抽油机用永磁同步电动机选型技术要求2013

抽油机用永磁同步电动机选型技术要求二O一三年五月Q/SH0451-2012二永磁同步电动机在抽油机上的应用分析一标准背景及起草过程主要内容三标准条文说明解释四永磁同步电动机在现场使用应注意的几个问题第一部分标准背景及起草过程根据股份公司2010年中国石化企业标准制修订项目计划（项目计划编号2010-044），为规范永磁同步电动机的选用，促进企业提高节能技术水平和管理水平，由中国石油化工股份有限公司勘探开发事业部提出，中国石油化工股份有限公司科技开发部归口，胜利油田分公司技术检测中心负责起草该项标准。1任务来源2目的意义永磁同步电动机与异步电动机相比，具有启动转矩大、高效区宽、功率因数高（可达0.9以上）等优点，已经被油田所接受，并成为了抽油机动力装置主要设备。但目前进入油田市场的永磁电动机品牌繁杂，质量、性能、节电效果不一，而其检测评价没有相关的国标、行标，某些参数只能以异步电动机标准作为参考，但其特有参数，比如：反电势点等没有可参考的依据，为对进入油田市场的永磁电动机的各项性能指标、现场使用条件进行规范，特编写本标准。这项标准的起草和出台，将有助于采购部门及使用部门科学、合理的对抽油机用永磁同步电动机的性能进行评价，有助于规范油田市场。3起草工作简要过程标准起草工作小组先后奔赴现场使用数量较大、用户反映良好的5个永磁同步电动机制造厂，针对永磁同步电动机的特点，对永磁同步电动机的技术参数以及技术使用难点进行了交流，主要交流问题包括：1.1电动机的机座号与转速及功率的对应关系；1.2电动机在功率、电压、频率为额定值时，其空载损耗、效率和功率因数保证值；1.3额定电压下，电动机的堵转转矩与额定转矩之比应不低于的保证值；1.4额定电压下，电动机堵转电流与额定电流之比；1.5不同负载下效率、功率因数的变化；1.6空载反电势的测定；1.7是否具备相应的试验设备和试验方法；1.8了解各厂家电动机使用的磁钢性能以及定子、转子矽钢片的使用情况。1永磁同步电动机生产厂家调研统计2007年以来的的试验室测试数据，主要包括空载测试参数、负载测试参数、堵转测试参数。2007年永磁同步电动机试验室测试数据，包括不同功率、不同极数永磁同步电动机的空载损耗、空载反电势，不同负载率下的电动机功率因数、电动机效率。2008年、2010年永磁同步电动机试验室测试数据，包括不同功率、不同极数永磁同步电动机的空载损耗、空载反电势，不同负载率下（负载率为25%、50%、75%、100%、120%）的电动机功率因数、电动机效率。2试验室试验3起草工作简要过程电源380V、50HZ电动机接线盒电能测试仪空载电参数测试原理图3起草工作简要过程2试验室试验电能测试仪电源380V、50Hz电动机电能测试仪发电机反馈回电网转矩转速仪试验室效率测试接线示意图3起草工作简要过程2试验室试验试验室电机堵转转矩测量装置示意图1.连接法兰盘2.传力杠杆3.传感器4.上安装板组件5.调整垫块6.下安装板组件7.数据处理单元8.PC机3起草工作简要过程2试验室试验永磁同步电动机在堵转时振动较剧烈，各个转矩分量都是变换很快的瞬态量，这些都使永磁同步电动机转矩、转速测试较异步电机困难，目前国内还没有永磁同步电机堵转转矩测试仪器，堵转转矩都是根据理论计算得出，无法实现堵转转矩的实测，造成电机生产厂家的标注混乱，与电机实际堵转转矩相差大。转矩测试采用的电机堵转转矩测试装置，能在1s内采集600个点，并通过信号调理模块将应变电信号转换成232格式，通过电脑可清晰的看出瞬时堵转数据并通过软件计算出电机堵转转矩。电动机的堵转转矩具体测试方法是将钢臂一端固定在电机转轴上，另一端放在压力传感器上。对电机施加电压，测试其堵转转矩。3起草工作简要过程2试验室试验主要包括2008年、2010年现场永磁同步电动机现场测试数据。3起草工作简要过程3现场测试4数据统计分析5征求其他油田有关单位和专家的意见，提出本标准的征求意见稿统计2007年以来的的试验室及现场试验、测试数据，统计数据包括：4.1空载损耗、空载反电势；4.2不同负载下的电动机效率、功率因数；4.3堵转转矩、堵转电流；4.4现场运行电压、功率因数及电动机功率利用率等参数。第二部分永磁同步电动机在抽油机上的应用分析抽油机用节能电动机主要包括双功率电机、直线电机、高转差电机、电磁调速电机、磁阻电机、抽油机专用永磁同步电机、齿轮减速电机等，它们各有优缺点。实验测试结果说明，抽油机专用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。特别其容性无功特性是其他电机无法比拟的。因此在抽油机上应为首选电机。1抽油机用节能电机类型原理及优点缺点普通Y系列电机油田抽油机上应用的最多，约占80%，价格低，稳定可靠，是一种传统电机在抽油机上应用效率较低，没有特色双功率电动机两个电机同时启动，启动后，根据负载情况自动确定大功率还是小功率段运行。电机启动电流小，启动转矩小，启动时的电压降小配电柜需加装集成电路控制板，使控制线路复杂，且损耗大、效率低、功率因数低，与其他节能电机相比，在抽油机上并无优势可言直线电机电机的旋转运动变成了直线运动，电机支架取代了抽油机；电机直接拖动抽油机杆上下往复运动，省去了所有的减速传动设备；占地面积较小。电机自身效率较低，控制线路复杂，产生谐波分量较大,引起变压器的电压波形畸变；价格较高高转差电机启动转矩大、电流小，启动时的电压降较小。无功节电较明显，电机功率因数有所提高转差大，铜耗正比于转差率，铜耗增加，发热严重，效率不高电磁调速电机一部分是普通的Y系列电动机，另一部分是电磁调整部分。比较容易调整抽油机的冲次体积大，重量大，成本高，电磁调整系统要多耗一部分电能，因此，整体效率很低，其额定效率仅为60%—70%磁阻电机速度调整非常方便，比较容易调整抽油机的冲次控制线路复杂，产生谐波分量较大引起变压器的电压波形畸变；噪声很大。且整套系统效率不高齿轮减速电机输出转速很低，180—300转/分，齿轮传送效率较高。在低产液量井上使用效率提高特别明显，体积小重量轻，价格低，电机额定功率大幅下降4—5个功率等级效率、功率因数较低且有机械减速部分，每年有部分的维护工作量1抽油机用节能电机2替代异步电机优势1、效率与功率因数高异步电机在工作时，转子绕组要从电网吸收部分电能励磁，消耗了电网电能，这部分电能最终以电流在转子绕组中发热消耗掉，该损耗约占电机总损耗的20~30%，它使电机的效率降低。该转子励磁电流折算到定子绕阻后呈感性电流，使进入定子绕阻中的电流落后与电网电压一个角度，造成电机的功率因数降低。另外，从永磁同步电机与异步电机的效率及功率因数曲线可以看出，异步电动机在负载率50%时，其运行效率和运行功率因数大幅度下降，所以在抽油机上运行时效率不高。永磁同步电动机在转子上镶嵌了永磁体后，由永磁体来建立转子磁场，在正常工作时转子与定子磁场同步运行，转子中无感应电流，不存在转子电阻损耗，只此一项可提高电机效率4%~5%。由于在永磁同步电动机转子中无感应电流励磁，定子绕组有可能呈纯阻性负载，使电机功率因数几乎近于1.2替代异步电机优势永磁同步电动机转子结构图2、启动转矩大异步电机启动时，要求电机具有足够大得启动转矩，但又希望启动电流不要太大，以免电网产生过大的电压降落而影响接在电网上的其他电机和电气设备的正常运行。此外，启动电流过大时，将使电机本身受到过大电磁力的冲击，如果经常启动，还有使绕组过热的危险。永磁同步电动机一般也使用异步启动方式，由于永磁同步电动机在正常工作时转子不起作用，在设计永磁同步电动机时，可使转子绕组完全满足高启动转矩的要求，例如使启动转矩倍数由异步电机的1.8倍上升到2.5倍，甚至更大，较好的解决了动力设备中的“大马拉小车”的现象。2替代异步电机优势3、工作温升降低由于异步电机工作时，转子绕组有电流流动，而这个电流完全以热能的形式消耗掉，所以在转子绕组中将产生大量的热量，使电机的温升升高，影响了电机的寿命。由于永磁同步电动机效率高，转子绕组中不存在电阻损耗，定子绕组中较少有或几乎不存在无功电流，使电机温升低，延长了电机的使用寿命。2替代异步电机优势4、对电网运行的影响因异步电机的功率因数低，电机要从电网中吸收大量的无功电流，造成电网、输变电设备及发电设备中有大量无功电流，进而使电网的品质因数下降，加重了电网及输变电设备的负荷，同时无功电流在电网、输变电设备及发电设备中均要消耗部分电能，造成电力电网效率变低，影响了电能的有效利用。同样由于异步电机的效率低，要满足输出功率的要求，势必要从电网多吸收电能，进一步增加了电网能量的损失，加重了电网负荷。在永磁同步电动机转子中无感应电流励磁，电机的功率因数高，提高了电网的品质因数，使电网中不再需要安装补偿器。同时，因永磁同步电动机的效率高也节约了电能。2替代异步电机优势使用抽油机专用永磁电机替代普通电机，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.抽油机专用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30kW永磁高效同步电动机替代55kW异步电机平均节电1.5kW左右，按年运行8000h计算，每年可节电12000kWh。3替代异步电机效益分析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%。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100m,截面积为25mm2。电流的下降，使单井低压电缆有功损耗减少0.5—0.7kW；变压器容量的减少，自身损耗减少0.3kW左右；一条带10口井的6000V线路可减少高压线路损耗约3.9kW。3替代异步电机效益分析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。3替代异步电机效益分析永磁同步电动机机在抽油机上的应用，人们最担心的是退磁问题。曾抽测6个生产厂家的12台在用永磁同步电机，其中4家的主要参数合格率为零，主要是用磁体的质量不过关；2家的全部合格。不合格的主要原因是：据调研，国内永磁体正规生产厂的设备先进，检验设备齐，工艺过程全部真空化，产品的质量好。一些设备陈旧，检验设备不全，工艺落后的厂家生产的永磁体各项性能参数很难做到长期稳定。因此，必须要求该电机厂选用正规生产厂家的永磁体。4现场使用的几个问题1.退磁问题五类磁钢：铝镍钴磁钢、铁氧体磁钢、烧结钕铁硼、粘接钕铁硼、钕铁硼磁钢每类产品按最大磁能积大小划分若干个牌号：N35—N52,N35M—N50M，N30H—N48H,N30SH—N45SH，N28UH—N35UH,N28EH—N35EH磁钢N38SH：N38是磁钢性能标号，SH是耐温标号，耐温120度。1.退磁问题4现场使用的几个问题为此，我们可以从永磁同步电机中拆出所有永磁体，从每台中随机抽取几块，用大块稀土永磁无损测量装置测试永磁体的剩磁、磁感矫顽力、内禀矫顽力、最大磁能积，与标准比对，即可知道永磁体是否退磁。选择合理标号的磁钢，可以有效防止电退磁。1.退磁问题4现场使用的几个问题抽油机电机运行时负载率都很低，而启动时又需要大的启动转矩，因此，人们在选择永磁同步电机时总希望启动转矩倍数大的电机，这样可以降低抽油机配备电机的额定功率，进而提高电机的负载率，达到节电之目的。但在抽油机工作状况下，部分生产厂家的永磁同步电机启动转矩倍数远低于说明书中的指标，故抽油机启动困难，甚至无法启动。主要原因是：低压线路较长，启动电流过大（实测在10倍额定电流以上，有的在启动开始的前2个周波达到18倍），导致变压器及低压线