游梁式抽油機(jī)兩種電機(jī)驅(qū)動的對比

［摘要］游梁式抽油機(jī)是油田普遍采用的機(jī)械抽油設(shè)備。目前采用籠形異步電動機(jī)380V配電驅(qū)動工作。文章從異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理以及380V配電線路的電壓降低進(jìn)行分析這種配電方式的局限性。結(jié)合永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對比分析兩種電機(jī)的性能指標(biāo)，認(rèn)為永磁電機(jī)更適合游梁式抽油機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)。同時(shí)，對比380V和1140V電壓等級的電壓降，1140V電壓等級符合目前油田開發(fā)零散區(qū)塊的要求。游梁式抽油機(jī)采用這種配電方式，使抽油機(jī)更加節(jié)能，1140V永磁電機(jī)應(yīng)在油田領(lǐng)域推廣。

［關(guān)鍵詞］游梁式抽油機(jī)；異步電機(jī)；永磁電機(jī)；起動轉(zhuǎn)矩；起動電流；電纜；電壓降

［作者簡介］蘇小雨，中國石化河南石油勘察設(shè)計(jì)研究院，研究方向：電力設(shè)計(jì)，河南南陽，473132；姚安梅，中國石化河南油田分公司南陽石蠟精細(xì)化工廠，河南南陽，473132

［中圖分類號］ TE3 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 1007-7723（2009）04-0040-0003

游梁式抽油機(jī)是我國目前油田開發(fā)生產(chǎn)的主要地面設(shè)備。這種抽油機(jī)的特點(diǎn)要求啟動力矩大，所配備大功率電機(jī)驅(qū)動。但是抽油機(jī)運(yùn)行起來后效率又很低，這就造成了油田常見的“大馬拉小車”的問題。各油田普遍采用普通籠形電動機(jī)驅(qū)動工作，電機(jī)配電采用從集控柜或變壓器出口敷設(shè)電纜至井口。如今一種新型永磁電機(jī)出現(xiàn)在一些油田區(qū)塊。本文將傳統(tǒng)的籠形異步電動機(jī)和永磁電機(jī)作對比分析，深入地探討永磁同步電動機(jī)和1140V配電線路應(yīng)在游梁式抽油機(jī)配電中推廣應(yīng)用。

一、電動機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理

（一）三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)

目前油田抽油機(jī)普遍配備Y系列三相異步電動機(jī)。三相異步電動機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子和附件構(gòu)成。這種電動機(jī)在油田普遍采用。

（二）三相異步電動機(jī)的工作原理

根據(jù)異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)，異步電動機(jī)運(yùn)行時(shí)，三相定子繞組外接三相對稱交流電源，三相交流電源通過三相對稱繞組產(chǎn)生一個(gè)以同步轉(zhuǎn)速n1旋轉(zhuǎn)的圓形旋轉(zhuǎn)磁場。此旋轉(zhuǎn)磁場同時(shí)切割定、轉(zhuǎn)子繞組，在定子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢。由于轉(zhuǎn)子繞組本身就是一個(gè)閉合回路，由感應(yīng)電勢產(chǎn)生感應(yīng)電流，電流與磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，異步電動機(jī)在此電磁轉(zhuǎn)矩的作用下將與磁場同向旋轉(zhuǎn)。異步電動機(jī)在正常工作時(shí)，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與氣隙中磁場的同步轉(zhuǎn)速之間必須存在一個(gè)轉(zhuǎn)差速度，從而在轉(zhuǎn)子中感應(yīng)電勢，產(chǎn)生電流和電磁轉(zhuǎn)矩。

二、新型節(jié)能永磁同步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理

1140V同步電動機(jī)在煤礦行業(yè)已經(jīng)普遍應(yīng)用，部分油田油區(qū)逐漸開始試點(diǎn)應(yīng)用。那么目前這種新型節(jié)能永磁同步電動機(jī)的優(yōu)點(diǎn)有哪些呢？下面從比較中可以看出其優(yōu)越之處。

（一）新型永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)

永磁同步電機(jī)在異步電機(jī)基礎(chǔ)上，在轉(zhuǎn)子鼠籠條內(nèi)嵌入稀土永磁鋼，采用異步啟動法、同步運(yùn)行，從性能上進(jìn)行了升級，具有結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠；體積小，質(zhì)量輕；損耗少，效率高的特點(diǎn)。不需要無功勵磁電流，可以顯著提高功率因數(shù)，減少了定子電流和定子電阻損耗，無功損耗少，節(jié)約了無功功率，功率因數(shù)提高到0.9以上。同時(shí)，由于定子永磁的固有磁性，減少了對電網(wǎng)變壓器的無功需求，降低了電機(jī)配備的變壓器容量，電動機(jī)的銅損和鐵損耗亦大幅減少，提高了電機(jī)固有效率，從而使其效率比同規(guī)格感應(yīng)電動機(jī)可提高2%～8%。同時(shí)還具有曲線平坦、啟動轉(zhuǎn)矩大、過載能力強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，非常適合于抽油機(jī)的特殊運(yùn)行工況。

（二）永磁電機(jī)的特點(diǎn)

異步電動機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)必須依靠定子從電源吸收感性的無功功率來建立氣隙磁場，其功率因數(shù)總是滯后的。而同步電動機(jī)與其相比，其特點(diǎn)有兩方面：一方面，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速恒定為同步轉(zhuǎn)速n1=60f/p，因此當(dāng)電網(wǎng)的頻率一定時(shí)，同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速即為恒定值。只有轉(zhuǎn)速為恒定轉(zhuǎn)速時(shí)，才能產(chǎn)生恒定方向的電磁轉(zhuǎn)矩。另一方面，同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子本身具有勵磁，且勵磁磁場不依賴于轉(zhuǎn)子，所以同步電動機(jī)屬于身邊勵磁。因而改變轉(zhuǎn)子勵磁電流的大小可以改變定子從電網(wǎng)中吸收或發(fā)送的無功功率。所以，同步電動機(jī)的功率因數(shù)是可以調(diào)節(jié)的。

（三）普通380V電機(jī)及永磁同步電機(jī)主要性能指標(biāo)對比

通過表1比較可知：永磁同步電機(jī)的啟動力矩是普通電機(jī)1.28～1.35倍，永磁同步電機(jī)其最大的優(yōu)點(diǎn)是啟動力矩大，這樣采用永磁同步電機(jī)可減少電機(jī)裝機(jī)容量，可以減少20％左右，原來55kW的普通電機(jī)可以更換為45kW的永磁電機(jī)，可以使抽油機(jī)的裝機(jī)功率降低一級，徹底解決油田存在抽油機(jī)驅(qū)動電機(jī)的“大馬拉小車”的能源浪費(fèi)問題，并且降低了配電設(shè)備的容量，達(dá)到節(jié)能效果。

三、電壓降對電動機(jī)的影響

（一）電壓降對電動機(jī)啟動的影響

下面根據(jù)異步電動機(jī)的工作原理分析電動機(jī)在啟動時(shí)電壓降對它的影響。電動機(jī)啟動時(shí)在配電系統(tǒng)中要引起電壓下降。當(dāng)異步電動機(jī)啟動時(shí)：

啟動電流

啟動轉(zhuǎn)矩

由以上公式可以看出：啟動電流由短路阻抗限制，而異步電動機(jī)的短路阻抗很小，故啟動電流很大，一般可以達(dá)到額定電流的5～7倍，甚至更高。啟動瞬間氣隙中磁通減少為正常運(yùn)行時(shí)的一半左右。另外，由于啟動時(shí)

漏抗x2'遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)子電阻r 2'故cosα很低，約為0.2，所以導(dǎo)致電動機(jī)啟動時(shí)，啟動電流很大而啟動轉(zhuǎn)矩并不大。這就是普通異步電動機(jī)啟動性能較差的原因。了解了這些啟動特點(diǎn)，我們來分析抽油機(jī)常用的電動機(jī)。一臺電動機(jī)出廠后，其阻抗也隨之而確定。根據(jù)啟動電流和啟動轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式可知，啟動電流的大小此時(shí)取決于電動機(jī)端子電源電壓U1。因此，保證U1的電壓降也就保證了電動機(jī)的啟動和平穩(wěn)運(yùn)行。抽油機(jī)所配備的電動機(jī)絕大多數(shù)采用直接全壓啟動的方式。因此，抽油機(jī)電動機(jī)啟動性能決定端子電源電壓的電壓降低。

（二）電壓降對電動機(jī)運(yùn)行的影響

電動機(jī)啟動和平穩(wěn)運(yùn)行均受到端子電源電壓影響，而電動機(jī)啟動時(shí)在配電系統(tǒng)中勢必引起電壓下降。電動機(jī)啟動時(shí)，其端子電壓應(yīng)至少能保證被拖動機(jī)械負(fù)載要求的啟動轉(zhuǎn)矩，且在配電系統(tǒng)中引起的電壓降低不應(yīng)妨礙其他配電設(shè)備工作。因此規(guī)范規(guī)定：電動機(jī)啟動時(shí)，配電母線上的電壓不應(yīng)低于系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的90%。也就是說電動機(jī)的配電線路電壓降低不得高于10%。那么電動機(jī)在帶額定負(fù)載正常工作時(shí)，如果端子電源電壓降低將會對電動機(jī)產(chǎn)生嚴(yán)重后果。由于異步電動機(jī)的最大電磁轉(zhuǎn)矩與電源電壓的平方成正比，電源電壓降低，最大電磁轉(zhuǎn)矩將成平方倍地降低。因此，如果電源電壓降低過多，以至于Tm＜TN時(shí)，電動機(jī)將帶不動額定負(fù)載而停轉(zhuǎn)。例如，某臺異步電動機(jī)的過載能力km=2，若電源電壓降至0.7UN，此時(shí)異步電動機(jī)的最大電磁轉(zhuǎn)矩T'm=0.72Tm=0.49×2×TN=0.98TN＜TN，電動機(jī)停轉(zhuǎn)。另一方面，即使電源電壓降低T'm＞TN，電動機(jī)不至于停轉(zhuǎn)，由于T=CTΦmI'2cosφ'2可知，降低電源電壓U1，主磁通Φm幾乎成正比例地減小；而負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，即穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩不變，I'2將增加。根據(jù)異步電動機(jī)磁勢平衡關(guān)系可知，定子電流也相應(yīng)增加，此時(shí)I1＞I1N，I2＞I2N。如果異步電動機(jī)帶額定負(fù)載長期在低電壓下運(yùn)行，將燒毀電機(jī)。

四、配電電壓等級對比

（一）電纜線路電壓降的理論計(jì)算

目前抽油機(jī)配電線路大都采用電纜直埋方式給電動機(jī)供電。這里所討論的抽油機(jī)屬于三相平衡負(fù)荷。三相平衡負(fù)荷的電壓 降計(jì)算公式為：

公式中：——線路電壓降，%；

UN——系統(tǒng)標(biāo)稱電壓，Kv；

I——負(fù)荷電流，A；

——負(fù)荷功率因數(shù)；

l——線路長度，km；

a——三相線路單位電流長度的電壓損失，%/(A×km)；

R'、X'——三相線路單位長度的電阻和電抗，Ω/km。

這里所涉及到的電阻和電抗的計(jì)算，可以查電氣設(shè)計(jì)手冊得其大小。

（二）電纜配電的電壓降比較

根據(jù)以上理論分析，下面介紹電纜配電線路的電壓降。目前油田所應(yīng)用的電動機(jī)多數(shù)為表1所介紹的電動機(jī)。根據(jù)電壓降計(jì)算公式算出電動機(jī)所允許的最大電壓降10%的情況下電纜線路的合理供電半徑，均列在表2中。

從表2比較可以看出：按規(guī)范要求在電纜電壓損失不小于10%時(shí)，380V電纜合理的供電距離在257～362m范圍內(nèi)，一般超過300m就要增加油井電纜截面，增加了電纜投資費(fèi)用。而1140V電纜供電距離可以達(dá)到１ｋｍ以上。并且對比可以看出：1140V電纜供電距離約是380V的3倍，具有供電距離長、油井電纜截面小等優(yōu)點(diǎn)。

五、具體油井配電方式的對比

下面結(jié)合實(shí)例，說明1140V新型節(jié)能永磁電動機(jī)的優(yōu)越性。

例：某油田企業(yè)新建偏遠(yuǎn)油井一口，抽油機(jī)采用CYJy124.8-73HB型抽油機(jī)，距變壓器500m。請做配電設(shè)計(jì)。

方案一：根據(jù)抽油機(jī)所需力矩，選擇380V普通電動機(jī)Y2-280S-6。電動機(jī)功率為55KW，電流為104.7A，功率因數(shù)為0.86。根據(jù)負(fù)荷計(jì)算選擇一臺S11-MR-80KVA 10/0.4變壓器。再根據(jù)電纜載流量選擇鋁芯聚乙烯電力電纜VLV22-1KV 3×35+1×16。下面進(jìn)行電壓降的驗(yàn)算。

查設(shè)計(jì)手冊得到：R'=0.954Ω/km，X'=0.072Ω/km，加上已知條件l=500m=0.5km，= 0.86，將這些數(shù)值代入

顯然這種配電方式的電壓降 ＞10%，大于電動機(jī)允許的最大電壓降，要減少電壓降就要增大電纜截面，把電纜截面增大為50mm2。選用電力電纜VLV22-1KV 3×50+1×25。同樣按照上述計(jì)算方法得到：顯然增大截面后壓降低于10%滿足電動機(jī)供電要求。

方案二：同樣根據(jù)抽油機(jī)所需的力矩，選擇1140V永磁電機(jī)，電動機(jī)功率仍按45KW考慮，電流為24.4A，功率因數(shù)為0.96。根據(jù)負(fù)荷計(jì)算選擇一臺FQ-S11-MR-80KVA 10/1.14變壓器。再根據(jù)電纜載流量選擇鋁芯聚乙烯電力電纜VLV22-1.14KV 3×16。下面進(jìn)行電壓降的驗(yàn)算。

顯然這里的電壓降低遠(yuǎn)小于10%，并且這種供電方式的電纜截面比方案一小2個(gè)等級。綜合以上分析對比，應(yīng)用1140V電壓等級進(jìn)行配電，電纜截面不但可以降低，而且同時(shí)電壓降也可以大大降低。

六、應(yīng)用效果和認(rèn)識

以某油田企業(yè)為例，目前某油田采油一廠通過異步電機(jī)改換永磁同步電機(jī)對比測試結(jié)果(見某油田分公司節(jié)能檢測站提供的測試報(bào)告：JCBGD2004-24)可知，平均有功節(jié)電率為6.07％，平均綜合節(jié)電率為24.61％。通過對游梁式抽油機(jī)配電方式的對比，發(fā)現(xiàn)1140V的永磁電機(jī)更適合目前油田原油的開發(fā)和生產(chǎn)。本文從異步電動機(jī)分析入手引出永磁電機(jī)，又對380V電壓等級供電范圍和1140V進(jìn)行比較，得出結(jié)論：這種新型的配電方式達(dá)到了很好的節(jié)能效果。因此，1140V永磁電機(jī)應(yīng)在油田領(lǐng)域大力推廣。

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