油田抽油机永磁电动机反电势点问题探讨

郭连君

（中石化胜利油田分公司 技术监督处，山东 东营 257237）

1 现状

胜利油田桩西采油厂从2002年10月开始，试验抽油机井自动调压变压器配套永磁电动机技术，该技术是从整个机采系统入手，以系统的观念对变压器、控制柜到电动机整个机械采油井拖动系统进行了优化设计，应用22～30 kW小功率永磁电动机替代普通Y系列37～55 kW电动机，应用30 kVA小容量自动调压变压器替代原单井配套50 kVA普通变压器。2002年共应用永磁电动机138台、自动调压变压器97台。项目实施后，平均单井日节电42 kWh，系统效率提高3.5%，单井变压器减容18 kVA。到2007年底，共推广应用永磁电动机500余台，平均单井电动机功率由46.6 kW下降到32.5 kW，单井功率因数由0.562提高到0.905，单井变压器容量降低18 kVA。

永磁电动机在使用过程中也存在着问题，部分永磁电动机功率因数过低，甚至低于0.3，明显小于额定值，对充分发挥永磁电动机节电效果带来了一定的影响，桩西采油厂能源管理站决定针对此问题进行现场调整试验。

2 原因分析

2.1 空载反电势及临界反电势

（1）空载反电势：每台永磁同步电动机都有一个不同的空载反电势，用同种转速的永磁同步电动机轴对轴连接，一台定子接通三相交流电，达到同步转速时，测试另一台被拖动电动机定子的开路电压即为空载反电势。

（2）临界反电势：在一定负载下，连续调整永磁同步电动机的定子电压，用FLUK43B电力分析仪测试永磁同步电动机的瞬时无功功率，并用万用表测试电压，当FLUK43B测取的无功功率既不显示“C”（容性无功）也不显示“L”（感性无功）时对应的定子电压即为该负载下的临界反电势，此时的无功功率很小（见表1）。

2.2 负载率、定子电压对功率因数的影响

对不同额定电压等级（380 V、660 V、1 140 V）、不同额定功率（22 kW、30 kW）和不同转速（750 r/min、1 000 r/min）的12台永磁同步电动机在不同负载率对应不同电压下的有功功率、无功功率和功率因数进行测试，结果说明各参试之间的规律关系都基本一致。

从表1可以看出：

（1）当定子电压高于永磁同步电动机的临界反电势时，其感性无功功率呈感性功率因数运行；当定子电压低于永磁同步电动机的临界反电势时，永磁同步电动机的容性无功功率呈容性功率因数运行。

表1 30 kW 8极380 V永磁同步电动机不同负载率对应不同电压下的功率因数

（2）外加永磁同步电动机的定子电压等于或近似等于其临界反电势时，电动机无功功率最小，功率因数最高。

（3）负载率较低时，功率因数随外加定子电压偏离临界反电势的增大而减小，定子电压偏离临界反电势越多，功率因数下降越多。

（4）随着负载率的增大，电压变化对功率因数的影响逐渐减弱。当负载率大于40%时，电压变化对功率因数的影响很小。

（5）在定子电压一定时，电动机的负载率越低，功率因数越低。

（6）电动机空载临界反电势近似等于空载反电势，随着负载的增加，临界反电势逐渐下降，在抽油机的工况状态下下降约2.5%Ue（Ue为空载反电势）。

3 现场调整试验

试验目的为：①确定永磁电动机功率因数与电压的关系；②确定永磁电动机的反电势点。

3.1 测试过程

2010年4月5日技术质量安全监督中心能源管理站在采油四队挑选了L8及L8-1井2口机采井进行了永磁电动机功率因数调整试验（2口井的主要参数见表2）。试验当天对2口进行了测试，并记录了测试数据（测试结果见表3）。

表2 L8及L8-1井主要参数

表3 L8及L8-1井参数测试数据

L8井为S11型3档变压器，先后对L8井进行了3次调压测试（测试结果详见表4），结果显示，当电压调整到3档416 V时，功率因数最高为0.918，有功功率5.52 kW，无功功率1.52 kvar。

表4 L8井试验参数

L8-1井在当天测试过程中电压过高，最低电压440 V，原有变压器档位少，只有3档，无法达到预定电压。后来经我站同新华电动机厂联系，于2010年4月11日更换了7档变压器，并加大了电压调整范围，现场进行了第二次测试。更换变压器后对L8-1井进行了6次调压测试（测试结果详见表5），结果显示，当变压器调到3档393 V时，电动机功率因数最高为0.955，有功功率为4.02 kW，无功功率为-0.87 kvar。

表5 L8-1井试验参数

调整后的2口井测试数据见表6。

表6 L8及L8-1井调整后测试数据

3.2 试验结论

试验结果表明，在同样的工况下，永磁电动机功率因数同电压有着密切的关系。当变压器输出电压过低时，无功为负值，此时电动机呈容性，功率因数低于0.9（额定值）；当电压过高时，无功为正值，此时电动机呈感性，功率因数同样低于0.9（额定值）；当某一固定电压时，无功趋近为零，功率因数为1，电动机达到理想运行状态，效率最高，损耗最小，此时电压等于电动机的反电势点。

由表5可以看出L8井的反电势点略低于416 V，L8-1井的反电势点略高于393 V。由于变压器档位少，电压调整数度不够，所以无法精确调试出2口井的反电势点。

由于这2口油井都存在着间隙出油现象，调整过程中油井有功功率出现了不规则的变化，并没有明显下降趋势，但据研究，随着永磁电动机功率的提高，电动机效率也相应提高，调整后应有一定的节电效果。当电动机工作电压过高或过低时不但影响电动机功率因数，同时电压过高，造成电动机过热，还减少了电动机的使用寿命，降低了电动机运行效率。电动机功率因数调整后不但提高了线路的功率因数，减少了网损，还提高了电动机的效率，延长了电动机的使用寿命。

4 推广应用情况

2007—2008年在全厂范围内开展永磁电动机临界反电势值的测试及现场调压工作，确保电压值在临界反电势点附近，提高功率因数。共调整永磁电动机256台，平均单井日节电8.1 kWh，平均单井功率因数上升0.107，合计256口油井的永磁电动机日节电2 073.6 kWh，年节约电费41.62万元。

5 建议

（1）确保电动机呈容性功率因数运行。根据电动机铭牌上标示的空载反电势，调整变压器输出电压，使电压值低于空载反电势的2.5%左右，以现场实测电动机呈很高容性功率因数运行为最佳。这一特点在抽油机上特别有意义，对一台变压器拖动另一台电动机的情况，电动机的容性无功正好和变压器的感性无功相互补偿，可使变压器的一次侧功率因数大于0.90。对一台变压器拖动多台电动机的情况，适当控制容性功率因数和感性功率因数运行永磁同步电动机的比例数，也可使变压器的一次侧功率因数大于0.90。

（2）部分在用S11型油井变压器调压档位少，只有3档；调压范围窄，只有±5%；调压精度低，不能很好地适用于现场生产。建议采油厂全部更换为S11节能型9档变压器，该变压器调压范围为±10%，每档调节2.5%，具有调节范围宽、档位多及能耗低的优点，能达到理想的调压效果，更好的适用于现场生产。