油田抽油机用永磁同步电动机高效运行研究

于治华刘维东罗杨

（1.山东成华电子科技有限公司生产技术部；2.日照职业技术学院；3.胜利油田胜利采油厂）

油田抽油机用永磁同步电动机高效运行研究

于治华1刘维东2罗杨3

（1.山东成华电子科技有限公司生产技术部；2.日照职业技术学院；3.胜利油田胜利采油厂）

永磁同步电动机在油田得到大规模应用，应用情况表明，永磁同步电动机在额定电压下运行具有启动转矩大、效率高、功率因数高、节电效果好等优点，但在应用现场发现大量抽油机用永磁同步电动机运行功率因数偏低，能耗比正常水平偏高等问题。分析了负载率、电压变化对永磁同步电动机功率因数的影响，功率因数变化对永磁同步电动机能耗的影响。提出一套自动适应油田电网供电电压变化，实现抽油机用永磁电动机高效运行的技术方案。

油田电网 永磁同步电动机 电压偏差 功率因数 高效运行

中国石油、中国石化联合组织技术专家历时两年，测试抽油机用各类电动机2000余台，分析总结永磁电动机的性能及应用，于2012年3月1日发布了Q/SH 0451—2012《抽油机用永磁同步电动机选型技术要求》。用于引导、规范油田规模应用永磁同步电动机。标准统计2007年以来的试验室及现场试验等测试数据，对比测试分析了各种抽油机用节能电动机，主要包括双功率电动机、直线电动机、高转差电动机、电磁调速电动机、磁阻电动机、抽油机专用永磁同步电动机、齿轮减速电动机等，永磁同步电动机是近几年不断发展不断完善的电动机，任何抽油机上都可以应用，节电效果最好。因此在抽油机上应为首选电动机[1]。

1 油田应用永磁同步电动机经济效益分析

标准起草专家测试总结分析，抽油机专用永磁电动机替代普通电动机，在额定电压下运行，可使电动机的容量减少，工作电流大幅度下降，自身损耗和线路损耗大幅度减少，经济效益显著，主要包括以下4个方面：

1）永磁同步电动机具有启动转矩大、效率和功率因数高、无转差及过负载能力强的特点，可使配套三相异步电动机功率降低1～2个功率段。每台30 kW永磁高效同步电动机替代55 kW异步电动机，按年运行8000 h计算，每年可节电12 000 kWh。

2）电流下降使得线路损耗下降。变压器至电动机的电缆长度约为100 m，截面积为25 mm2。电流的下降，使单井低压电缆有功损耗减少0.5～0.7 kW；变压器容量的减少，自身损耗减少0.3 kW左右；一条带10口井的6000 V线路可减少高压线路损耗约3.9 kW。

3）由于变压器、电动机容量的降低，可使供电线路电流下降、功率因数提高，可使供电系统在不改变原来供电设备的基础上，增加系统的供电能力。功率因数的提高可使电流、视在功率减小1/2以上，在不增加变电所的容量的情况下，相当于变电所增容50%。

4）永磁同步电动机可在容性负载状态下运行，低压侧不需要增加任何电容补偿，就可使线路的功率因数达到0.9以上；由于变压器呈感性负载，可以和电动机进行一部分的无功补偿，因此高压侧的功率因数可达到0.95以上，减少电容补偿费用。

2 电压波动对永磁同步电动机运行性能的影响

对不同额定电压等级（380 V、660 V、1140 V）、不同额定功率 （22 kW、30 kW） 和不同转速（750 r/min、1000 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，各参数间的规律关系都基本一致。

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。

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。

3 永磁电动机的功率因数与损耗的关系

在电动机的实际运行条件下，其输出功率是给定的，在给定电压下铁心损耗也是确定的；此外，机械损耗是不变量，功率因数低则电动机的定子电流大，定子铜耗大。反之，功率因数高则定子电流小、定子铜耗小，永磁电动机功率因数高带来节能效果，就是因为工作电流相应变小，使电动机的定子铜耗以及供电线路的损耗都变小。

4技术措施与实测分析

4.1 目前油田应对技术措施

1）选用最新研制的8档9位变压器，电压调整范围达±10%，步幅调整±2.5%。

2）通过抽油机现场作业人员及时调整8档9位变压器输出电压，使抽油机供电电压值低于空载反电势的2.5%左右。

4.2 供电电压的测试分析

供电电压偏差不仅受输电距离、负荷产生的压降、各级变压器的负载率影响，还受整个大电网发电、用电供需关系等因素影响，是瞬态变化的。

标准GB/T 12325—2008《电能质量 供电电压偏差》规定供电电压偏差的限值：35 kV及以上正、负偏差的绝对值之和不超过标称电压的10%； 20 kV及以下三相供电电压偏差为标称电压的±7%；220 V单相供电电压偏差为标称电压的+7%，-10%。

油田的供电线路的长度一般达到10 km甚至更长，在较长供电线路情况下，供电线路的首端和末端的电压差别较大。大量实测表明，对于额定电压为380 V抽油机的供电系统，首端电压通常达到410～420 V，而末端却只有350～360 V左右。油田大部分供电线路采用两端双电源供电，供电线路两端的供电源互换也会引起较大的电压变化。图1为在大庆油田、胜利油田及辽河油田、华北油田所测试的较典型线电压值。

图1 油田抽油机电动机供电电压测试

4.3 油田抽油机负载测试分析

抽油泵一般在地下1000 m左右的深度，有的则超过了2000 m。为了使电动机在重负载的条件下能够正常启动、正常运行，抽油机电动机配置容量总是较大。启动后，有功功率大多数是从0上升到最大值后再下降至0，甚至从负有功功率（反发电）上升到最大值后再下降至负有功功率（反发电），如此周而复始呈周期性变化。电动机功率55 kW，实测最大功率44 kW，平均功率也仅仅10 kW，负荷率在40%以下的时段占整个负载周期的90%，平均负荷率仅为18%。综合分析在各油田随机测试的220台抽油机电动机运行数据，其平均负荷率普遍在15%～25%之间。可见，油田抽油机用永磁同步电动机是典型轻负载运行。

4.4 永磁同步电动机轻载时高效运行供电电压区间

对于常规结构的稀土永磁电动机，在不同电压下的运行特性差别很大，图2是一台22 kW 8极电动机实测的不同电压下的空载电流与功率因数。该电动机感应电压是370 V。可以看出，当外加电压等于感应电压时，空载电流仅仅大约2 A，负载20%时的功率因数达到0.97左右，而当电压大于或者小于感应电压时，空载电流都会急剧增大。如果电源电压达到410 V，空载电流就达到16 A，负载20%时的功率因数降到0.4左右。这就说明，稀土永磁电动机虽然在额定电压的时候有很好的节能效果，但是在实际电压偏离额定电压的时候，节能效果大幅度变坏。

图2 一台22 kW电动机不同电压下实测的空载电流与功率因数

试验表明380 V永磁同步电动机在轻载时，高效运行的电压区间差值仅为+5 V，-10 V，其高效运行电压偏差值为标称电压的2.5%。可见油田电网国标允许电压偏差远远不能满足抽油机用永磁同步电动机高效运行的需求。

5 油田抽油机用永磁同步电动机高效运行控制原理和效果

通过对永磁电动机绕组的设计，使永磁电动机提供多种永磁感应电动势以适应电源电压的变化，并在电源电压自动跟踪监测的基础上实现电流无冲击的自动切换，以解决在国家标准允许的供电电压发生偏差（±7%）情况下，通用结构的稀土永磁电动机节能效果差或者基本不节能的问题，见图3。

永磁同步电动机高效运行控制系统汇集定子伴随绕组绕制、电压自匹配控制、电流无冲击有载切换、特殊结构接线板等专利技术，能够在标称电压380 V/660 V的供电线路上，在电压波动±10%范围内，自动检测、自动分析、自动控制，运行时功率因数能保持在0.95以上。

图3 永磁同步电动机高效运行控制效果

6 结论

1）采用永磁同步电动机高效运行控制技术制成的永磁同步电动机，可以电动机本体与驱动控制一体安装，也可以分离安装。整套产品自身具有电动机启动、运行操作控制功能，并具有缺相、过流等完善的保护功能，还能防止抽油机断电后在旋转状态重复启动，从而有效避免过电流冲击与电动机的退磁，现场无需再配备电控装置。

2）采用永磁同步电动机高效运行控制技术制成的永磁同步电动机，能够自适应油田抽油机供电电压的变化，在额定电压380 V/660 V的供电线路上，在电压波动±10%范围内，自动检测、自动分析、自动控制，运行时功率因数能保持在0.95以上。永磁同步电动机高效运行控制技术的应用，可以节省油田抽油机现场为调整永磁同步电动机供电电压置换8位9档变压器费用，同时也节省油田抽油机现场为永磁同步电动机高效运行进行供电电压监测和调整变压器输出电压所耗费的人力物力。采用永磁同步电动机高效运行控制技术制成的永磁同步电动机目前在胜利油田、大港油田试运行7台，运行时间均已超过20个月，经历了严寒酷暑考验，目前产品稳定性良好，获得了显著的节能效果。这是我国首创的永磁电动机控制新技术。一旦得到大规模应用，可以有力地促进我国石油开采领域节能工程的跨越式发展。

[1]董明霞.抽油机专用永磁同步电动机的研制及应用[D].北京:中国石油大学,2007.

10.3969/j.issn.2095-1493.2014.001.003

2013-09-28）

于治华，高级工程师，1994年毕业于青岛建筑工程学院，从事电动机节能控制和永磁同步电动机研究工作，E-mail：yuzhihua6789@163.com，地址：山东成华电子科技有限公司生产技术部，276800。