油田抽油機(jī)永磁電動機(jī)反電勢點問題探討

郭連君

（中石化勝利油田分公司 技術(shù)監(jiān)督處，山東 東營 257237）

1 現(xiàn)狀

勝利油田樁西采油廠從2002年10月開始，試驗抽油機(jī)井自動調(diào)壓變壓器配套永磁電動機(jī)技術(shù)，該技術(shù)是從整個機(jī)采系統(tǒng)入手，以系統(tǒng)的觀念對變壓器、控制柜到電動機(jī)整個機(jī)械采油井拖動系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，應(yīng)用22～30 kW小功率永磁電動機(jī)替代普通Y系列37～55 kW電動機(jī)，應(yīng)用30 kVA小容量自動調(diào)壓變壓器替代原單井配套50 kVA普通變壓器。2002年共應(yīng)用永磁電動機(jī)138臺、自動調(diào)壓變壓器97臺。項目實施后，平均單井日節(jié)電42 kWh，系統(tǒng)效率提高3.5%，單井變壓器減容18 kVA。到2007年底，共推廣應(yīng)用永磁電動機(jī)500余臺，平均單井電動機(jī)功率由46.6 kW下降到32.5 kW，單井功率因數(shù)由0.562提高到0.905，單井變壓器容量降低18 kVA。

永磁電動機(jī)在使用過程中也存在著問題，部分永磁電動機(jī)功率因數(shù)過低，甚至低于0.3，明顯小于額定值，對充分發(fā)揮永磁電動機(jī)節(jié)電效果帶來了一定的影響，樁西采油廠能源管理站決定針對此問題進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)整試驗。

2 原因分析

2.1 空載反電勢及臨界反電勢

（1）空載反電勢：每臺永磁同步電動機(jī)都有一個不同的空載反電勢，用同種轉(zhuǎn)速的永磁同步電動機(jī)軸對軸連接，一臺定子接通三相交流電，達(dá)到同步轉(zhuǎn)速時，測試另一臺被拖動電動機(jī)定子的開路電壓即為空載反電勢。

（2）臨界反電勢：在一定負(fù)載下，連續(xù)調(diào)整永磁同步電動機(jī)的定子電壓，用FLUK43B電力分析儀測試永磁同步電動機(jī)的瞬時無功功率，并用萬用表測試電壓，當(dāng)FLUK43B測取的無功功率既不顯示“C”（容性無功）也不顯示“L”（感性無功）時對應(yīng)的定子電壓即為該負(fù)載下的臨界反電勢，此時的無功功率很?。ㄒ姳?）。

2.2 負(fù)載率、定子電壓對功率因數(shù)的影響

對不同額定電壓等級（380 V、660 V、1 140 V）、不同額定功率（22 kW、30 kW）和不同轉(zhuǎn)速（750 r/min、1 000 r/min）的12臺永磁同步電動機(jī)在不同負(fù)載率對應(yīng)不同電壓下的有功功率、無功功率和功率因數(shù)進(jìn)行測試，結(jié)果說明各參試之間的規(guī)律關(guān)系都基本一致。

從表1可以看出：

（1）當(dāng)定子電壓高于永磁同步電動機(jī)的臨界反電勢時，其感性無功功率呈感性功率因數(shù)運行；當(dāng)定子電壓低于永磁同步電動機(jī)的臨界反電勢時，永磁同步電動機(jī)的容性無功功率呈容性功率因數(shù)運行。

表1 30 kW 8極380 V永磁同步電動機(jī)不同負(fù)載率對應(yīng)不同電壓下的功率因數(shù)

（2）外加永磁同步電動機(jī)的定子電壓等于或近似等于其臨界反電勢時，電動機(jī)無功功率最小，功率因數(shù)最高。

（3）負(fù)載率較低時，功率因數(shù)隨外加定子電壓偏離臨界反電勢的增大而減小，定子電壓偏離臨界反電勢越多，功率因數(shù)下降越多。

（4）隨著負(fù)載率的增大，電壓變化對功率因數(shù)的影響逐漸減弱。當(dāng)負(fù)載率大于40%時，電壓變化對功率因數(shù)的影響很小。

（5）在定子電壓一定時，電動機(jī)的負(fù)載率越低，功率因數(shù)越低。

（6）電動機(jī)空載臨界反電勢近似等于空載反電勢，隨著負(fù)載的增加，臨界反電勢逐漸下降，在抽油機(jī)的工況狀態(tài)下下降約2.5%Ue（Ue為空載反電勢）。

3 現(xiàn)場調(diào)整試驗

試驗?zāi)康臑椋孩俅_定永磁電動機(jī)功率因數(shù)與電壓的關(guān)系；②確定永磁電動機(jī)的反電勢點。

3.1 測試過程

2010年4月5日技術(shù)質(zhì)量安全監(jiān)督中心能源管理站在采油四隊挑選了L8及L8-1井2口機(jī)采井進(jìn)行了永磁電動機(jī)功率因數(shù)調(diào)整試驗（2口井的主要參數(shù)見表2）。試驗當(dāng)天對2口進(jìn)行了測試，并記錄了測試數(shù)據(jù)（測試結(jié)果見表3）。

表2 L8及L8-1井主要參數(shù)

表3 L8及L8-1井參數(shù)測試數(shù)據(jù)

L8井為S11型3檔變壓器，先后對L8井進(jìn)行了3次調(diào)壓測試（測試結(jié)果詳見表4），結(jié)果顯示，當(dāng)電壓調(diào)整到3檔416 V時，功率因數(shù)最高為0.918，有功功率5.52 kW，無功功率1.52 kvar。

表4 L8井試驗參數(shù)

L8-1井在當(dāng)天測試過程中電壓過高，最低電壓440 V，原有變壓器檔位少，只有3檔，無法達(dá)到預(yù)定電壓。后來經(jīng)我站同新華電動機(jī)廠聯(lián)系，于2010年4月11日更換了7檔變壓器，并加大了電壓調(diào)整范圍，現(xiàn)場進(jìn)行了第二次測試。更換變壓器后對L8-1井進(jìn)行了6次調(diào)壓測試（測試結(jié)果詳見表5），結(jié)果顯示，當(dāng)變壓器調(diào)到3檔393 V時，電動機(jī)功率因數(shù)最高為0.955，有功功率為4.02 kW，無功功率為-0.87 kvar。

表5 L8-1井試驗參數(shù)

調(diào)整后的2口井測試數(shù)據(jù)見表6。

表6 L8及L8-1井調(diào)整后測試數(shù)據(jù)

3.2 試驗結(jié)論

試驗結(jié)果表明，在同樣的工況下，永磁電動機(jī)功率因數(shù)同電壓有著密切的關(guān)系。當(dāng)變壓器輸出電壓過低時，無功為負(fù)值，此時電動機(jī)呈容性，功率因數(shù)低于0.9（額定值）；當(dāng)電壓過高時，無功為正值，此時電動機(jī)呈感性，功率因數(shù)同樣低于0.9（額定值）；當(dāng)某一固定電壓時，無功趨近為零，功率因數(shù)為1，電動機(jī)達(dá)到理想運行狀態(tài)，效率最高，損耗最小，此時電壓等于電動機(jī)的反電勢點。

由表5可以看出L8井的反電勢點略低于416 V，L8-1井的反電勢點略高于393 V。由于變壓器檔位少，電壓調(diào)整數(shù)度不夠，所以無法精確調(diào)試出2口井的反電勢點。

由于這2口油井都存在著間隙出油現(xiàn)象，調(diào)整過程中油井有功功率出現(xiàn)了不規(guī)則的變化，并沒有明顯下降趨勢，但據(jù)研究，隨著永磁電動機(jī)功率的提高，電動機(jī)效率也相應(yīng)提高，調(diào)整后應(yīng)有一定的節(jié)電效果。當(dāng)電動機(jī)工作電壓過高或過低時不但影響電動機(jī)功率因數(shù)，同時電壓過高，造成電動機(jī)過熱，還減少了電動機(jī)的使用壽命，降低了電動機(jī)運行效率。電動機(jī)功率因數(shù)調(diào)整后不但提高了線路的功率因數(shù)，減少了網(wǎng)損，還提高了電動機(jī)的效率，延長了電動機(jī)的使用壽命。

4 推廣應(yīng)用情況

2007—2008年在全廠范圍內(nèi)開展永磁電動機(jī)臨界反電勢值的測試及現(xiàn)場調(diào)壓工作，確保電壓值在臨界反電勢點附近，提高功率因數(shù)。共調(diào)整永磁電動機(jī)256臺，平均單井日節(jié)電8.1 kWh，平均單井功率因數(shù)上升0.107，合計256口油井的永磁電動機(jī)日節(jié)電2 073.6 kWh，年節(jié)約電費41.62萬元。

5 建議

（1）確保電動機(jī)呈容性功率因數(shù)運行。根據(jù)電動機(jī)銘牌上標(biāo)示的空載反電勢，調(diào)整變壓器輸出電壓，使電壓值低于空載反電勢的2.5%左右，以現(xiàn)場實測電動機(jī)呈很高容性功率因數(shù)運行為最佳。這一特點在抽油機(jī)上特別有意義，對一臺變壓器拖動另一臺電動機(jī)的情況，電動機(jī)的容性無功正好和變壓器的感性無功相互補償，可使變壓器的一次側(cè)功率因數(shù)大于0.90。對一臺變壓器拖動多臺電動機(jī)的情況，適當(dāng)控制容性功率因數(shù)和感性功率因數(shù)運行永磁同步電動機(jī)的比例數(shù)，也可使變壓器的一次側(cè)功率因數(shù)大于0.90。

（2）部分在用S11型油井變壓器調(diào)壓檔位少，只有3檔；調(diào)壓范圍窄，只有±5%；調(diào)壓精度低，不能很好地適用于現(xiàn)場生產(chǎn)。建議采油廠全部更換為S11節(jié)能型9檔變壓器，該變壓器調(diào)壓范圍為±10%，每檔調(diào)節(jié)2.5%，具有調(diào)節(jié)范圍寬、檔位多及能耗低的優(yōu)點，能達(dá)到理想的調(diào)壓效果，更好的適用于現(xiàn)場生產(chǎn)。