油田抽油機用永磁同步電動機高效運行研究

于治華劉維東羅楊

（1.山東成華電子科技有限公司生產技術部；2.日照職業技術學院；3.勝利油田勝利采油廠）

油田抽油機用永磁同步電動機高效運行研究

于治華1劉維東2羅楊3

（1.山東成華電子科技有限公司生產技術部；2.日照職業技術學院；3.勝利油田勝利采油廠）

永磁同步電動機在油田得到大規模應用，應用情況表明，永磁同步電動機在額定電壓下運行具有啟動轉矩大、效率高、功率因數高、節電效果好等優點，但在應用現場發現大量抽油機用永磁同步電動機運行功率因數偏低，能耗比正常水平偏高等問題。分析了負載率、電壓變化對永磁同步電動機功率因數的影響，功率因數變化對永磁同步電動機能耗的影響。提出一套自動適應油田電網供電電壓變化，實現抽油機用永磁電動機高效運行的技術方案。

油田電網 永磁同步電動機 電壓偏差 功率因數 高效運行

中國石油、中國石化聯合組織技術專家歷時兩年，測試抽油機用各類電動機2000余臺，分析總結永磁電動機的性能及應用，于2012年3月1日發布了Q/SH 0451—2012《抽油機用永磁同步電動機選型技術要求》。用于引導、規范油田規模應用永磁同步電動機。標準統計2007年以來的試驗室及現場試驗等測試數據，對比測試分析了各種抽油機用節能電動機，主要包括雙功率電動機、直線電動機、高轉差電動機、電磁調速電動機、磁阻電動機、抽油機專用永磁同步電動機、齒輪減速電動機等，永磁同步電動機是近幾年不斷發展不斷完善的電動機，任何抽油機上都可以應用，節電效果最好。因此在抽油機上應為首選電動機[1]。

1 油田應用永磁同步電動機經濟效益分析

標準起草專家測試總結分析，抽油機專用永磁電動機替代普通電動機，在額定電壓下運行，可使電動機的容量減少，工作電流大幅度下降，自身損耗和線路損耗大幅度減少，經濟效益顯著，主要包括以下4個方面：

1）永磁同步電動機具有啟動轉矩大、效率和功率因數高、無轉差及過負載能力強的特點，可使配套三相異步電動機功率降低1～2個功率段。每臺30 kW永磁高效同步電動機替代55 kW異步電動機，按年運行8000 h計算，每年可節電12 000 kWh。

2）電流下降使得線路損耗下降。變壓器至電動機的電纜長度約為100 m，截面積為25 mm2。電流的下降，使單井低壓電纜有功損耗減少0.5～0.7 kW；變壓器容量的減少，自身損耗減少0.3 kW左右；一條帶10口井的6000 V線路可減少高壓線路損耗約3.9 kW。

3）由于變壓器、電動機容量的降低，可使供電線路電流下降、功率因數提高，可使供電系統在不改變原來供電設備的基礎上，增加系統的供電能力。功率因數的提高可使電流、視在功率減小1/2以上，在不增加變電所的容量的情況下，相當于變電所增容50%。

4）永磁同步電動機可在容性負載狀態下運行，低壓側不需要增加任何電容補償，就可使線路的功率因數達到0.9以上；由于變壓器呈感性負載，可以和電動機進行一部分的無功補償，因此高壓側的功率因數可達到0.95以上，減少電容補償費用。

2 電壓波動對永磁同步電動機運行性能的影響

對不同額定電壓等級（380 V、660 V、1140 V）、不同額定功率 （22 kW、30 kW） 和不同轉速（750 r/min、1000 r/min）的12臺永磁同步電動機在不同負載率對應不同電壓下的有功功率、無功功率和功率因數進行測試，結果說明，各參數間的規律關系都基本一致。

1）當定子電壓高于永磁同步電動機的臨界反電勢時，其感性無功功率呈感性功率因數運行；當定子電壓低于永磁同步電動機的臨界反電勢時，永磁同步電動機的容性無功功率呈容性功率因數運行。

2）外加永磁同步電動機的定子電壓等于或近似等于其臨界反電勢時，電動機無功功率最小，功率因數最高。

3）負載率較低時，功率因數隨外加定子電壓偏離臨界反電勢的增大而減小，定子電壓偏離臨界反電勢越多功率因數下降越多。

4）隨負載率的增大，電壓變化對功率因數的影響逐漸減弱，當負載率大于40%時，電壓變化對功率因數的影響很小。

5）在定子電壓一定時，電動機的負載率越低功率因數越低。

6）電動機空載臨界反電勢近似等于空載反電勢，隨著負載的增加臨界反電勢逐漸下降，在抽油機的工況狀態下下降約2.5%Ue。

3 永磁電動機的功率因數與損耗的關系

在電動機的實際運行條件下，其輸出功率是給定的，在給定電壓下鐵心損耗也是確定的；此外，機械損耗是不變量，功率因數低則電動機的定子電流大，定子銅耗大。反之，功率因數高則定子電流小、定子銅耗小，永磁電動機功率因數高帶來節能效果，就是因為工作電流相應變小，使電動機的定子銅耗以及供電線路的損耗都變小。

4技術措施與實測分析

4.1 目前油田應對技術措施

1）選用最新研制的8檔9位變壓器，電壓調整范圍達±10%，步幅調整±2.5%。

2）通過抽油機現場作業人員及時調整8檔9位變壓器輸出電壓，使抽油機供電電壓值低于空載反電勢的2.5%左右。

4.2 供電電壓的測試分析

供電電壓偏差不僅受輸電距離、負荷產生的壓降、各級變壓器的負載率影響，還受整個大電網發電、用電供需關系等因素影響，是瞬態變化的。

標準GB/T 12325—2008《電能質量 供電電壓偏差》規定供電電壓偏差的限值：35 kV及以上正、負偏差的絕對值之和不超過標稱電壓的10%； 20 kV及以下三相供電電壓偏差為標稱電壓的±7%；220 V單相供電電壓偏差為標稱電壓的+7%，-10%。

油田的供電線路的長度一般達到10 km甚至更長，在較長供電線路情況下，供電線路的首端和末端的電壓差別較大。大量實測表明，對于額定電壓為380 V抽油機的供電系統，首端電壓通常達到410～420 V，而末端卻只有350～360 V左右。油田大部分供電線路采用兩端雙電源供電，供電線路兩端的供電源互換也會引起較大的電壓變化。圖1為在大慶油田、勝利油田及遼河油田、華北油田所測試的較典型線電壓值。

圖1 油田抽油機電動機供電電壓測試

4.3 油田抽油機負載測試分析

抽油泵一般在地下1000 m左右的深度，有的則超過了2000 m。為了使電動機在重負載的條件下能夠正常啟動、正常運行，抽油機電動機配置容量總是較大。啟動后，有功功率大多數是從0上升到最大值后再下降至0，甚至從負有功功率（反發電）上升到最大值后再下降至負有功功率（反發電），如此周而復始呈周期性變化。電動機功率55 kW，實測最大功率44 kW，平均功率也僅僅10 kW，負荷率在40%以下的時段占整個負載周期的90%，平均負荷率僅為18%。綜合分析在各油田隨機測試的220臺抽油機電動機運行數據，其平均負荷率普遍在15%～25%之間。可見，油田抽油機用永磁同步電動機是典型輕負載運行。

4.4 永磁同步電動機輕載時高效運行供電電壓區間

對于常規結構的稀土永磁電動機，在不同電壓下的運行特性差別很大，圖2是一臺22 kW 8極電動機實測的不同電壓下的空載電流與功率因數。該電動機感應電壓是370 V。可以看出，當外加電壓等于感應電壓時，空載電流僅僅大約2 A，負載20%時的功率因數達到0.97左右，而當電壓大于或者小于感應電壓時，空載電流都會急劇增大。如果電源電壓達到410 V，空載電流就達到16 A，負載20%時的功率因數降到0.4左右。這就說明，稀土永磁電動機雖然在額定電壓的時候有很好的節能效果，但是在實際電壓偏離額定電壓的時候，節能效果大幅度變壞。

圖2 一臺22 kW電動機不同電壓下實測的空載電流與功率因數

試驗表明380 V永磁同步電動機在輕載時，高效運行的電壓區間差值僅為+5 V，-10 V，其高效運行電壓偏差值為標稱電壓的2.5%。可見油田電網國標允許電壓偏差遠遠不能滿足抽油機用永磁同步電動機高效運行的需求。

5 油田抽油機用永磁同步電動機高效運行控制原理和效果

通過對永磁電動機繞組的設計，使永磁電動機提供多種永磁感應電動勢以適應電源電壓的變化，并在電源電壓自動跟蹤監測的基礎上實現電流無沖擊的自動切換，以解決在國家標準允許的供電電壓發生偏差（±7%）情況下，通用結構的稀土永磁電動機節能效果差或者基本不節能的問題，見圖3。

永磁同步電動機高效運行控制系統匯集定子伴隨繞組繞制、電壓自匹配控制、電流無沖擊有載切換、特殊結構接線板等專利技術，能夠在標稱電壓380 V/660 V的供電線路上，在電壓波動±10%范圍內，自動檢測、自動分析、自動控制，運行時功率因數能保持在0.95以上。

圖3 永磁同步電動機高效運行控制效果

6 結論

1）采用永磁同步電動機高效運行控制技術制成的永磁同步電動機，可以電動機本體與驅動控制一體安裝，也可以分離安裝。整套產品自身具有電動機啟動、運行操作控制功能，并具有缺相、過流等完善的保護功能，還能防止抽油機斷電后在旋轉狀態重復啟動，從而有效避免過電流沖擊與電動機的退磁，現場無需再配備電控裝置。

2）采用永磁同步電動機高效運行控制技術制成的永磁同步電動機，能夠自適應油田抽油機供電電壓的變化，在額定電壓380 V/660 V的供電線路上，在電壓波動±10%范圍內，自動檢測、自動分析、自動控制，運行時功率因數能保持在0.95以上。永磁同步電動機高效運行控制技術的應用，可以節省油田抽油機現場為調整永磁同步電動機供電電壓置換8位9檔變壓器費用，同時也節省油田抽油機現場為永磁同步電動機高效運行進行供電電壓監測和調整變壓器輸出電壓所耗費的人力物力。采用永磁同步電動機高效運行控制技術制成的永磁同步電動機目前在勝利油田、大港油田試運行7臺，運行時間均已超過20個月，經歷了嚴寒酷暑考驗，目前產品穩定性良好，獲得了顯著的節能效果。這是我國首創的永磁電動機控制新技術。一旦得到大規模應用，可以有力地促進我國石油開采領域節能工程的跨越式發展。

[1]董明霞.抽油機專用永磁同步電動機的研制及應用[D].北京:中國石油大學,2007.

10.3969/j.issn.2095-1493.2014.001.003

2013-09-28）

于治華，高級工程師，1994年畢業于青島建筑工程學院，從事電動機節能控制和永磁同步電動機研究工作，E-mail：yuzhihua6789@163.com，地址：山東成華電子科技有限公司生產技術部，276800。