變頻電動機在油田站庫的應用探討

印重（大慶油田有限責任公司第六采油廠）

喇嘛甸油田共有站庫615座，電動機450多臺（除高壓注水電動機），電動機功率為0.25～160kW不等，目前所采用電動機類型均為Y 系列或Y B 系列鼠籠型異步電動機，應用變頻器343臺，主要應用在外輸泵、反沖洗泵、摻水泵及注聚泵等，廠家有英威騰、A B B、西門子等。目前，站庫普遍采用“變頻器+普通異步電動機”的交流調速方式，調速范圍一般在15~40H z，低于15 H z運行時，電動機發(fā)熱較高，噪聲較大，電動機軸承的絕緣水平降低，縮短電動機壽命，嚴重的甚至會燒毀電動機。

為完全適應變頻調速的要求，采用“變頻器+專用變頻電動機”的調速方式，調速范圍較寬，節(jié)能效果更高。新的調速方式對電動機在電磁、結構、絕緣等各方面提出了新的要求。

1 交流電動機的變頻調速原理

交流異步電動機的轉速為

式中：

n——電動機轉速，r/min；

f ——電源頻率，H z；

s——轉差率；

p——電動機極對數(shù)。

因此，交流電動機的調速可通過控制電源頻率f 來實現(xiàn)。

變頻調速是一種高效率、高性能的調速方式，采用異步電動機，使其在整個工作范圍內保持在正常的小轉差率下運轉，實現(xiàn)無級平滑調速。

2 變頻器對普通異步電動機的影響

目前，油田站庫在用變頻器主要為交-直-交變頻器，其原理是將電網(wǎng)的工頻交流電整流成直流電，再將此直流電逆變成頻率可調的交流。

交-直-交變頻器根據(jù)電源性質又分為電壓型變頻器和電流型變頻器。電壓型變頻器，中間直流環(huán)節(jié)的儲能元件采用大電容，緩沖負載的無功功率，電動機端的電壓為方波或階梯波，對負載電動機而言，變頻器是一個交流電壓源，在不超過容量限度的情況下，可以驅動2或3臺電動機并聯(lián)運行，具有不選擇負載的通用性；電流型變頻器，中間直流環(huán)節(jié)的儲能元件采用大電感，電動機的電壓波形接近于正弦波，適用在大功率的風機、泵類的節(jié)能調速中，變頻器拖動1臺電動機。

2.1 電動機的溫升問題

變頻器運行中均產(chǎn)生不同程度的諧波電壓和電流，所產(chǎn)生的高次諧波會引起電動機定子銅耗、轉子銅（鋁）耗、鐵耗及附加損耗的增加，這些損耗都會使電動機額外發(fā)熱，效率降低，輸出功率減小。另外，變頻調速的轉速降低時，冷卻風量與轉速的三次方成比例減小，造成冷卻風量不足，電動機溫升，甚至溫升過高而燒毀。

2.2 電動機絕緣強度問題

變頻器采用快速電力電子半導體器件，電壓上升速度很高，使電動機的匝間絕緣承受很大的電壓應力，特別是首端線卷的匝間；另外，變頻器產(chǎn)生的矩形斬波沖擊電壓疊加在電動機運行電壓上，會對電動機對地絕緣構成威脅，對地絕緣在高壓的反復沖擊下會加速老化。

2.3 諧波電磁噪聲與震動

變頻電源中含有的各次時間諧波與電動機電磁部分的固有空間諧波相互干涉，形成各種電磁激振力。當電磁力波的頻率和電動機機體的固有振動頻率一致或接近時，將產(chǎn)生共振現(xiàn)象，從而加大噪聲。

2.4 電動機對頻繁啟動、制動的適應能力

為適應變頻器的頻繁啟動和制動，電動機的機械系統(tǒng)和電磁系統(tǒng)處于循環(huán)交變力的作用下，給機械結構和絕緣結構帶來疲勞和加速老化問題。

3 變頻電動機的特點

針對以上問題，為適應變頻電源的特殊性，變頻電動機在電磁設計和結構設計上有了改進。

3.1 電磁設計

對普通異步電動機來說，在設計時主要考慮的性能參數(shù)是過載能力、啟動性能、效率和功率因數(shù)。而變頻電動機，要解決的關鍵問題是如何改善電動機對非正弦波電源的適應能力。采取的措施如下：

1）盡可能減小定子和轉子電阻。減小定子電阻即可降低基波銅耗，以彌補高次諧波引起的銅耗增加。

2）適當增加電動機的電感，以抑制電流中的高次諧波。

3）主磁路設計成不飽和狀態(tài)。一是考慮高次諧波會加深磁路飽和；二是考慮在低頻時，為了提高輸出轉矩而適當提高變頻器的輸出電壓。

3.2 結構設計

在結構設計時，主要也是考慮非正弦電源特性對變頻電動機的絕緣結構、振動、噪聲冷卻方式等方面的影響，主要從以下幾個方面考慮：

一是絕緣等級；二是電動機的振動、噪聲問題；三是冷卻方式。

4 變頻電動機在油田站庫的應用探討

所謂變頻電動機就是變頻器驅動的電動機。實際上，為變頻器設計的電動機稱為變頻專用電動機，電動機可以在變頻器的驅動下實現(xiàn)不同的轉速與轉矩，以適應負載變化的需求，可在較寬的頻率范圍內長期運行。從外形上看，很難分辨出變頻電動機與普通電動機的區(qū)別，但其內部還是有差異的。變頻電動機的通用性較好，安裝尺寸符合IEC標準，與站庫內原有電動機具備可互換性。

4.1 YBP系列隔爆型變頻電動機的性能分析

Y B P 系列隔爆型三相變頻電動機，與變頻器配合使用，可以實現(xiàn)0~100H z范圍內平滑無級調速，其中頻率范圍0~50 H z為恒轉矩調速，頻率范圍50~100H z為恒功率調速。

1）變頻電動機的技術規(guī)范分析。該變頻電動機與普通電動機技術規(guī)范對比可看出，兩者的區(qū)別有以下幾點：

◇變頻電動機貴，普通電動機便宜。以防爆電動機55 kW 4極為例，普通電動機為9680元，變頻電動機為12460元。變頻電動機比普通電動機貴20%左右。

◇變頻電動機的風機獨立供電，低速下散熱好，普通電動機的風扇同電動機同軸。

◇變頻電動機耐熱性能比普通電動機好。

◇高速運行的變頻電動機機械結構牢固，軸承也耐磨，絕緣等級較高。

◇變頻電動機在一端往往給編碼器預留了一個位置，可實現(xiàn)對電動機轉速等參數(shù)的控制。

◇變頻電動機可在0~100 H z范圍長期運行，普通電動機可在0～50H z范圍運行。

2）變頻電動機的設計參數(shù)分析。與普通感應電動機比較，設計參數(shù)如表1所示。

表1 變頻電動機和普通電動機的參數(shù)比較

由表1可知，變頻電動機在接法、鐵芯有效長、氣隙長、定轉子槽數(shù)、轉子槽型及每槽導體數(shù)等內部結構上有一定的區(qū)別。

3）變頻電動機的節(jié)能分析。變頻電動機比普通電動機節(jié)能，節(jié)電率為7.4%~20.3%，如表2所示。

表2 變頻電動機比普通電動機節(jié)能

4）變頻電動機的經(jīng)濟效益分析。以1臺55 kW變頻電動機為例，電動機運行時間按200天，每天按24 h計算，由表2知，節(jié)電率為20.3%。每年節(jié)電為55×200×24×0.203=5.36×104（kW h），節(jié)約電費為5.36×104×0.5372=2.88（萬元）。電動機初期投資約為1.3萬元，投資回收期為0.45年（約6個月）。同樣的運行條件，1臺4 kW 的變頻電動機節(jié)電率為7.4%，初期投資0.35萬元，投資回收期為4.5年。所以功率在4~55 kW ，節(jié)電率為7.4% ~20.3%，投資回收期為0.45年~4.5年。

4.2 YBP變頻電動機在油田站庫應用的適應性分析

從類型上來講，帶ExdIIB T 4 防爆標志的電動機，適用于油泵房、閥組間等二區(qū)防爆場所。此外，Y B P-T H 戶內濕熱帶型適用于反沖洗泵電動機及注聚泵電動機；Y B P-W F1戶外中等防腐蝕型適用于污油回收池內的回收泵電動機。

從節(jié)能上來講，功率在55 kW 的節(jié)電率相對較高，投資回收期較短，建議在油田適用時可選用功率為55 kW 的變頻電動機。

從電動機低頻運行時的影響來講，污水崗收油泵的選用上可選擇變頻電動機。目前，喇嘛甸油田在聯(lián)合站已應用過1臺，但由于種種原因，還沒有投運，因此相關的應用效果有待進一步跟蹤。

4 結論

1）雖然變頻電動機有自己的特點和優(yōu)點，但是也存在兩方面的問題：

一是變頻電動機遵循的技術規(guī)范是《IEC/T S 60034—25∶2007 旋轉電動機 第25部分：專為變頻電源設計的交流電動機的設計和性能指南》，沒有IEC 的統(tǒng)一國際標準。據(jù)悉，國內已準備將其轉化為國家標準G B/Z （指導性國標）一類，并有待國家主管機關批準。

二是電動機的選擇上。變頻專用電動機的工作性能和運行數(shù)據(jù)受變頻器的影響最大，如果電動機和變頻器由一個制造公司生產(chǎn)供貨，用戶只要遵循生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品說明書的要求即可。如果不是一個企業(yè)，像國內大多數(shù)廠家都是這樣，此時，選用變頻專用電動機時要仔細閱讀電動機的說明書，明確該電動機在設計中已考慮了哪些問題并且不需要用戶另外再采取措施。

2）根據(jù)變頻器對電動機的影響，借鑒變頻電動機的特點，可采取一定的措施對普通異步電動機進行改造。

一是在實施變頻技術改造前，對電動機進行絕緣性能的測試，要求比標準電動機高出一個等級，對于絕緣性能達不到要求的舊電動機，再采用新的變頻專用電動機進行改造；

二是盡可能加粗電動機接地電纜線徑，減小電動機接地線與變頻器接地線之間的電阻，同時變頻器與電源之間的地線采用地線銅母排或者專用接地電纜，保證良好接地；

三是在變頻器輸入側加裝濾波器，減小輸入諧波，提高功率因數(shù)；

四是在高頻沖擊負載如電焊機、注聚泵、輸油泵、污水外輸泵等較大功率啟動頻繁的場合，建議增加無功靜補裝置，提高電網(wǎng)功率因數(shù)和質量；

五是對容量超過160kW 電動機應采用軸承絕緣措施，防止軸電流對軸承損壞。當轉速超過3000r/min時，應采用耐高溫的特殊潤滑脂，以補償軸承的溫度升高。

3）變頻電動機在電動機的絕緣、散熱等性能上比普通電動機更好，能較好地適應變頻器在低速或高速的運轉，可推廣到抽油機或螺桿泵的變頻調速系統(tǒng)中。

[1]曾毅,張明.變頻調速控制系統(tǒng)的設計與維護[M].濟南:山東科學技術出版社,2004．

[2]任禮維,林瑞光.電動機與拖動基礎[M].杭州:浙江大學出版社,1997．

[3]杜金城.電氣變頻調速設計技術[M].北京:中國電力出版社,2001．

[4]黃科元,黃守道.變頻空調用三相變頻電動機的設計[J].電工技術雜志,2003年(11)．

[5]上海電器科學研究所.中小型電動機設計手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,1994．

[6]陳世坤.電動機設計[M].第2版.北京:機械工業(yè)出版社,1993．