螺杆泵永磁电动机节能技术评价

兰云泊（东北石油大学）

螺杆泵永磁电动机节能技术评价

兰云泊（东北石油大学）

TNMB稀土永磁三相同步电动机具有高效节能的优点，2010年，在油田应用螺杆泵永磁电动机42口井。通过实测，单井有功功率下降1.31kW，下降19.28个百分点；无功功率下降8.0kvar， 下 降 81.13 个 百 分 点 ； 功 率 因 数 提 高 0.39， 日 节 电 达 31.44kWh， 综 合 节 电 率21.03%。42 口井可实现年节电 47.53×104kWh，节约电费 28.26万元，投资回收期 6～8个月。

螺杆泵井 永磁电动机 节能技术

稀土永磁电动机是使用钕铁硼稀土永磁材料，采用异步起动、同步工作方式，由于转子转速与定子旋转磁场完全同步，无转差损耗，而且在电动机正常运转过程中转子不需外加励磁电流，因而无励磁损耗，不仅能在额定负载时有较高的效率和功率因数，而且在轻载时也能有较高的效率和功率因数。

1 基本结构和工作原理

稀土永磁同步电动机和普通电动机的基本结构相同，主要区别在于转子结构的不同，永磁电动机在转子导条内侧开二极镶嵌槽，镶嵌钕铁硼永磁材料作为磁极，由永磁体提供的磁通替代励磁绕组励磁，和普通电动机一样，永磁电动机定子装有三相对称的绕组，当接至三相交流电源时，流入定子绕组的三相对称电流就将在电动机的气隙内产生一个以 同步转速 no的 旋 转磁场[1]。

对于异步电动机，如图1所示，其转子导体被旋转磁场的磁力线切割时，导体内将产生感应电势。在转子回路闭合的情况下，转子导体中就有电流流过。载流导体在磁场中会受到电磁力的作用，以 n 次的转速与旋转磁场同向旋转，其中 n＜no，如转子与生产机械相联，则转子受到的电磁转矩将克服负载转矩而做功，从而实现了将电能转化为机械能的过程。

永磁电动机工作原理是：当同步电动机的定子绕组通入三相交流电后，装有鼠笼导条的转子开始启动，由于其转子为永磁体，如图2所示，旋转磁场就带动永磁转子，以n次的转速与旋转磁场同向旋转 （其中 n=no）。

图1 鼠笼式电动机

图2 稀土永磁转子电动机

永磁同步电动机与异步感应电动机相比，不需要无功励磁电流，可以显著提高功率因数，减小了定子电流和定子电阻损耗，而且在稳定运行时没有转子电阻损耗，从而效率大大提高。永磁同步电动机在 25%～120%额定负载范围内均可保持较高的效率和功率因数，使轻载运行时的节能效果更为显著。

2 TNMB稀土永磁三相同步电动机优点

2.1高效节能

永磁同步电动机无滑差、无电励磁、转子无基波铁铜损耗。转子永磁体励磁，无需无功励磁电流，功率因数提高，无功功率减少，定子电流下降，定子铜损减少，效率提高。该种电动机的级弧系数大于异步电动机的级弧系数，当电压和定子结构一定时，该电动机平均磁感应强度比异步电动机小，铁损耗小。由于该电动机的不变损耗小，可变损耗比异步电动机慢，这样效率特性高而平，节能效 果明显[2]。

2.2体积小、质量轻

由于稀土永磁电动机比异步电动机级弧系数大，电动机在电负 A和气隙感应 Bð相同的情况下，体积和质量减少。由于稀土感应强度具有高剩磁密度、高矫顽力和高磁能的特点，该电动机有较大的气隙磁密，从而可以缩小电动机体积，另外，从热负荷角度分析，永磁电动机效率高、功率因数高、发热少， A、 Bð可适当提高，使电动机有效体 积减少， 质 量 减 轻[2]。

2.3转速与频率成正比

永磁同步电动机的转速与频率成正比，这一特点 适于转速 恒 定 和 精 确同步的 驱 动 体 系[2]。

2.4启动力矩大、过载能力强

由于稀土永磁同步转子主磁钢采用高矫顽力永磁材料，在正确地设计选择气隙、永磁体磁条、槽形的情况下，可有较大力矩。永磁同步电动机可替代比它大1～2倍功率等级的异步电动机，最大转矩 可达 3.6 倍[2]。

3 螺杆泵永磁电动机选井原则

根据电动机的性能和节能工作的需要，选择更换永磁电动机遵循以下几个原则：

◇ 线路额定电压 380V；

◇ 额定频率 50Hz；

◇ 载荷不大于 100kN；

◇电动机外型尺寸一致，便于安装更换。

根据以上原则，选择了42口螺杆泵井安装使用永磁电动机，其中电动机功率 7.5kW 的井 6 口，电动机功率 11kW 的井 25 口，电动机功率 18.5kW的 井 11 口[3，4]。

4 现场应用情况及节能效果

对42口井使用宽温综合测试仪进行测试，安装永磁电动机后，有功功率下降了 19.28%，无功功率 下 降 81.13% ， 功 率 因 数 提 高 了 0.39， 日 节 电31.44kWh，系统效率上升了 6.4%，见表2。

表2 永磁电动机与普通异步电动机能耗数据对比

对于不同功率的电动机，功率越低，综合节电率越高，42口油井更换后平均达到21.04%，见表3。

表3 不同功率电动机节电情况对比

安装后，螺杆泵运转正常，电流明显下降。截至目前，永磁电动机平均运行周期 809d，最长的已达 821d，所有电动机均平稳运行，未出现异常现象。

投入：以 11kW电动机为例，更换一台永磁电动机增加投入 0.38 万元 （普 通的 11kW 电动机 0.34万元，稀土永磁同步电动机 0.72 万元）。

产 出 ： 单 井 日 节 电 31.44kWh， 年 节 电 1.13× 104kWh，节约电费 0.67 万元。

投入和产出比为1∶1.76。投资回收期6～8个月。

5 几点认识

1）稀土永磁电动机不仅结构简单合理，而且可以直接替换Y系列异步电动机使用。

2）稀土永磁电动机的效率和功率因数均较高，节电效果明显。

3）永磁电动机投资回收期较短，经济效益显著。

4）螺杆泵使用的都是 Y 系列异步电动机，属非节能型电动机，永磁电动机应用潜力很大。

[1] 王群京,邓梯康,姚有光.稀土永磁钕铁硼高性能同步电动机的研制[J].合肥工业大学学报,1996(3):12-13.

[2] 蒋云.稀土永磁同步电动机节能效果分析[J].机电技术,2000(4):18-19.

[3] 于松义,陆克山.稀土永磁同步电动机在机械采油中的应用[J].能源研究与利用,2006(5):24-25.

[4] 马雷,曹志彤.稀土永磁同步电动机动态转矩分析[J].微电动机,1994(3):27-28.

10.3969/j.issn.2095-1493.2013.007.017

2013-05-06）

兰云泊，东北石油大学（电子信息工程专业）在读，在校期间参加局域网组建实训、网站建设实训、VFP实训等专业课培训 工 作 ， E-mail： Lanhy2007@126.com， 地 址 ： 黑 龙 江 省 大 庆 市 高新开发区发展路199号东北石油大学，163001。