薩北油田節能電動機應用效果評價

白鑫 （大慶油田有限責任公司第三采油廠）

薩北油田節能電動機應用效果評價

白鑫 （大慶油田有限責任公司第三采油廠）

電動機在采出井舉升過程中是最主要的耗電設備，在實際運行中，由于工況變化、負載波動等原因，電動機常出現載荷過低現象，運行效率低，提高電動機能效水平對生產系統節能至關重要。通過對比節能電動機結構原理、技術特點和節能效果，進行了分析及綜合評價，現場應用取得了很好的節能效果，有效降低了電動機裝機功率，提高了電動機功率利用率和運行效率，最終達到了節能降耗的目的。

電動機；節能；適用性；評價

目前抽油機井普遍采用游梁式抽油機，由于抽油機工作時為脈動負荷和重負荷啟動，它所配用的電動機必須有較高的啟動轉矩。而目前普遍采用的與抽油機配套的Y系列電動機由于啟動轉矩偏低，配套時不得不提高電動機容量以滿足啟動的需要，這樣勢必造成電動機安裝容量過大，使其常常處于輕載運行，載荷過低現象嚴重，這就為使用節能型電動機提供了廣闊的空間。抽油機的電動機主要從以下三個方面實現節能：人為改變電動機的機械特性，主要是改變電源頻率，實現與負荷特性的柔性配合；改變電動機的機械特性，改善電動機與抽油機的配合；提高電動機的負載率和功率因數。根據抽油機井實際生產情況，近年來采油三廠推廣應用了幾種節能型電動機，取得了良好的節能效果。

1 永磁無刷直流電動機

1.1結構原理

永磁無刷直流電動機的原理如圖1所示。

主電路是一個電壓型交-直-交電路，逆變器提供等幅等頻20～30 kHz調制波的對稱交變矩形波。

永磁體N-S交替變換，使位置傳感器產生相位差120°的U、V、W方波，結合正/反轉信號產生有效的編碼，通過邏輯組件處理，使轉子每轉過一對N-S極，T1-T6功率管即按固定組合依次導通。每種狀態下，僅有兩相繞組通電，依次改變一種狀態，定子繞組產生的磁場軸線在空間轉動60°電角度，如此循環，無刷直流電動機將產生連續轉矩，拖動負載作連續旋轉。

無刷直流電動機由電動機本體和驅動器構成，電動機的定子繞組做成三相對稱星形接法，同三相異步電動機相似。電動機轉子由釹鐵硼永磁材料構成，在定轉子形成的氣隙中產生N-S極相間的方波磁場。為了使電動機繞組準確換向，在電動機內裝有位置傳感器，作為轉子極性的位置信號。驅動器由功率電子器件和集成電路等構成，其功能是：接受電動機的啟動、停止、制動信號，以控制電動機的啟動、停止和制動；接受位置傳感器信號和正反轉信號，用來控制逆變橋各功率管的通斷，產生連續轉矩；接受速度指令和速度反饋信號，用來控制和調整轉速；提供保護和顯示等[1]。

圖1 永磁無刷直流電動機原理

1.2技術特點

1）永磁無刷直流電動機的位置傳感器編碼使通電的兩相繞組合成磁場軸線位置超前轉子磁場軸線位置，不論轉子的起始位置處在何處，電動機在啟動瞬間都會產生足夠大的啟動轉矩，因此轉子上不需另設啟動繞組。

2）由于無刷直流電動機的勵磁來源于永磁體，所以不像異步電動機那樣需要從電網吸取勵磁電流；由于轉子中無交變磁通，其轉子上既無銅耗又無鐵耗，所以效率比同容量異步電動機高。

3）無刷直流電動機的永磁體，采用稀土釹鐵硼材料，因此，稀土永磁無刷電動機的體積比同容量三相異步電動機縮小了一個機座號，降低了裝機功率，減少了設備成本。

4）通過驅動器控制，可以實現永磁無刷直流電動機轉速無級調整。

1.3節能效果

目前共應用了12臺永磁無刷直流電動機，更換前電動機平均額定功率為40 kW，選用的無刷直流電動機額定功率均為30 kW，裝機功率下降了10 kW，統計應用前后效果對比，節電率為14.7%，年節電達13.14×104kWh。

2 高轉差電動機

2.1結構原理

高轉差電動機采用高阻轉子，利用電動機的“趨服效應”使用特殊材質制出特殊形狀的轉子，使得轉子的阻值可以隨抽油機負載的變換進行切換；因此，電動機的轉速可以隨負載轉換，負載越大，轉速越低，避免正常運行時載荷過低現象（圖2）。

圖2 高轉差雙速節能電動機差雙速節

由于抽油機的輕載荷運行時間遠多于重載荷運行時間,超高轉差率電動機的高效區設計在輕載荷區。雖然超高轉差率電動機的額定效率低，但其平均效率較普通電動機高得多。

2.2技術特點

1）超高轉差率電動機解決了啟動問題，以及通過降低轉速降低載荷的峰值，以便用小容量的電動機取代大容量的普通電動機；避免載荷過低，取得良好的匹配，電動機固定損耗（鐵損、機械損）及可變損耗均大大降低。

2）生產運行過程中（超）高轉差電動機比常規Y系列電動機平均效率高。

3）功率因數提高，減少線損和無功損耗。

4）采用6/8雙級雙速設計，滿足了油井產量變化時調參需要。

2.3節能效果

實施YCHD雙速高轉差率電動機后，抽油機的啟動平穩，電動機運行正?！，F場測試對比，平均有功節電率為11.53%，無功節電率為77.92%，單井日節電34.7 kWh，綜合節電率為13.3%，功率因數提高了0.425，系統效率提高1.93個百分點。

3 低速電動機

3.1結構原理

低速電動機的結構與普通Y系列電動機基本相同，采用中心高280 mm的定子沖片，轉子采用深槽銅條導條，安裝尺寸與Y系列電動機相同。三相異步電動機分為兩個基本部分：定子（固定部分）和轉子（轉動部分）。定子繞組填繞在電動機外殼的線槽內，電動機的轉速取決于定子繞組的繞線方式，即磁極對數。磁極對數小，電動機的轉速快，反之要降低電動機的轉速必須增加磁極對數。轉子是電動機的旋轉部分，轉子由電動機軸、轉子鼠籠及其附助設備組成。轉子鼠籠中填繞有轉子繞組，轉子繞組在旋轉磁場的作用下，激勵出轉子電流；轉子電流在定子的旋轉磁場力的作用下產生旋轉，從而帶動電動機軸旋轉。為了降低電動機轉速就要提高轉子電流，降低轉子電阻（圖3、圖4）。

圖3 低速電動機結構示意圖

圖4 低速電動機實物

低速電動機采用紫銅漆包線作為定子繞組的材料，以獲得較大的定子電流，從而提高磁場的磁場強度；采用具有良好導磁性能的冷軋硅鋼薄板作為轉子勵磁材料，轉子繞組采用相間排列的紫銅條和磷銅，來提高轉子電流。低速電動機是在頻率f不變的情況下，改變異步電動機的磁極對數P，這樣就可以改變其同步轉速n（n=60f/P），從而使電動機在某一負荷下的穩定速度發生變化，達到調整抽汲速度的目的。低速電動機是通過降低抽油機沖速達到節能的目的，其特點是啟動轉矩大，可降低電動機機座型號應用。

3.2技術特點

低速電動機是游梁式抽油機專用電動機，該電動機的特點是低轉速、小功率、具有較大的啟動轉矩，控制和消除抽油機的負轉矩，提高電動機的負載率，使系統效率有了較大提高。尤其適合低產井、間抽井，滿足抽油機低參數的要求，使抽油機減速箱的減速比大幅度下降，加大地面參數的調整范圍。因低速電動機的功率小，所以具有較好的節能效果，并且大大提高了間抽井的管理水平，大幅度改善了機、桿、泵的工作狀態。

3.3節能效果

低速電動機安裝后，平均單井有功功率降低1.02 kW，平均單井日節電24.37 kWh，綜合節電率達到20.5%，預計單井年節電2.8 t標煤，年可創效益0.49萬元。低速電動機每臺約1.1萬元，投資回收期2.2年（表1）。

表1 低速電動機節能效果對比

4 伺服電動機

4.1結構原理

伺服電動機也稱執行電動機，它具有服從控制信號要求的職能，因而得名“伺服”電動機[2]。

伺服拖動系統主要由帶編碼器的稀土永磁同步伺服電動機和交流伺服控制器兩大部分組成。該系統采用高效永磁同步伺服電動機為驅動電動機，以自行設計的絕對式磁電式編碼器為主要伺服單元，與控制電路、功率電路、電磁鐵電源電路和人機接口的硬件設計構成具有閉環負反饋控制的交流伺服裝置。與普通永磁同步電動機相比，結構更加優化，減小定子渦流和電阻損耗，電動機溫升極小，取消了其他各類電動機所應用的強制風扇散熱方式（無風扇）；且在正常同步運行時沒有轉子電阻損耗，在25%～150%額定負載范圍內，均可保持較高的效率，保證了電動機在較大的負荷變化區域內的高效運行。同時，高精度編碼器（6萬線/周）的應用，實現了電動機精確的磁電控制，避免了永磁電動機應用過程中的退磁現象（圖5）。

圖5 伺服電動機工作原理

4.2技術特點

1）精確的速度控制，調速方便。由于伺服控制系統的存在，電動機轉速可以在零至最高速（高于額定轉速）之間任意調節，調速范圍十分寬泛，調速設置非常便捷。

2）保持轉子與定子磁場垂直和精確同步，最大限度利用電流產生轉矩，實現了電動機精確的磁電控制，以達到節能最大化。

3）平穩啟動，消除震動，伺服電動機可設定任意指令速度曲線，徹底消除了啟動沖擊。

4.3節能效果

通過在標準井上試驗，與普通異步電動機相比，該電動機綜合節電率達到27.6%；并根據不同類型抽油機特點進行了優化組合，雙驢頭抽油機匹配700 r/min的低轉速大扭矩伺服電動機，大傳動比低沖速抽油機匹配1200 r/min高轉速低扭矩電動機。與雙速電動機對比，單井低轉速大扭矩伺服電動機日節電5.1 kWh，高轉速低扭矩電動機日節電8.6 kWh，節能效果顯著。

5 評價分析

根據各類節能電動機技術特點及薩北開發區應用的經驗，對各種節能設備進行分析評價（表2）。

表2 節能電動機綜合評價

6 結論及認識

1）節能電動機具有啟動轉矩大、運行效率高的特點，現場應用表明：降低了電動機裝機功率，提高了抽油機井功率利用率和系統效率，取得了良好的節能效果。

2）依據抽油機井不同生產狀況和舉升設備實際情況，實施單井個性化節能電動機設計方案，合理優化電動機功率和電動機類型，確保抽油機井高效經濟運行。

3）建立科學的抽油機井舉升設備節能評價方法，配套應用節能抽油機、節能控制箱，降低油井能耗和成本，為指導生產實踐提供有力依據。

[1]唐任遠.現代永磁電動機理論與設計[M].北京：機械工業出版社，2005：4-31.

[2]郭慶鼎.交流伺服系統[M].北京：機械工業出版社，1994：36-58.

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.10.016

2016-05-30

（編輯 李發榮）

白鑫，工程師，1990年畢業于中國石油大學，從事作業監督工作，E-mail：xinbai@petrochina.com，地址：黑龍江省大慶市大慶油田有限責任公司第三采油廠工程技術大隊管理室，163113。