不同周期载荷系数下混磁电动机匹配方法

王永强　张乃亮　（大庆油田有限责任公司第六采油厂）

不同周期载荷系数下混磁电动机匹配方法

王永强张乃亮（大庆油田有限责任公司第六采油厂）

针对油田三相异步电动机存在能耗高、效率低的问题，在某采油厂现场应用混合磁阻电动机。通过油井周期载荷系数计算混合磁阻电动机的效率，给出不同装机功率下混合磁阻电动机负载率与效率变化关系，有效指导了现场的匹配。试验表明，与异步电动机相比，混合磁阻电动机的启动力矩大，降载效果好，装机功率可下降50%，可有效降低有功消耗，平均有功节电率达到14.75%。

抽油机；混合磁阻电动机；负载率

通过对喇嘛甸油田抽油机井电动机水平的调查，依据国家高耗能落后机电设备淘汰要求，仍有348台常规电动机在用，以Y系列异步电动机为主，该类电动机的导磁材料为热轧硅钢片，能耗高，效率低，不符合2012年5月国家颁布的GB 18613—2012《中小型三相异步电动机能效限定值标准》，需尽快进行淘汰更新。

目前在油田生产对节能减排要求日益严格的情况下，各种节能电动机作为提高电动机效率的主要措施，具备很好的节能效果。其中，混合磁阻电动机（混磁电动机）依据磁阻最小原理，可以不使用稀土磁钢或者极少使用稀磁钢[1]，即磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合，由磁场扭曲产生旋转转矩，从而实现转子连续运转。混磁电动机在有效提高电动机效率、降低损耗的同时，其可靠性、适应性弥补了以上电动机的不足。与异步电动机相比，无转差损耗，具有较宽的有效负载区，可在宽调速范围内保持电动机的较高能量效率[2]。

1　混磁电动机合理负载率的计算

应用混磁电动机进行装机功率合理匹配，既要满足变载荷油井的电动机功率裕量要求，又要保证其不出现轻载或过载的低效率高能耗问题。

首先引入周期载荷系数CLF，该系数是考虑因抽油机运动特性引起的轴扭矩波动及电动机电流波动的影响系数，定义为电动机电流均方根值与平均电流之比。周期载荷系数CLF可通过下式[3]来计算：

式中：CLF——周期载荷系数；

Ie——电动机电流的均方根值，A；

Im——电动机的平均电流，A；

Ii——电动机的瞬时电流，A。

因电动机效率随轴功率的波动而变化，1个周期内的平均效率不能用效率的平均值来计算，因此，采用平均轴功率和平均输入功率之比计算[4]：

式中：η——电动机效率，%；

P1m——电动机平均输入功率，kW；

P2m——电动机平均轴功率，kW；

P0——电动机空载损耗，kW；

PN——电动机额定功率，kW；

α——上、下冲程平均悬点载荷之比。

式中：β——电动机负载率，%。从上述效率公式可以看出，电动机效率与电动机的负载率及周期载荷系数有关，影响效率的因素有3个:电动机本身的效率特性（和α）；负载率β；周期载荷系数CLF。

由此可绘制不同装机功率的混磁电动机效率在不同CLF时随β的变化曲线（图1～图3）。

图1　22 kW混磁电动机负载率与效率变化曲线

图2　30 kW混磁电动机负载率与效率变化曲线

图3　37 kW混磁电动机负载率与效率变化曲线

由以上图可知，负载率越高，CLF对电动机效率的影响越大；电动机具有一定的合理负载范围，在此期间电动机的效率可在较高水平上保持稳定；当电动机负载达到一定范围后，随负载的增大，电动机内部损耗增加，电动机效率出现下降趋势。

按电动机效率大于90%确定混磁电动机匹配方案,即选择混磁电动机时合理的装机功率，确定负载率合理下限，杜绝电动机功率过大；确定合理负载率上限，杜绝电动机功率偏小烧电动机，合理负载率上限也可以按电动机效率开始下降的位置点来确定最小装机功率（表1、表2）。

表1　混磁电动机合理负载率下限

表2　混磁电动机合理负载率上限

2　现场试验

通过确定混磁电动机负载率合理上下限，现场应用混磁电动机开展了装机功率降级试验。

2.11#井装机功率降级现场试验

1#井现场用45 kW混磁电动机替换55 kW异步电动机。试验后，平均有功百米吨液耗电比试验前降低5.1%，无功百米吨液耗电降低95.3%（表3）。

表3　1#混磁电动机试验测试数据

2.22#井装机功率降级现场试验

2#井用22 kW替换45 kW电动机，应用22 kW混磁电动机后平均有功百米吨液耗电比试验前降低14.75%，无功百米吨液耗电降低63.1%（表4）。

表4　2混磁电动机试验测试数据

3　结论及认识

混合磁阻电动机适用于油田抽油机井高耗能异步电动机的更新匹配，可以提高电动机功率因数，提高电动机效率；通过抽油机井周期载荷系数，可以准确计算混磁电动机负载率与电动机效率关系，从而有效指导混磁电动机的现场匹配工作。现场试验装机功率最大可下降50%，有功节电率达到14.75%，满足油井产能变化所需的负载裕量。

[1]王洪武,陈业明,陈磊,等.同步磁阻电动机矢量控制研究[J].微特电动机,2015,43（4）:74-76.

[2]朱孝勇,程明,赵文祥,等.混合励磁电动机技术综述与发展展望[J].电工技术学报,2008,23（1）:30-37.

[3]魏子良.基于负载率的异步电动机经济运行的研究[J].控制工程,2003,10（5）:22-24.

[4]胡博仲.大庆油田机械采油配套技术[M].北京:石油工业出版社,1998:137.

（编辑李珊梅）

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.06.011

王永强，高级工程师，1999年毕业于华东石油大学（石油工程专业），从事油气田采油工程技术工作，E-mail：wangyongqiang1@petrochina.com.cn，地址：黑龙江省大庆油田有限责任公司第六采油厂工程技术大队，163114。

2015-12-18