流异步电动机和照明为主，这些电气设备的功率因数都在0～1之间。例如白炽灯的功率因数接近1，荧光灯的功率因数为0.5左右。异步电动机的功率因数满载时可达0.9左右，而空载时会降到0.2左右，交流电焊机的功率因数只有0.3～0.4，交流电磁铁的功率因数甚至低到0.1。
1.提高功率因数的意义
一般交流电设备（发电机、变压器）都是根据额定电压 和额定电流 来进行设计、制造和使用的，它能够供给负载的有功功率为 。当 、 为定值时，若 低，则负荷吸收的功率低，因而电源供给的有功功率 也低，这样电源的潜力就没有得到充分发挥，例如，额定容量为 的变压器，若负载的功率因数 ，则变压器达到额定时，可输出有功功率 ，若负载的功率因数 ，则变压器达到额定时可输出有功功率 ，变压器没有得到充分利用。
降低线路损耗和线路压降，输电线上的损耗为 （ 为线路电阻），线路压降为 ，而线路电流 ，因此可见，当电源电压U及输出有功功率 一定时，提高 ，可以使电路电流减小，从而降低了传输线上的损耗，提高了传输效率，同时线路上的压降减小，提高了供电质量，或在相同的线路损耗的情况下，节约用铜，因为 提高电流减小。 一定时，线路电阻可以增大，故传输导线可以细些，节约了铜材。因此提高负载的功率因数，可以提高电源设备的利用率。
2.提高功率因数的方法
2.1 感性负载两端并联电容器
提高功率因数的方法除了提高用电设备本身的功率因数，例如正确选用异步电动机的容量，减少轻载和空载以外，主要采用在感性负载两端并联电容器的方法，对无功功率进行补偿 。如图1所示设负载的端电压为 ，在未并联电容时，感性负载的电流为 ，当并联上电容器后， 不变，而线路上的电流变为 。由图1的相量图表明，在感性负载的两端并联适当的电容，可使电压与电流的相位差 减小，即原来是 ，现在减小为 ， ，故 ，同时线路电流由 减小为 ，这时有一部分能量互换，发生在感性负载与电容器之间，减轻了电源的负担，因而使电源设备的容量得到充分利用，线路上损耗和电压降也减小了。
图1 感性负载两端并联电容器的相量图
2.2 改变电动机绕组接线方式的节电线路
电力拖动设备都是按设备的最大工作能力选用电动机的。在实际使用中，电动机经常轻重负载交替运行，或轻负载运行，因此功率因数和效率都比较低，能耗较大。如电动绞车、液压大钳泵站等，工作时间负载重。电动机在高负载率下运行，不工作时负载很轻，几乎等于空载运行，若在不工作这段时间内将电动机绕组由 接线转变为 型接线，待进入工作时再将电动机绕组由 型接线转变为 接线，以便带动负载。这样就可以节约电能。例如，三相负载 ，电源线电压为380V，在三角形联接时，总功率为：
计算表明，电源电压不变时，同负载由三角形变为星形联接时，功率减小到原来的三分之一。
采用大功率开关集成电路的 自动转换节电线路。如图2所示，该线路采用TWH8751大功率开关集成電路 和7812三端集成稳压电路 。TWH8751开关集成电路的工作电压为 ，可在28V1A电路中做高速开关，使用时只需在控制端①脚上加上约1.6V电压，就能快速控制外接负载（继电器 ）通断。工作原理，电动机负载电路经过电路互感器 检测转换成电压信号经二极管 半波整流，电容 滤波后，在分压器 、 、 上取得取样电压，该电压经二极管 整流电容 滤波（兼延时作用），加到开关集成电路 ①脚，以控制开关的动作。当电机轻载时（如为额定负载电流的50%以下时），电容 上的电压小于1.6V（可调节电位器 改变），开关集成电路 的④⑤脚断开，继电器 不吸合，其常闭触点闭合，接触器 得电吸合，电动机接成 形节电运行，当电动机负载增大，负载电流升高到设定值时，电容器 的电压大于1.6V，则 的①④脚内部接通，12V电源电压加到继电器 的线圈上 吸合，其常闭触点断开，常开触点闭合，接触器 失电释放， 得电吸合，电动机接为 运行。图2中，稳压器 是为保护开关集成电路 而设得。电阻 电位器 和电容 组成延时，电路，其作用是：当负载电流由额定值得50%变到50%以下时， 延迟8s左右，即 接法转换 型接法时，延迟动作8s，这样可以避免重轻负载频繁交替交换时，使交流接触器频繁跳动，损坏主触点。开关 的作用是：打到自动位置时，电路作 自动转换，打到 接法时，电动机一直处于 状态下运行，此电路在节电运行状态下运行可节电40%～60%。
图2 型接线自动转换节电线路图
3.结束语
随着科技的发展，钻井技术的提高，钻井施工中电气设备不断增加，电能消耗已形成一笔不小的开支，通过提高电气设备的功率因数，减少无功损耗从而降低电能消耗，在能源日益紧张的今天意义是不言而喻的。
关键词：感性负荷 功率因数 节能电路 节能
中图分类号：TE 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）32-307-01
井场电气设备主要以交流异步电动机和照明为主，这些电气设备的功率因数都在0～1之间。例如白炽灯的功率因数接近1，荧光灯的功率因数为0.5左右。异步电动机的功率因数满载时可达0.9左右，而空载时会降到0.2左右，交流电焊机的功率因数只有0.3～0.4，交流电磁铁的功率因数甚至低到0.1。
1.提高功率因数的意义
一般交流电设备（发电机、变压器）都是根据额定电压 和额定电流 来进行设计、制造和使用的，它能够供给负载的有功功率为 。当 、 为定值时，若 低，则负荷吸收的功率低，因而电源供给的有功功率 也低，这样电源的潜力就没有得到充分发挥，例如，额定容量为 的变压器，若负载的功率因数 ，则变压器达到额定时，可输出有功功率 ，若负载的功率因数 ，则变压器达到额定时可输出有功功率 ，变压器没有得到充分利用。
降低线路损耗和线路压降，输电线上的损耗为 （ 为线路电阻），线路压降为 ，而线路电流 ，因此可见，当电源电压U及输出有功功率 一定时，提高 ，可以使电路电流减小，从而降低了传输线上的损耗，提高了传输效率，同时线路上的压降减小，提高了供电质量，或在相同的线路损耗的情况下，节约用铜，因为 提高电流减小。 一定时，线路电阻可以增大，故传输导线可以细些，节约了铜材。因此提高负载的功率因数，可以提高电源设备的利用率。
2.提高功率因数的方法
2.1 感性负载两端并联电容器
提高功率因数的方法除了提高用电设备本身的功率因数，例如正确选用异步电动机的容量，减少轻载和空载以外，主要采用在感性负载两端并联电容器的方法，对无功功率进行补偿 。如图1所示设负载的端电压为 ，在未并联电容时，感性负载的电流为 ，当并联上电容器后， 不变，而线路上的电流变为 。由图1的相量图表明，在感性负载的两端并联适当的电容，可使电压与电流的相位差 减小，即原来是 ，现在减小为 ， ，故 ，同时线路电流由 减小为 ，这时有一部分能量互换，发生在感性负载与电容器之间，减轻了电源的负担，因而使电源设备的容量得到充分利用，线路上损耗和电压降也减小了。
图1 感性负载两端并联电容器的相量图
2.2 改变电动机绕组接线方式的节电线路
电力拖动设备都是按设备的最大工作能力选用电动机的。在实际使用中，电动机经常轻重负载交替运行，或轻负载运行，因此功率因数和效率都比较低，能耗较大。如电动绞车、液压大钳泵站等，工作时间负载重。电动机在高负载率下运行，不工作时负载很轻，几乎等于空载运行，若在不工作这段时间内将电动机绕组由 接线转变为 型接线，待进入工作时再将电动机绕组由 型接线转变为 接线，以便带动负载。这样就可以节约电能。例如，三相负载 ，电源线电压为380V，在三角形联接时，总功率为：
计算表明，电源电压不变时，同负载由三角形变为星形联接时，功率减小到原来的三分之一。
采用大功率开关集成电路的 自动转换节电线路。如图2所示，该线路采用TWH8751大功率开关集成電路 和7812三端集成稳压电路 。TWH8751开关集成电路的工作电压为 ，可在28V1A电路中做高速开关，使用时只需在控制端①脚上加上约1.6V电压，就能快速控制外接负载（继电器 ）通断。工作原理，电动机负载电路经过电路互感器 检测转换成电压信号经二极管 半波整流，电容 滤波后，在分压器 、 、 上取得取样电压，该电压经二极管 整流电容 滤波（兼延时作用），加到开关集成电路 ①脚，以控制开关的动作。当电机轻载时（如为额定负载电流的50%以下时），电容 上的电压小于1.6V（可调节电位器 改变），开关集成电路 的④⑤脚断开，继电器 不吸合，其常闭触点闭合，接触器 得电吸合，电动机接成 形节电运行，当电动机负载增大，负载电流升高到设定值时，电容器 的电压大于1.6V，则 的①④脚内部接通，12V电源电压加到继电器 的线圈上 吸合，其常闭触点断开，常开触点闭合，接触器 失电释放， 得电吸合，电动机接为 运行。图2中，稳压器 是为保护开关集成电路 而设得。电阻 电位器 和电容 组成延时，电路，其作用是：当负载电流由额定值得50%变到50%以下时， 延迟8s左右，即 接法转换 型接法时，延迟动作8s，这样可以避免重轻负载频繁交替交换时，使交流接触器频繁跳动，损坏主触点。开关 的作用是：打到自动位置时，电路作 自动转换，打到 接法时，电动机一直处于 状态下运行，此电路在节电运行状态下运行可节电40%～60%。
图2 型接线自动转换节电线路图
3.结束语
随着科技的发展，钻井技术的提高，钻井施工中电气设备不断增加，电能消耗已形成一笔不小的开支，通过提高电气设备的功率因数，减少无功损耗从而降低电能消耗，在能源日益紧张的今天意义是不言而喻的。