變頻器對油田電動(dòng)機(jī)性能影響的研究

李東平（大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠）

變頻器對油田電動(dòng)機(jī)性能影響的研究

李東平（大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠）

隨著油田產(chǎn)量逐年遞減，設(shè)備負(fù)載率不斷降低，變頻調(diào)速作為電動(dòng)機(jī)節(jié)能的主要方法得到廣泛應(yīng)用。以大慶油田為例，超過30%的電動(dòng)機(jī)使用變頻器來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。變頻器在使用過程中，輸入、輸出端都會(huì)產(chǎn)生大量的諧波，這些諧波會(huì)造成電動(dòng)機(jī)效率的降低、運(yùn)行溫度的升高、振動(dòng)和噪聲的增加等影響。通過對相關(guān)影響因素進(jìn)行研究，尤其是變頻器對電動(dòng)機(jī)損耗、溫升、噪聲振動(dòng)及絕緣的影響提出了對應(yīng)的整改措施。經(jīng)過分析，變頻器對電動(dòng)機(jī)影響最大的是產(chǎn)生的諧波，有效的消減諧波就可以減小對電動(dòng)機(jī)效率和壽命影響，合理匹配變頻器可以減小對電動(dòng)機(jī)溫升及噪聲振動(dòng)的影響。

變頻器；電動(dòng)機(jī)；諧波

DOI：10.3969/j.issn.2095-1493.2017.07.013

隨著油田進(jìn)入高含水期，生產(chǎn)中節(jié)能降耗和安全生產(chǎn)成為油田生產(chǎn)的兩個(gè)重要方面，變頻器的使用能夠滿足節(jié)能降耗和安全生產(chǎn)的實(shí)際要求[1]。變頻調(diào)速節(jié)能控制柜已成為油田生產(chǎn)中最有效的電氣節(jié)能設(shè)備，得到大面積推廣[2]，在機(jī)采系統(tǒng)、集輸系統(tǒng)、注入系統(tǒng)等油田主要生產(chǎn)系統(tǒng)均有應(yīng)用，在油田實(shí)際生產(chǎn)中，很少使用變頻器專用電動(dòng)機(jī)，多數(shù)為已經(jīng)在用的普通電動(dòng)機(jī)，變頻器與普通電動(dòng)機(jī)搭配使用時(shí)電動(dòng)機(jī)會(huì)出現(xiàn)效率、壽命降低等問題，所以找到影響因素及對策，對大規(guī)模使用變頻器的油田企業(yè)具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 變頻器調(diào)速的基本原理

變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用把電壓、頻率固定不變的交流電變成電壓、頻率都可調(diào)的交流電源。現(xiàn)在油田常用的變頻器主要采用交-直-交方式進(jìn)行工作，即先把工頻交流電源通過整流部分轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再通過逆變部分把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動(dòng)機(jī)。變頻器主要由整流部分、儲(chǔ)能環(huán)節(jié)、逆變部分、控制系統(tǒng)四部分組成（圖1）。

2 影響因素分析

變頻器對電動(dòng)機(jī)的影響主要由于輸出側(cè)諧波的產(chǎn)生，機(jī)理是由于變頻器通過CPU控制功率元件的通斷，從而形成電壓、頻率可調(diào)的三相輸出電壓，變頻器輸出諧波含量與變頻器的類型、電動(dòng)機(jī)繞組聯(lián)接方式、變流器的控制方式以及電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行方式等因素有關(guān)[3]。

圖1 變頻器主要結(jié)構(gòu)及基本原理示意圖

其輸出電壓和輸出電流是由SPWM波和三角載波的交點(diǎn)產(chǎn)生的，不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，如油田常用的變頻器，其輸出電壓波形為方形波，輸出的電流波形包含很多諧波分量，通過相關(guān)運(yùn)算得出輸出端包含較多的諧波成分，電流和電壓諧波同樣能使電動(dòng)機(jī)的總損耗增加，溫度上升。同時(shí)諧波電流會(huì)改變電磁轉(zhuǎn)距，產(chǎn)生振動(dòng)力矩，使電動(dòng)機(jī)發(fā)生周期性轉(zhuǎn)速變動(dòng)，影響輸出效率，并發(fā)出噪聲。變頻器輸出側(cè)的電流、電壓波形，如圖2所示。

2.1 對電動(dòng)機(jī)損耗的影響

圖2 變頻器輸出電流、電壓波形圖

為了節(jié)約成本，油田常用變頻器多數(shù)不會(huì)增加濾波裝置，變頻器產(chǎn)生諧波含量都會(huì)作用到電動(dòng)機(jī)上，諧波電流在轉(zhuǎn)子繞組中引起的銅耗，諧波電流產(chǎn)生的主磁通在鐵心中引起的鐵耗。表1是在電動(dòng)機(jī)測試平臺(tái)上測試的同一種電動(dòng)機(jī)在原態(tài)（電網(wǎng)直接供電）及變頻（50 Hz）時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。電動(dòng)機(jī)的輸入功率為變頻器后端的輸出功率，由試驗(yàn)對比可知，電動(dòng)機(jī)在高負(fù)載運(yùn)行時(shí)效率降低0.68%，如果加上變頻器的效率得出拖動(dòng)系統(tǒng)比原電動(dòng)機(jī)效率約降低2%左右，所以變頻器在變頻50Hz時(shí)，變頻器加電動(dòng)機(jī)組成的拖動(dòng)系統(tǒng)是不節(jié)能的。

表1 Y280S-8型電動(dòng)機(jī)原態(tài)與變頻測試數(shù)據(jù)

2.2 對電動(dòng)機(jī)溫升的影響

首先變頻器會(huì)使電動(dòng)機(jī)損耗增加，產(chǎn)生額外的熱量，其次油田用變頻器主要是為了降低電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，因?yàn)槠胀妱?dòng)機(jī)散熱主要是轉(zhuǎn)子帶動(dòng)風(fēng)扇葉片旋轉(zhuǎn)來降低電動(dòng)機(jī)內(nèi)部溫度，隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的下降，風(fēng)扇排風(fēng)量也會(huì)降低，進(jìn)而使電動(dòng)機(jī)內(nèi)部溫度升高。當(dāng)溫升超過最高容許工作溫度時(shí)，電動(dòng)機(jī)使用壽命將大幅縮短[4]。以油田常見Y系列電動(dòng)機(jī)為例，電動(dòng)機(jī)型號(hào)為Y280S-8，冷卻方式為自冷，試驗(yàn)從頻率50Hz降為20Hz恒負(fù)載運(yùn)行，通過監(jiān)測實(shí)時(shí)溫升來評價(jià)電動(dòng)機(jī)受變頻器變頻影響的程度，見表2。得出頻率在30Hz以下時(shí)電動(dòng)機(jī)溫升明顯。

表2 轉(zhuǎn)速對電動(dòng)機(jī)溫升影響

2.3 對電動(dòng)機(jī)噪聲振動(dòng)的影響

電動(dòng)機(jī)噪聲與振動(dòng)增大是應(yīng)用變頻器的常見問題，主要原因是變頻器輸出端諧波的存在，低次諧波會(huì)對電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生脈動(dòng)。另外電動(dòng)機(jī)的共振也是主要原因，在以某一頻率運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)會(huì)產(chǎn)生機(jī)械共振。油田用電動(dòng)機(jī)多數(shù)在室外或站場，噪聲影響不大，但是振動(dòng)對電動(dòng)機(jī)及其負(fù)載設(shè)備的危害大[5]，超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的振動(dòng)直接傷害電動(dòng)機(jī)軸承，加速其磨損，縮短使用壽命而造成安全事故。

2.4 對電動(dòng)機(jī)絕緣的影響

變頻器對電動(dòng)機(jī)絕緣性能的影響，例如對電動(dòng)機(jī)匝間絕緣的影響，雖然“短期”絕緣性能降低不明顯，但卻能夠顯著影響電動(dòng)機(jī)的壽命。主要原因是變頻器的高頻脈沖輸出的過電壓導(dǎo)致的，當(dāng)電壓快速上升時(shí)，容易產(chǎn)生電暈放電現(xiàn)象，電暈放電使絕緣物質(zhì)過早老化，減弱其絕緣特性。

3 解決對策

變頻器對電動(dòng)機(jī)的影響主要是由產(chǎn)生的諧波及不合理使用方式造成的，變頻器產(chǎn)生的諧波可以影響電動(dòng)機(jī)的損耗、溫升及噪聲振動(dòng)，有效的消減諧波就可以減小影響，電動(dòng)機(jī)的溫升及噪聲振動(dòng)可以通過合理使用變頻器來減弱或消除。

3.1 諧波治理

變頻器產(chǎn)生的諧波對電動(dòng)機(jī)的影響很大，油田常用的消減諧波的方式主要分為有源濾波和無源濾波兩種，有源濾波可以進(jìn)行自動(dòng)跟蹤消除諧波補(bǔ)償無功的設(shè)備，基本原理是通過實(shí)時(shí)采集電流信號(hào)，分離出來其中的諧波部分，在產(chǎn)生與系統(tǒng)中諧波大小相等方向相反的補(bǔ)償電流來實(shí)現(xiàn)濾波的目的。有源濾波器具有濾波效果好，可以進(jìn)行無功補(bǔ)償，不消減基波等特點(diǎn)，用于大量使用變頻器的油田站場。

無源濾波結(jié)構(gòu)簡單、成本低、運(yùn)行可靠，基本原理是利用電感、電容和電阻的組合設(shè)計(jì)構(gòu)成的濾波電路，可濾除某一次或多次諧波，主要應(yīng)用于抽油機(jī)水泵等單臺(tái)設(shè)備。

3.2 合理選用及使用變頻器

1）變頻器選用時(shí)應(yīng)考慮電動(dòng)機(jī)的實(shí)際參數(shù)及工作負(fù)荷，對于使用年限長的電動(dòng)機(jī)因絕緣及耐壓性能發(fā)生變化，在選用前應(yīng)該進(jìn)行針對性測試。對于長期在高負(fù)荷工況下運(yùn)行電動(dòng)機(jī)，為了保證使用的安全性，應(yīng)在選型時(shí)使用大一檔的變頻器。對于新投產(chǎn)的變頻器配套電動(dòng)機(jī)要選用變頻專用電動(dòng)機(jī)，變頻器專用電動(dòng)機(jī)絕緣效果好，配備獨(dú)立風(fēng)扇冷卻效果好。

2）普通電動(dòng)機(jī)搭配變頻器時(shí)應(yīng)在合理的頻率區(qū)間使用。頻率過高使電動(dòng)機(jī)發(fā)熱小、噪音低，定子的集膚效導(dǎo)致效率降低，致使輸出功率降低；頻率過低使諧波含量增加導(dǎo)致散熱性不好、發(fā)熱嚴(yán)重，影響電動(dòng)機(jī)使用壽命。通過調(diào)研及試驗(yàn)論證油田用變頻器頻率應(yīng)設(shè)置在30～50 Hz，如果此頻率下不能滿足生產(chǎn)需要，應(yīng)該考慮應(yīng)用其他調(diào)速技術(shù)和搭配機(jī)械調(diào)速器件一同使用。

4 結(jié)論

變頻器在油氣生產(chǎn)中的應(yīng)用能夠解決油田電動(dòng)機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行效率低下的問題，是解決老油田油氣生產(chǎn)單耗逐年升高的有效途徑。同時(shí)隨著變頻器的大量使用，變頻器對電動(dòng)機(jī)的影響也越來越受到重視，通過分析可知諧波是影響電動(dòng)機(jī)的主要原因，所以抑制變頻器諧波含量，同時(shí)避免變頻器的低頻運(yùn)行是減少變頻器對影響電動(dòng)機(jī)的主要原因。

[1]黃國鳳.變頻器的油田應(yīng)用及節(jié)能效果[J].工程技術(shù)（全文版），2016（11）：265.

[2]朱益飛.變頻器對普通電機(jī)設(shè)備的影響分析[J].變頻器世界，2011（5）：72-74.

[3]柯巖.變頻器諧波對電機(jī)效率的影響分析[J].電力學(xué)報(bào)，2010（3）：221-224.

[4]張承慧，徐海東，李珂.淺談變頻器供電條件下電動(dòng)機(jī)的溫升與對策[J].變頻器世界，2006（10）：63-82.

[5]王松.Y系列三相異步電動(dòng)機(jī)振動(dòng)分析與抑制[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2007.

（編輯 沙力妮）

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胡慶明

2017-03-14

李東平，2006年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院（石油工程專業(yè)），從事油氣儲(chǔ)運(yùn)、計(jì)量間管理工作，E-mail：dpli@petrochina. com.cn，地址：黑龍江省大慶油田第三采油廠，163000。