萨北油田节能电动机应用效果评价

2016-03-16白鑫大庆油田有限责任公司第三采油厂

石油石化节能 2016年10期

白鑫（大庆油田有限责任公司第三采油厂）

萨北油田节能电动机应用效果评价

白鑫（大庆油田有限责任公司第三采油厂）

电动机在采出井举升过程中是最主要的耗电设备，在实际运行中，由于工况变化、负载波动等原因，电动机常出现载荷过低现象，运行效率低，提高电动机能效水平对生产系统节能至关重要。通过对比节能电动机结构原理、技术特点和节能效果，进行了分析及综合评价，现场应用取得了很好的节能效果，有效降低了电动机装机功率，提高了电动机功率利用率和运行效率，最终达到了节能降耗的目的。

电动机；节能；适用性；评价

目前抽油机井普遍采用游梁式抽油机，由于抽油机工作时为脉动负荷和重负荷启动，它所配用的电动机必须有较高的启动转矩。而目前普遍采用的与抽油机配套的Y系列电动机由于启动转矩偏低，配套时不得不提高电动机容量以满足启动的需要，这样势必造成电动机安装容量过大，使其常常处于轻载运行，载荷过低现象严重，这就为使用节能型电动机提供了广阔的空间。抽油机的电动机主要从以下三个方面实现节能：人为改变电动机的机械特性，主要是改变电源频率，实现与负荷特性的柔性配合；改变电动机的机械特性，改善电动机与抽油机的配合；提高电动机的负载率和功率因数。根据抽油机井实际生产情况，近年来采油三厂推广应用了几种节能型电动机，取得了良好的节能效果。

1 永磁无刷直流电动机

1.1结构原理

永磁无刷直流电动机的原理如图1所示。

主电路是一个电压型交-直-交电路，逆变器提供等幅等频20～30 kHz调制波的对称交变矩形波。

永磁体N-S交替变换，使位置传感器产生相位差120°的U、V、W方波，结合正/反转信号产生有效的编码，通过逻辑组件处理，使转子每转过一对N-S极，T1-T6功率管即按固定组合依次导通。每种状态下，仅有两相绕组通电，依次改变一种状态，定子绕组产生的磁场轴线在空间转动60°电角度，如此循环，无刷直流电动机将产生连续转矩，拖动负载作连续旋转。

无刷直流电动机由电动机本体和驱动器构成，电动机的定子绕组做成三相对称星形接法，同三相异步电动机相似。电动机转子由钕铁硼永磁材料构成，在定转子形成的气隙中产生N-S极相间的方波磁场。为了使电动机绕组准确换向，在电动机内装有位置传感器，作为转子极性的位置信号。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等[1]。

图1 永磁无刷直流电动机原理

1.2技术特点

1）永磁无刷直流电动机的位置传感器编码使通电的两相绕组合成磁场轴线位置超前转子磁场轴线位置，不论转子的起始位置处在何处，电动机在启动瞬间都会产生足够大的启动转矩，因此转子上不需另设启动绕组。

2）由于无刷直流电动机的励磁来源于永磁体，所以不像异步电动机那样需要从电网吸取励磁电流；由于转子中无交变磁通，其转子上既无铜耗又无铁耗，所以效率比同容量异步电动机高。

3）无刷直流电动机的永磁体，采用稀土钕铁硼材料，因此，稀土永磁无刷电动机的体积比同容量三相异步电动机缩小了一个机座号，降低了装机功率，减少了设备成本。

4）通过驱动器控制，可以实现永磁无刷直流电动机转速无级调整。

1.3节能效果

目前共应用了12台永磁无刷直流电动机，更换前电动机平均额定功率为40 kW，选用的无刷直流电动机额定功率均为30 kW，装机功率下降了10 kW，统计应用前后效果对比，节电率为14.7%，年节电达13.14×104kWh。

2 高转差电动机

2.1结构原理

高转差电动机采用高阻转子，利用电动机的“趋服效应”使用特殊材质制出特殊形状的转子，使得转子的阻值可以随抽油机负载的变换进行切换；因此，电动机的转速可以随负载转换，负载越大，转速越低，避免正常运行时载荷过低现象（图2）。

图2 高转差双速节能电动机差双速节

由于抽油机的轻载荷运行时间远多于重载荷运行时间,超高转差率电动机的高效区设计在轻载荷区。虽然超高转差率电动机的额定效率低，但其平均效率较普通电动机高得多。

2.2技术特点

1）超高转差率电动机解决了启动问题，以及通过降低转速降低载荷的峰值，以便用小容量的电动机取代大容量的普通电动机；避免载荷过低，取得良好的匹配，电动机固定损耗（铁损、机械损）及可变损耗均大大降低。

2）生产运行过程中（超）高转差电动机比常规Y系列电动机平均效率高。

3）功率因数提高，减少线损和无功损耗。

4）采用6/8双级双速设计，满足了油井产量变化时调参需要。

2.3节能效果

实施YCHD双速高转差率电动机后，抽油机的启动平稳，电动机运行正常。现场测试对比，平均有功节电率为11.53%，无功节电率为77.92%，单井日节电34.7 kWh，综合节电率为13.3%，功率因数提高了0.425，系统效率提高1.93个百分点。

3 低速电动机

3.1结构原理

低速电动机的结构与普通Y系列电动机基本相同，采用中心高280 mm的定子冲片，转子采用深槽铜条导条，安装尺寸与Y系列电动机相同。三相异步电动机分为两个基本部分：定子（固定部分）和转子（转动部分）。定子绕组填绕在电动机外壳的线槽内，电动机的转速取决于定子绕组的绕线方式，即磁极对数。磁极对数小，电动机的转速快，反之要降低电动机的转速必须增加磁极对数。转子是电动机的旋转部分，转子由电动机轴、转子鼠笼及其附助设备组成。转子鼠笼中填绕有转子绕组，转子绕组在旋转磁场的作用下，激励出转子电流；转子电流在定子的旋转磁场力的作用下产生旋转，从而带动电动机轴旋转。为了降低电动机转速就要提高转子电流，降低转子电阻（图3、图4）。

图3 低速电动机结构示意图

图4 低速电动机实物

低速电动机采用紫铜漆包线作为定子绕组的材料，以获得较大的定子电流，从而提高磁场的磁场强度；采用具有良好导磁性能的冷轧硅钢薄板作为转子励磁材料，转子绕组采用相间排列的紫铜条和磷铜，来提高转子电流。低速电动机是在频率f不变的情况下，改变异步电动机的磁极对数P，这样就可以改变其同步转速n（n=60f/P），从而使电动机在某一负荷下的稳定速度发生变化，达到调整抽汲速度的目的。低速电动机是通过降低抽油机冲速达到节能的目的，其特点是启动转矩大，可降低电动机机座型号应用。

3.2技术特点

低速电动机是游梁式抽油机专用电动机，该电动机的特点是低转速、小功率、具有较大的启动转矩，控制和消除抽油机的负转矩，提高电动机的负载率，使系统效率有了较大提高。尤其适合低产井、间抽井，满足抽油机低参数的要求，使抽油机减速箱的减速比大幅度下降，加大地面参数的调整范围。因低速电动机的功率小，所以具有较好的节能效果，并且大大提高了间抽井的管理水平，大幅度改善了机、杆、泵的工作状态。

3.3节能效果

低速电动机安装后，平均单井有功功率降低1.02 kW，平均单井日节电24.37 kWh，综合节电率达到20.5%，预计单井年节电2.8 t标煤，年可创效益0.49万元。低速电动机每台约1.1万元，投资回收期2.2年（表1）。

表1 低速电动机节能效果对比

4 伺服电动机

4.1结构原理

伺服电动机也称执行电动机，它具有服从控制信号要求的职能，因而得名“伺服”电动机[2]。

伺服拖动系统主要由带编码器的稀土永磁同步伺服电动机和交流伺服控制器两大部分组成。该系统采用高效永磁同步伺服电动机为驱动电动机，以自行设计的绝对式磁电式编码器为主要伺服单元，与控制电路、功率电路、电磁铁电源电路和人机接口的硬件设计构成具有闭环负反馈控制的交流伺服装置。与普通永磁同步电动机相比，结构更加优化，减小定子涡流和电阻损耗，电动机温升极小，取消了其他各类电动机所应用的强制风扇散热方式（无风扇）；且在正常同步运行时没有转子电阻损耗，在25%～150%额定负载范围内，均可保持较高的效率，保证了电动机在较大的负荷变化区域内的高效运行。同时，高精度编码器（6万线/周）的应用，实现了电动机精确的磁电控制，避免了永磁电动机应用过程中的退磁现象（图5）。

图5 伺服电动机工作原理

4.2技术特点

1）精确的速度控制，调速方便。由于伺服控制系统的存在，电动机转速可以在零至最高速（高于额定转速）之间任意调节，调速范围十分宽泛，调速设置非常便捷。

2）保持转子与定子磁场垂直和精确同步，最大限度利用电流产生转矩，实现了电动机精确的磁电控制，以达到节能最大化。

3）平稳启动，消除震动，伺服电动机可设定任意指令速度曲线，彻底消除了启动冲击。

4.3节能效果

通过在标准井上试验，与普通异步电动机相比，该电动机综合节电率达到27.6%；并根据不同类型抽油机特点进行了优化组合，双驴头抽油机匹配700 r/min的低转速大扭矩伺服电动机，大传动比低冲速抽油机匹配1200 r/min高转速低扭矩电动机。与双速电动机对比，单井低转速大扭矩伺服电动机日节电5.1 kWh，高转速低扭矩电动机日节电8.6 kWh，节能效果显著。