混磁同步電動機節能應用探討

劉連鋒（大慶油田自動化儀表有限公司）

1 油田電動機應用現狀存在問題

1.1 應用現狀

電動機是石油生產的主要動力，其耗電量占原油生產的比重很大，機械采油、注水、油氣集輸三大系統的電力驅動裝置幾乎全部為電動機，因此可以說電動機是油田的主要用電設備，占總耗電量的80%，其中絕大多數采用普通三相異步電動機，耗電總量呈逐年上升趨勢，因此電動機的節能已成為油田節電的主要領域[1]。

油田配電網的負荷絕大多數為感應電動機所帶的泵類負荷[2]，油田內的電動機除注水電動機以外，其它用途的電動機輕載現象非常普遍。以采油三廠北一丁一排西段線路為例，該線路有23 處負荷結點，連接的電動機總功率為1 289 kW，而該線路正常運行的有功負荷僅為249 kW，電動機平均負載率僅為24.6%。

由感應電動機典型運行特性曲線可知，電動機在滿載附近運行效率和功率因數較高，而在輕載時效率和功率因數顯著下降，當負荷低于30%額定容量時，電動機效率低于60%，功率因數低于0.4。

造成油田內電動機輕載現象的原因，主要是油田內使用普通電動機和淘汰型電動機占多數，這些電動機啟動轉矩或最大轉矩與額定轉矩的比例相對較小，所以人們在給設備配置電動機時，出于對設備啟動和安全運行的考慮，不得不選擇容量較大的電動機。如果在選擇時，留有的裕度很大，就會使電動機嚴重輕載[3]。

電動機輕載運行一方面會給電網帶來不良后果[4]，使電網運行功率因數下降，網損率增加，另一方面為防止這種后果發生，人們不得不采取無功補償、調壓運行等措施，又增加了節能設備的投資[5]。

1.2 節能措施存在問題

當前油田上常使用的節能電動機產品為：高轉差電動機和永磁同步電動機[5]。

應用新型節能電動機替代普通電動機，是解決對于油田內經常連續運行的高耗能電動機應更換節能型，以提高設備運行效率，并降低損耗，是解決此問題的一條途徑。根據實測計算，兩種節能電動機的節能效果見表1。

表1 節能電動機的節能效果

高轉差電動機是異步電動機的一種，相比普通異步機，具有較高的運行柔性，其效率特性與異步機類似，從能量轉換效率方面并不比普通異步電動機節能，但由于其轉差率較高，在實際運行中表現出較大的柔性[6]。在抽油機拖動電動機運轉的狀態下，只有電動機加速到同步轉速之上才發電制動，由于其額定轉速與同步轉速之差較大，整個提速過程可儲存較大動能，在抽油機轉過不需拖動運行的區間后，這部分能量自然用于拖動系統運行，從而產生節能效果。這個過程完全有電動機特性和抽油機狀態決定，完全不受控制。同時，高轉差電動機無法調速，無法便捷地配合采油工藝需要隨時調沖次，實際生產中，在井況變化較大的油井應用時節電效果不明顯。

永磁同步電動機由于采用永磁體作為轉子材料，所以沒有轉子損耗，電動機效率高，但是由于其電動機的特性比異步電動機還要硬（電動機基本上沒有速降），沒有辦法改善系統效率，節電效果一般。同時由于油井的復雜工況，會出現結蠟，砂堵等現象導致負載急劇增加，電動機電流和溫度會急劇增加，而永磁電動機的永磁體在高溫或強磁場反向激磁條件下，會產生退磁現象，退磁后，電動機效率急劇下降。負載過大、堵轉時，相對散熱不足，會引起溫度過高，使永磁體退磁，目前這種退磁現象可通過加裝溫度繼電器等措施有效避免。強磁場反向激磁相當于對永磁體充磁的相反過程。當前油田上應用的永磁同步電動機，其啟動是一個強電流異步運行過程，必然會造成強磁場反向激磁。在運行過程中，如果負載過大，會造成不同步運轉現象，同樣會造成反向激磁[7]。一旦永磁體磁場處于不飽和狀態，其退磁速度會逐漸加快，最終造成永磁體磁場大幅度減弱，兩種電動機節能特點見表2。

表2 兩種電動機節能特點的對比

1.3 解決方法

油田電動機節能主要從以下兩個方面：從電動機本身考慮：提高電動機的效率和負載率；從系統考慮，改變電動機的機械特性使得機，桿，泵整個系統達到較好的配合，提高系統效率[8]。

2 混磁同步電動機的應用

2.1 抽油機專用混磁同步電動機

2.1.1 原理

不同于傳統電動機依靠轉子繞組電流產生的磁場間相互作用而形成轉矩，VTR 系列混磁同步電動機遵循磁阻最小原理：磁通總是沿著磁阻最小的路徑閉合，由磁場扭曲產生旋轉轉矩[9-10]。

2.1.2 效率特性

由于同屬于同步電動機的范疇，VTR 系列混磁同步電動機具有同永磁同步電動機相同的特性，轉子轉速與定子旋轉磁場完全同步?；齑磐诫妱訖C與三相異步電動機損耗對比見圖1，混磁同步電動機與三相異步電動機有效負載區對比見圖2，混磁同步電動機與三相異步電動機力矩特性對比見圖3。

圖1 兩種電動機損耗對比

圖2 兩種電動機有效負載區對比

圖3 兩種電動機力矩特性對比

2.2 混磁同步電動機應用特點

相比較永磁同步電動機而言：具有永磁同步電動機低速大力矩，轉子無損耗，節能效果優異，由于不采用稀土材料，規避了永磁同步電動機不穩定的缺點[10]。

相對于異步電動機而言：具有免維護，壽命長，穩定性高的特點。

2.3 實現功能

磁同步電動機是結合了高轉差電動機和永磁同步的優點，既能夠保有永磁同步電動機高效率的特點，又可以像高轉差電動機那樣能夠改變電動機的機械特性來提高抽油機的系統效率，達到節能的效果。通過高精度的轉矩控制，采用轉矩與速度曲線，使得抽油機專用混磁同步電動機能夠在受到大負荷的時候，出現速降，當負載降低，速度快速提升。改善機、桿、泵的配合，提高泵的充滿度。提高游梁式抽油機的系統效率。有效的降低了抽油桿的負載沖擊，延長桿，減速機的壽命。

2.4 主要指標

1）混磁同步電動機系統節電率可以達到20%以上（相比較三相異步電動機）。

2）混磁同步電動機如配合伺服控制系統輸入側功率因數可以達到0.98 以上，有效的降低線損及裝機容量。

3 應用效果

混磁同步電動機在采油六廠二礦205 隊喇5-2411 油井安裝試用，在實際運用過程中工作效率大大提高，安裝調試后，投入運行三個多月，狀態良好，安全可靠，喇5-2411 油井電動機對比測算見表3。

表3 喇5-2411 油井電動機對比測算

在該系統安裝前系統效率為32.01%，安裝后系統效率為39.75%，有功節電率為19.21%，無功節電率為79.41%。經過計算綜合節電率為23.91%。按綜合節電率超出15%計算，應用混磁同步電動機，每口井平均年節約電費約2 萬余元，隨著新建機采井數量的增加，節電的效益將更大。

4 結論

混磁同步電動機在實際生產應用過程中，真正實現了節能，穩定性高的特點，提高了油田管理效率，降低管理成本，是很有發展前途的一種新型電動機，它的開發將為我國節能電動機和高性能電動機的發展開辟一條新的途徑，其突出的節能效果值得在油田系統中得到推廣應用。