白鑫 （大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠）

薩北油田節(jié)能電動機(jī)應(yīng)用效果評價

白鑫 （大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠）

電動機(jī)在采出井舉升過程中是最主要的耗電設(shè)備，在實際運行中，由于工況變化、負(fù)載波動等原因，電動機(jī)常出現(xiàn)載荷過低現(xiàn)象，運行效率低，提高電動機(jī)能效水平對生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能至關(guān)重要。通過對比節(jié)能電動機(jī)結(jié)構(gòu)原理、技術(shù)特點和節(jié)能效果，進(jìn)行了分析及綜合評價，現(xiàn)場應(yīng)用取得了很好的節(jié)能效果，有效降低了電動機(jī)裝機(jī)功率，提高了電動機(jī)功率利用率和運行效率，最終達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。

電動機(jī)；節(jié)能；適用性；評價

目前抽油機(jī)井普遍采用游梁式抽油機(jī)，由于抽油機(jī)工作時為脈動負(fù)荷和重負(fù)荷啟動，它所配用的電動機(jī)必須有較高的啟動轉(zhuǎn)矩。而目前普遍采用的與抽油機(jī)配套的Y系列電動機(jī)由于啟動轉(zhuǎn)矩偏低，配套時不得不提高電動機(jī)容量以滿足啟動的需要，這樣勢必造成電動機(jī)安裝容量過大，使其常常處于輕載運行，載荷過低現(xiàn)象嚴(yán)重，這就為使用節(jié)能型電動機(jī)提供了廣闊的空間。抽油機(jī)的電動機(jī)主要從以下三個方面實現(xiàn)節(jié)能：人為改變電動機(jī)的機(jī)械特性，主要是改變電源頻率，實現(xiàn)與負(fù)荷特性的柔性配合；改變電動機(jī)的機(jī)械特性，改善電動機(jī)與抽油機(jī)的配合；提高電動機(jī)的負(fù)載率和功率因數(shù)。根據(jù)抽油機(jī)井實際生產(chǎn)情況，近年來采油三廠推廣應(yīng)用了幾種節(jié)能型電動機(jī)，取得了良好的節(jié)能效果。

1 永磁無刷直流電動機(jī)

1.1結(jié)構(gòu)原理

永磁無刷直流電動機(jī)的原理如圖1所示。

主電路是一個電壓型交-直-交電路，逆變器提供等幅等頻20～30 kHz調(diào)制波的對稱交變矩形波。

永磁體N-S交替變換，使位置傳感器產(chǎn)生相位差120°的U、V、W方波，結(jié)合正/反轉(zhuǎn)信號產(chǎn)生有效的編碼，通過邏輯組件處理，使轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一對N-S極，T1-T6功率管即按固定組合依次導(dǎo)通。每種狀態(tài)下，僅有兩相繞組通電，依次改變一種狀態(tài)，定子繞組產(chǎn)生的磁場軸線在空間轉(zhuǎn)動60°電角度，如此循環(huán)，無刷直流電動機(jī)將產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩，拖動負(fù)載作連續(xù)旋轉(zhuǎn)。

無刷直流電動機(jī)由電動機(jī)本體和驅(qū)動器構(gòu)成，電動機(jī)的定子繞組做成三相對稱星形接法，同三相異步電動機(jī)相似。電動機(jī)轉(zhuǎn)子由釹鐵硼永磁材料構(gòu)成，在定轉(zhuǎn)子形成的氣隙中產(chǎn)生N-S極相間的方波磁場。為了使電動機(jī)繞組準(zhǔn)確換向，在電動機(jī)內(nèi)裝有位置傳感器，作為轉(zhuǎn)子極性的位置信號。驅(qū)動器由功率電子器件和集成電路等構(gòu)成，其功能是：接受電動機(jī)的啟動、停止、制動信號，以控制電動機(jī)的啟動、停止和制動；接受位置傳感器信號和正反轉(zhuǎn)信號，用來控制逆變橋各功率管的通斷，產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩；接受速度指令和速度反饋信號，用來控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速；提供保護(hù)和顯示等[1]。

圖1 永磁無刷直流電動機(jī)原理

1.2技術(shù)特點

1）永磁無刷直流電動機(jī)的位置傳感器編碼使通電的兩相繞組合成磁場軸線位置超前轉(zhuǎn)子磁場軸線位置，不論轉(zhuǎn)子的起始位置處在何處，電動機(jī)在啟動瞬間都會產(chǎn)生足夠大的啟動轉(zhuǎn)矩，因此轉(zhuǎn)子上不需另設(shè)啟動繞組。

2）由于無刷直流電動機(jī)的勵磁來源于永磁體，所以不像異步電動機(jī)那樣需要從電網(wǎng)吸取勵磁電流；由于轉(zhuǎn)子中無交變磁通，其轉(zhuǎn)子上既無銅耗又無鐵耗，所以效率比同容量異步電動機(jī)高。

3）無刷直流電動機(jī)的永磁體，采用稀土釹鐵硼材料，因此，稀土永磁無刷電動機(jī)的體積比同容量三相異步電動機(jī)縮小了一個機(jī)座號，降低了裝機(jī)功率，減少了設(shè)備成本。

4）通過驅(qū)動器控制，可以實現(xiàn)永磁無刷直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速無級調(diào)整。

1.3節(jié)能效果

目前共應(yīng)用了12臺永磁無刷直流電動機(jī)，更換前電動機(jī)平均額定功率為40 kW，選用的無刷直流電動機(jī)額定功率均為30 kW，裝機(jī)功率下降了10 kW，統(tǒng)計應(yīng)用前后效果對比，節(jié)電率為14.7%，年節(jié)電達(dá)13.14×104kWh。

2 高轉(zhuǎn)差電動機(jī)

2.1結(jié)構(gòu)原理

高轉(zhuǎn)差電動機(jī)采用高阻轉(zhuǎn)子，利用電動機(jī)的“趨服效應(yīng)”使用特殊材質(zhì)制出特殊形狀的轉(zhuǎn)子，使得轉(zhuǎn)子的阻值可以隨抽油機(jī)負(fù)載的變換進(jìn)行切換；因此，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速可以隨負(fù)載轉(zhuǎn)換，負(fù)載越大，轉(zhuǎn)速越低，避免正常運行時載荷過低現(xiàn)象（圖2）。

圖2 高轉(zhuǎn)差雙速節(jié)能電動機(jī)差雙速節(jié)

由于抽油機(jī)的輕載荷運行時間遠(yuǎn)多于重載荷運行時間,超高轉(zhuǎn)差率電動機(jī)的高效區(qū)設(shè)計在輕載荷區(qū)。雖然超高轉(zhuǎn)差率電動機(jī)的額定效率低，但其平均效率較普通電動機(jī)高得多。

2.2技術(shù)特點

1）超高轉(zhuǎn)差率電動機(jī)解決了啟動問題，以及通過降低轉(zhuǎn)速降低載荷的峰值，以便用小容量的電動機(jī)取代大容量的普通電動機(jī)；避免載荷過低，取得良好的匹配，電動機(jī)固定損耗（鐵損、機(jī)械損）及可變損耗均大大降低。

2）生產(chǎn)運行過程中（超）高轉(zhuǎn)差電動機(jī)比常規(guī)Y系列電動機(jī)平均效率高。

3）功率因數(shù)提高，減少線損和無功損耗。

4）采用6/8雙級雙速設(shè)計，滿足了油井產(chǎn)量變化時調(diào)參需要。

2.3節(jié)能效果

實施YCHD雙速高轉(zhuǎn)差率電動機(jī)后，抽油機(jī)的啟動平穩(wěn)，電動機(jī)運行正?！，F(xiàn)場測試對比，平均有功節(jié)電率為11.53%，無功節(jié)電率為77.92%，單井日節(jié)電34.7 kWh，綜合節(jié)電率為13.3%，功率因數(shù)提高了0.425，系統(tǒng)效率提高1.93個百分點。

3 低速電動機(jī)

3.1結(jié)構(gòu)原理

低速電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與普通Y系列電動機(jī)基本相同，采用中心高280 mm的定子沖片，轉(zhuǎn)子采用深槽銅條導(dǎo)條，安裝尺寸與Y系列電動機(jī)相同。三相異步電動機(jī)分為兩個基本部分：定子（固定部分）和轉(zhuǎn)子（轉(zhuǎn)動部分）。定子繞組填繞在電動機(jī)外殼的線槽內(nèi)，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于定子繞組的繞線方式，即磁極對數(shù)。磁極對數(shù)小，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速快，反之要降低電動機(jī)的轉(zhuǎn)速必須增加磁極對數(shù)。轉(zhuǎn)子是電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分，轉(zhuǎn)子由電動機(jī)軸、轉(zhuǎn)子鼠籠及其附助設(shè)備組成。轉(zhuǎn)子鼠籠中填繞有轉(zhuǎn)子繞組，轉(zhuǎn)子繞組在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下，激勵出轉(zhuǎn)子電流；轉(zhuǎn)子電流在定子的旋轉(zhuǎn)磁場力的作用下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，從而帶動電動機(jī)軸旋轉(zhuǎn)。為了降低電動機(jī)轉(zhuǎn)速就要提高轉(zhuǎn)子電流，降低轉(zhuǎn)子電阻（圖3、圖4）。

圖3 低速電動機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 低速電動機(jī)實物

低速電動機(jī)采用紫銅漆包線作為定子繞組的材料，以獲得較大的定子電流，從而提高磁場的磁場強度；采用具有良好導(dǎo)磁性能的冷軋硅鋼薄板作為轉(zhuǎn)子勵磁材料，轉(zhuǎn)子繞組采用相間排列的紫銅條和磷銅，來提高轉(zhuǎn)子電流。低速電動機(jī)是在頻率f不變的情況下，改變異步電動機(jī)的磁極對數(shù)P，這樣就可以改變其同步轉(zhuǎn)速n（n=60f/P），從而使電動機(jī)在某一負(fù)荷下的穩(wěn)定速度發(fā)生變化，達(dá)到調(diào)整抽汲速度的目的。低速電動機(jī)是通過降低抽油機(jī)沖速達(dá)到節(jié)能的目的，其特點是啟動轉(zhuǎn)矩大，可降低電動機(jī)機(jī)座型號應(yīng)用。

3.2技術(shù)特點

低速電動機(jī)是游梁式抽油機(jī)專用電動機(jī)，該電動機(jī)的特點是低轉(zhuǎn)速、小功率、具有較大的啟動轉(zhuǎn)矩，控制和消除抽油機(jī)的負(fù)轉(zhuǎn)矩，提高電動機(jī)的負(fù)載率，使系統(tǒng)效率有了較大提高。尤其適合低產(chǎn)井、間抽井，滿足抽油機(jī)低參數(shù)的要求，使抽油機(jī)減速箱的減速比大幅度下降，加大地面參數(shù)的調(diào)整范圍。因低速電動機(jī)的功率小，所以具有較好的節(jié)能效果，并且大大提高了間抽井的管理水平，大幅度改善了機(jī)、桿、泵的工作狀態(tài)。

3.3節(jié)能效果

低速電動機(jī)安裝后，平均單井有功功率降低1.02 kW，平均單井日節(jié)電24.37 kWh，綜合節(jié)電率達(dá)到20.5%，預(yù)計單井年節(jié)電2.8 t標(biāo)煤，年可創(chuàng)效益0.49萬元。低速電動機(jī)每臺約1.1萬元，投資回收期2.2年（表1）。

表1 低速電動機(jī)節(jié)能效果對比

4 伺服電動機(jī)

4.1結(jié)構(gòu)原理

伺服電動機(jī)也稱執(zhí)行電動機(jī)，它具有服從控制信號要求的職能，因而得名“伺服”電動機(jī)[2]。

伺服拖動系統(tǒng)主要由帶編碼器的稀土永磁同步伺服電動機(jī)和交流伺服控制器兩大部分組成。該系統(tǒng)采用高效永磁同步伺服電動機(jī)為驅(qū)動電動機(jī)，以自行設(shè)計的絕對式磁電式編碼器為主要伺服單元，與控制電路、功率電路、電磁鐵電源電路和人機(jī)接口的硬件設(shè)計構(gòu)成具有閉環(huán)負(fù)反饋控制的交流伺服裝置。與普通永磁同步電動機(jī)相比，結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化，減小定子渦流和電阻損耗，電動機(jī)溫升極小，取消了其他各類電動機(jī)所應(yīng)用的強制風(fēng)扇散熱方式（無風(fēng)扇）；且在正常同步運行時沒有轉(zhuǎn)子電阻損耗，在25%～150%額定負(fù)載范圍內(nèi)，均可保持較高的效率，保證了電動機(jī)在較大的負(fù)荷變化區(qū)域內(nèi)的高效運行。同時，高精度編碼器（6萬線/周）的應(yīng)用，實現(xiàn)了電動機(jī)精確的磁電控制，避免了永磁電動機(jī)應(yīng)用過程中的退磁現(xiàn)象（圖5）。

圖5 伺服電動機(jī)工作原理

4.2技術(shù)特點

1）精確的速度控制，調(diào)速方便。由于伺服控制系統(tǒng)的存在，電動機(jī)轉(zhuǎn)速可以在零至最高速（高于額定轉(zhuǎn)速）之間任意調(diào)節(jié)，調(diào)速范圍十分寬泛，調(diào)速設(shè)置非常便捷。

2）保持轉(zhuǎn)子與定子磁場垂直和精確同步，最大限度利用電流產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)了電動機(jī)精確的磁電控制，以達(dá)到節(jié)能最大化。

3）平穩(wěn)啟動，消除震動，伺服電動機(jī)可設(shè)定任意指令速度曲線，徹底消除了啟動沖擊。

4.3節(jié)能效果

通過在標(biāo)準(zhǔn)井上試驗，與普通異步電動機(jī)相比，該電動機(jī)綜合節(jié)電率達(dá)到27.6%；并根據(jù)不同類型抽油機(jī)特點進(jìn)行了優(yōu)化組合，雙驢頭抽油機(jī)匹配700 r/min的低轉(zhuǎn)速大扭矩伺服電動機(jī)，大傳動比低沖速抽油機(jī)匹配1200 r/min高轉(zhuǎn)速低扭矩電動機(jī)。與雙速電動機(jī)對比，單井低轉(zhuǎn)速大扭矩伺服電動機(jī)日節(jié)電5.1 kWh，高轉(zhuǎn)速低扭矩電動機(jī)日節(jié)電8.6 kWh，節(jié)能效果顯著。

5 評價分析

根據(jù)各類節(jié)能電動機(jī)技術(shù)特點及薩北開發(fā)區(qū)應(yīng)用的經(jīng)驗，對各種節(jié)能設(shè)備進(jìn)行分析評價（表2）。

表2 節(jié)能電動機(jī)綜合評價

6 結(jié)論及認(rèn)識

1）節(jié)能電動機(jī)具有啟動轉(zhuǎn)矩大、運行效率高的特點，現(xiàn)場應(yīng)用表明：降低了電動機(jī)裝機(jī)功率，提高了抽油機(jī)井功率利用率和系統(tǒng)效率，取得了良好的節(jié)能效果。

2）依據(jù)抽油機(jī)井不同生產(chǎn)狀況和舉升設(shè)備實際情況，實施單井個性化節(jié)能電動機(jī)設(shè)計方案，合理優(yōu)化電動機(jī)功率和電動機(jī)類型，確保抽油機(jī)井高效經(jīng)濟(jì)運行。

3）建立科學(xué)的抽油機(jī)井舉升設(shè)備節(jié)能評價方法，配套應(yīng)用節(jié)能抽油機(jī)、節(jié)能控制箱，降低油井能耗和成本，為指導(dǎo)生產(chǎn)實踐提供有力依據(jù)。

[1]唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電動機(jī)理論與設(shè)計[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：4-31.

[2]郭慶鼎.交流伺服系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994：36-58.

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.10.016

2016-05-30

（編輯 李發(fā)榮）

白鑫，工程師，1990年畢業(yè)于中國石油大學(xué)，從事作業(yè)監(jiān)督工作，E-mail：xinbai@petrochina.com，地址：黑龍江省大慶市大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠工程技術(shù)大隊管理室，163113。