混磁同步电动机节能应用探讨

刘连锋（大庆油田自动化仪表有限公司）

1 油田电动机应用现状存在问题

1.1 应用现状

电动机是石油生产的主要动力，其耗电量占原油生产的比重很大，机械采油、注水、油气集输三大系统的电力驱动装置几乎全部为电动机，因此可以说电动机是油田的主要用电设备，占总耗电量的80%，其中绝大多数采用普通三相异步电动机，耗电总量呈逐年上升趋势，因此电动机的节能已成为油田节电的主要领域[1]。

油田配电网的负荷绝大多数为感应电动机所带的泵类负荷[2]，油田内的电动机除注水电动机以外，其它用途的电动机轻载现象非常普遍。以采油三厂北一丁一排西段线路为例，该线路有23 处负荷结点，连接的电动机总功率为1 289 kW，而该线路正常运行的有功负荷仅为249 kW，电动机平均负载率仅为24.6%。

由感应电动机典型运行特性曲线可知，电动机在满载附近运行效率和功率因数较高，而在轻载时效率和功率因数显著下降，当负荷低于30%额定容量时，电动机效率低于60%，功率因数低于0.4。

造成油田内电动机轻载现象的原因，主要是油田内使用普通电动机和淘汰型电动机占多数，这些电动机启动转矩或最大转矩与额定转矩的比例相对较小，所以人们在给设备配置电动机时，出于对设备启动和安全运行的考虑，不得不选择容量较大的电动机。如果在选择时，留有的裕度很大，就会使电动机严重轻载[3]。

电动机轻载运行一方面会给电网带来不良后果[4]，使电网运行功率因数下降，网损率增加，另一方面为防止这种后果发生，人们不得不采取无功补偿、调压运行等措施，又增加了节能设备的投资[5]。

1.2 节能措施存在问题

当前油田上常使用的节能电动机产品为：高转差电动机和永磁同步电动机[5]。

应用新型节能电动机替代普通电动机，是解决对于油田内经常连续运行的高耗能电动机应更换节能型，以提高设备运行效率，并降低损耗，是解决此问题的一条途径。根据实测计算，两种节能电动机的节能效果见表1。

表1 节能电动机的节能效果

高转差电动机是异步电动机的一种，相比普通异步机，具有较高的运行柔性，其效率特性与异步机类似，从能量转换效率方面并不比普通异步电动机节能，但由于其转差率较高，在实际运行中表现出较大的柔性[6]。在抽油机拖动电动机运转的状态下，只有电动机加速到同步转速之上才发电制动，由于其额定转速与同步转速之差较大，整个提速过程可储存较大动能，在抽油机转过不需拖动运行的区间后，这部分能量自然用于拖动系统运行，从而产生节能效果。这个过程完全有电动机特性和抽油机状态决定，完全不受控制。同时，高转差电动机无法调速，无法便捷地配合采油工艺需要随时调冲次，实际生产中，在井况变化较大的油井应用时节电效果不明显。

永磁同步电动机由于采用永磁体作为转子材料，所以没有转子损耗，电动机效率高，但是由于其电动机的特性比异步电动机还要硬（电动机基本上没有速降），没有办法改善系统效率，节电效果一般。同时由于油井的复杂工况，会出现结蜡，砂堵等现象导致负载急剧增加，电动机电流和温度会急剧增加，而永磁电动机的永磁体在高温或强磁场反向激磁条件下，会产生退磁现象，退磁后，电动机效率急剧下降。负载过大、堵转时，相对散热不足，会引起温度过高，使永磁体退磁，目前这种退磁现象可通过加装温度继电器等措施有效避免。强磁场反向激磁相当于对永磁体充磁的相反过程。当前油田上应用的永磁同步电动机，其启动是一个强电流异步运行过程，必然会造成强磁场反向激磁。在运行过程中，如果负载过大，会造成不同步运转现象，同样会造成反向激磁[7]。一旦永磁体磁场处于不饱和状态，其退磁速度会逐渐加快，最终造成永磁体磁场大幅度减弱，两种电动机节能特点见表2。

表2 两种电动机节能特点的对比

1.3 解决方法

油田电动机节能主要从以下两个方面：从电动机本身考虑：提高电动机的效率和负载率；从系统考虑，改变电动机的机械特性使得机，杆，泵整个系统达到较好的配合，提高系统效率[8]。

2 混磁同步电动机的应用

2.1 抽油机专用混磁同步电动机

2.1.1 原理

不同于传统电动机依靠转子绕组电流产生的磁场间相互作用而形成转矩，VTR 系列混磁同步电动机遵循磁阻最小原理：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[9-10]。

2.1.2 效率特性

由于同属于同步电动机的范畴，VTR 系列混磁同步电动机具有同永磁同步电动机相同的特性，转子转速与定子旋转磁场完全同步。混磁同步电动机与三相异步电动机损耗对比见图1，混磁同步电动机与三相异步电动机有效负载区对比见图2，混磁同步电动机与三相异步电动机力矩特性对比见图3。

图1 两种电动机损耗对比

图2 两种电动机有效负载区对比

图3 两种电动机力矩特性对比

2.2 混磁同步电动机应用特点

相比较永磁同步电动机而言：具有永磁同步电动机低速大力矩，转子无损耗，节能效果优异，由于不采用稀土材料，规避了永磁同步电动机不稳定的缺点[10]。

相对于异步电动机而言：具有免维护，寿命长，稳定性高的特点。

2.3 实现功能

磁同步电动机是结合了高转差电动机和永磁同步的优点，既能够保有永磁同步电动机高效率的特点，又可以像高转差电动机那样能够改变电动机的机械特性来提高抽油机的系统效率，达到节能的效果。通过高精度的转矩控制，采用转矩与速度曲线，使得抽油机专用混磁同步电动机能够在受到大负荷的时候，出现速降，当负载降低，速度快速提升。改善机、杆、泵的配合，提高泵的充满度。提高游梁式抽油机的系统效率。有效的降低了抽油杆的负载冲击，延长杆，减速机的寿命。

2.4 主要指标

1）混磁同步电动机系统节电率可以达到20%以上（相比较三相异步电动机）。

2）混磁同步电动机如配合伺服控制系统输入侧功率因数可以达到0.98 以上，有效的降低线损及装机容量。

3 应用效果

混磁同步电动机在采油六厂二矿205 队喇5-2411 油井安装试用，在实际运用过程中工作效率大大提高，安装调试后，投入运行三个多月，状态良好，安全可靠，喇5-2411 油井电动机对比测算见表3。

表3 喇5-2411 油井电动机对比测算

在该系统安装前系统效率为32.01%，安装后系统效率为39.75%，有功节电率为19.21%，无功节电率为79.41%。经过计算综合节电率为23.91%。按综合节电率超出15%计算，应用混磁同步电动机，每口井平均年节约电费约2 万余元，随着新建机采井数量的增加，节电的效益将更大。

4 结论

混磁同步电动机在实际生产应用过程中，真正实现了节能，稳定性高的特点，提高了油田管理效率，降低管理成本，是很有发展前途的一种新型电动机，它的开发将为我国节能电动机和高性能电动机的发展开辟一条新的途径，其突出的节能效果值得在油田系统中得到推广应用。