螺桿泵永磁電動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)評(píng)價(jià)

蘭云泊（東北石油大學(xué)）

螺桿泵永磁電動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)評(píng)價(jià)

蘭云泊（東北石油大學(xué)）

TNMB稀土永磁三相同步電動(dòng)機(jī)具有高效節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，2010年，在油田應(yīng)用螺桿泵永磁電動(dòng)機(jī)42口井。通過(guò)實(shí)測(cè)，單井有功功率下降1.31kW，下降19.28個(gè)百分點(diǎn)；無(wú)功功率下降8.0kvar， 下 降 81.13 個(gè) 百 分 點(diǎn) ； 功 率 因 數(shù) 提 高 0.39， 日 節(jié) 電 達(dá) 31.44kWh， 綜 合 節(jié) 電 率21.03%。42 口井可實(shí)現(xiàn)年節(jié)電 47.53×104kWh，節(jié)約電費(fèi) 28.26萬(wàn)元，投資回收期 6～8個(gè)月。

螺桿泵井 永磁電動(dòng)機(jī) 節(jié)能技術(shù)

稀土永磁電動(dòng)機(jī)是使用釹鐵硼稀土永磁材料，采用異步起動(dòng)、同步工作方式，由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)完全同步，無(wú)轉(zhuǎn)差損耗，而且在電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中轉(zhuǎn)子不需外加勵(lì)磁電流，因而無(wú)勵(lì)磁損耗，不僅能在額定負(fù)載時(shí)有較高的效率和功率因數(shù)，而且在輕載時(shí)也能有較高的效率和功率因數(shù)。

1 基本結(jié)構(gòu)和工作原理

稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)和普通電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)相同，主要區(qū)別在于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同，永磁電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條內(nèi)側(cè)開(kāi)二極鑲嵌槽，鑲嵌釹鐵硼永磁材料作為磁極，由永磁體提供的磁通替代勵(lì)磁繞組勵(lì)磁，和普通電動(dòng)機(jī)一樣，永磁電動(dòng)機(jī)定子裝有三相對(duì)稱的繞組，當(dāng)接至三相交流電源時(shí)，流入定子繞組的三相對(duì)稱電流就將在電動(dòng)機(jī)的氣隙內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)以 同步轉(zhuǎn)速 no的 旋 轉(zhuǎn)磁場(chǎng)[1]。

對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)，如圖1所示，其轉(zhuǎn)子導(dǎo)體被旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁力線切割時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。在轉(zhuǎn)子回路閉合的情況下，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中就有電流流過(guò)。載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中會(huì)受到電磁力的作用，以 n 次的轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同向旋轉(zhuǎn)，其中 n＜no，如轉(zhuǎn)子與生產(chǎn)機(jī)械相聯(lián)，則轉(zhuǎn)子受到的電磁轉(zhuǎn)矩將克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩而做功，從而實(shí)現(xiàn)了將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過(guò)程。

永磁電動(dòng)機(jī)工作原理是：當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)的定子繞組通入三相交流電后，裝有鼠籠導(dǎo)條的轉(zhuǎn)子開(kāi)始啟動(dòng)，由于其轉(zhuǎn)子為永磁體，如圖2所示，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)就帶動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子，以n次的轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同向旋轉(zhuǎn) （其中 n=no）。

圖1 鼠籠式電動(dòng)機(jī)

圖2 稀土永磁轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)

永磁同步電動(dòng)機(jī)與異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相比，不需要無(wú)功勵(lì)磁電流，可以顯著提高功率因數(shù)，減小了定子電流和定子電阻損耗，而且在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)沒(méi)有轉(zhuǎn)子電阻損耗，從而效率大大提高。永磁同步電動(dòng)機(jī)在 25%～120%額定負(fù)載范圍內(nèi)均可保持較高的效率和功率因數(shù)，使輕載運(yùn)行時(shí)的節(jié)能效果更為顯著。

2 TNMB稀土永磁三相同步電動(dòng)機(jī)優(yōu)點(diǎn)

2.1高效節(jié)能

永磁同步電動(dòng)機(jī)無(wú)滑差、無(wú)電勵(lì)磁、轉(zhuǎn)子無(wú)基波鐵銅損耗。轉(zhuǎn)子永磁體勵(lì)磁，無(wú)需無(wú)功勵(lì)磁電流，功率因數(shù)提高，無(wú)功功率減少，定子電流下降，定子銅損減少，效率提高。該種電動(dòng)機(jī)的級(jí)弧系數(shù)大于異步電動(dòng)機(jī)的級(jí)弧系數(shù)，當(dāng)電壓和定子結(jié)構(gòu)一定時(shí)，該電動(dòng)機(jī)平均磁感應(yīng)強(qiáng)度比異步電動(dòng)機(jī)小，鐵損耗小。由于該電動(dòng)機(jī)的不變損耗小，可變損耗比異步電動(dòng)機(jī)慢，這樣效率特性高而平，節(jié)能效 果明顯[2]。

2.2體積小、質(zhì)量輕

由于稀土永磁電動(dòng)機(jī)比異步電動(dòng)機(jī)級(jí)弧系數(shù)大，電動(dòng)機(jī)在電負(fù) A和氣隙感應(yīng) Be相同的情況下，體積和質(zhì)量減少。由于稀土感應(yīng)強(qiáng)度具有高剩磁密度、高矯頑力和高磁能的特點(diǎn)，該電動(dòng)機(jī)有較大的氣隙磁密，從而可以縮小電動(dòng)機(jī)體積，另外，從熱負(fù)荷角度分析，永磁電動(dòng)機(jī)效率高、功率因數(shù)高、發(fā)熱少， A、 Be可適當(dāng)提高，使電動(dòng)機(jī)有效體 積減少， 質(zhì) 量 減 輕[2]。

2.3轉(zhuǎn)速與頻率成正比

永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與頻率成正比，這一特點(diǎn) 適于轉(zhuǎn)速 恒 定 和 精 確同步的 驅(qū) 動(dòng) 體 系[2]。

2.4啟動(dòng)力矩大、過(guò)載能力強(qiáng)

由于稀土永磁同步轉(zhuǎn)子主磁鋼采用高矯頑力永磁材料，在正確地設(shè)計(jì)選擇氣隙、永磁體磁條、槽形的情況下，可有較大力矩。永磁同步電動(dòng)機(jī)可替代比它大1～2倍功率等級(jí)的異步電動(dòng)機(jī)，最大轉(zhuǎn)矩 可達(dá) 3.6 倍[2]。

3 螺桿泵永磁電動(dòng)機(jī)選井原則

根據(jù)電動(dòng)機(jī)的性能和節(jié)能工作的需要，選擇更換永磁電動(dòng)機(jī)遵循以下幾個(gè)原則：

◇ 線路額定電壓 380V；

◇ 額定頻率 50Hz；

◇ 載荷不大于 100kN；

◇電動(dòng)機(jī)外型尺寸一致，便于安裝更換。

根據(jù)以上原則，選擇了42口螺桿泵井安裝使用永磁電動(dòng)機(jī)，其中電動(dòng)機(jī)功率 7.5kW 的井 6 口，電動(dòng)機(jī)功率 11kW 的井 25 口，電動(dòng)機(jī)功率 18.5kW的 井 11 口[3，4]。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況及節(jié)能效果

對(duì)42口井使用寬溫綜合測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試，安裝永磁電動(dòng)機(jī)后，有功功率下降了 19.28%，無(wú)功功率 下 降 81.13% ， 功 率 因 數(shù) 提 高 了 0.39， 日 節(jié) 電31.44kWh，系統(tǒng)效率上升了 6.4%，見(jiàn)表2。

表2 永磁電動(dòng)機(jī)與普通異步電動(dòng)機(jī)能耗數(shù)據(jù)對(duì)比

對(duì)于不同功率的電動(dòng)機(jī)，功率越低，綜合節(jié)電率越高，42口油井更換后平均達(dá)到21.04%，見(jiàn)表3。

表3 不同功率電動(dòng)機(jī)節(jié)電情況對(duì)比

安裝后，螺桿泵運(yùn)轉(zhuǎn)正常，電流明顯下降。截至目前，永磁電動(dòng)機(jī)平均運(yùn)行周期 809d，最長(zhǎng)的已達(dá) 821d，所有電動(dòng)機(jī)均平穩(wěn)運(yùn)行，未出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。

投入：以 11kW電動(dòng)機(jī)為例，更換一臺(tái)永磁電動(dòng)機(jī)增加投入 0.38 萬(wàn)元 （普 通的 11kW 電動(dòng)機(jī) 0.34萬(wàn)元，稀土永磁同步電動(dòng)機(jī) 0.72 萬(wàn)元）。

產(chǎn) 出 ： 單 井 日 節(jié) 電 31.44kWh， 年 節(jié) 電 1.13× 104kWh，節(jié)約電費(fèi) 0.67 萬(wàn)元。

投入和產(chǎn)出比為1∶1.76。投資回收期6～8個(gè)月。

5 幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)

1）稀土永磁電動(dòng)機(jī)不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理，而且可以直接替換Y系列異步電動(dòng)機(jī)使用。

2）稀土永磁電動(dòng)機(jī)的效率和功率因數(shù)均較高，節(jié)電效果明顯。

3）永磁電動(dòng)機(jī)投資回收期較短，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4）螺桿泵使用的都是 Y 系列異步電動(dòng)機(jī)，屬非節(jié)能型電動(dòng)機(jī)，永磁電動(dòng)機(jī)應(yīng)用潛力很大。

[1] 王群京,鄧梯康,姚有光.稀土永磁釹鐵硼高性能同步電動(dòng)機(jī)的研制[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1996(3):12-13.

[2] 蔣云.稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)節(jié)能效果分析[J].機(jī)電技術(shù),2000(4):18-19.

[3] 于松義,陸克山.稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)在機(jī)械采油中的應(yīng)用[J].能源研究與利用,2006(5):24-25.

[4] 馬雷,曹志彤.稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩分析[J].微電動(dòng)機(jī),1994(3):27-28.

10.3969/j.issn.2095-1493.2013.007.017

2013-05-06）

蘭云泊，東北石油大學(xué)（電子信息工程專業(yè)）在讀，在校期間參加局域網(wǎng)組建實(shí)訓(xùn)、網(wǎng)站建設(shè)實(shí)訓(xùn)、VFP實(shí)訓(xùn)等專業(yè)課培訓(xùn) 工 作 ， E-mail： Lanhy2007@126.com， 地 址 ： 黑 龍 江 省 大 慶 市 高新開(kāi)發(fā)區(qū)發(fā)展路199號(hào)東北石油大學(xué)，163001。