永磁同步電動(dòng)機(jī)在油田抽油機(jī)中的應(yīng)用與節(jié)能分析

蘇錦智　張繼鵬

摘 要：永磁同步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、效率高及功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)。目前，永磁同步電動(dòng)機(jī)已經(jīng)在冶金行業(yè)（煉鐵廠和燒結(jié)廠等）、陶瓷行業(yè)（球磨機(jī)）、橡膠行業(yè)（密煉機(jī)）、石油行業(yè)（抽油機(jī)）、紡織行業(yè)（倍捻機(jī)、細(xì)紗機(jī)）等行業(yè)的中、低壓電動(dòng)機(jī)中成功應(yīng)用，并逐步積累了設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。永磁同步電動(dòng)機(jī)是科技時(shí)代下衍生的新型電機(jī)設(shè)備。與傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)相比，它具有更高的效率和功率密度，在油田抽油機(jī)中具有較高的節(jié)能應(yīng)用價(jià)值?；诖耍吞锲髽I(yè)應(yīng)積極研究永磁同步電動(dòng)機(jī)的特性，并結(jié)合實(shí)際的油田抽油機(jī)運(yùn)用情況，選擇合適的油田抽油永磁同步電動(dòng)機(jī)，從而促使油田開采工作順利開展。

關(guān)鍵詞：永磁同步電動(dòng)機(jī);油田抽油機(jī);節(jié)能

中圖分類號(hào)：TM351 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）26-0047-03

Application and Energy Saving Analysis of Permanent Magnet

Synchronous Motor in Oilfield Pumping Unit

SU Jinzhi ZHANG Jipeng

（Baotou Chang'an Permanent Magnet Machine Co.， Ltd.，? Baotou Inner Mongolia 014030）

Abstract：The brushless electric motor has the advantages of simple structure， small size， high efficiency and high power factor. At present， the brushless electric motor has been successfully used in medium and low voltage motors in metallurgical industry （ironmaking and sintering plants， etc.） ， ceramic industry （ball mill） ， rubber industry （internal mixer） ， petroleum industry （pumping machine） ， textile industry （twisting machine， spinning machine） ， etc. ， and gradually accumulated experience in design and operation.Permanent magnet synchronous motor is a new type of motor equipment derived from the era of science and technology. Compared with the traditional motor， it has higher efficiency and power density， and has higher energy-saving value in the oil field pumping unit. Based on this， the relevant oilfield enterprises should actively study the characteristics of permanent magnet synchronous motor， combined with the actual application of oilfield pumping units， select the permanent magnet synchronous motor matching oilfield pumping units， so as to promote the smooth development of oilfield production.

Keywords： permanent magnet synchronous motor;oilfield pumping unit;energy conservation

永磁同步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和運(yùn)行是由定子繞組、轉(zhuǎn)子鼠籠繞組和永磁體三者產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用形成的。電動(dòng)機(jī)靜止時(shí)，給定子繞組通入三相對(duì)稱電流產(chǎn)生定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相對(duì)于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)在籠型繞組內(nèi)產(chǎn)生電流形成轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的異步轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子由靜止開始加速轉(zhuǎn)動(dòng)。在這個(gè)過程中，轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速不同會(huì)產(chǎn)生交變轉(zhuǎn)矩。當(dāng)轉(zhuǎn)子加速到速度接近同步轉(zhuǎn)速的時(shí)候，轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速接近相等。定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)速度稍大于轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)時(shí)，它們相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，將轉(zhuǎn)子牽入同步運(yùn)行狀態(tài)。在同步運(yùn)行狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)不再產(chǎn)生電流。此時(shí)，轉(zhuǎn)子上只有永磁體產(chǎn)生磁場(chǎng)。它與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩?？芍?，永磁同步電動(dòng)機(jī)是靠轉(zhuǎn)子繞組的異步轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)的。啟動(dòng)完成后，轉(zhuǎn)子繞組不再起作用，由永磁體和定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。抽油機(jī)是有桿抽油系統(tǒng)中一種最主要的舉升開采石油的機(jī)器設(shè)備。根據(jù)是否有游梁，可將其分為游梁式抽油機(jī)和無游梁式抽油機(jī)[1]。在運(yùn)用過程中，這兩種油田抽油機(jī)往往會(huì)因抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)的影響，產(chǎn)生與電機(jī)負(fù)荷運(yùn)行不匹配的問題。若這一問題無法得到及時(shí)解決，在油田開采的過程中將會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的能源損耗問題，從而降低油田企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。為解決這種不良開采問題，相關(guān)油田部門應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況將永磁同步電動(dòng)機(jī)科學(xué)合理運(yùn)用于油田抽油機(jī)，減少開采中產(chǎn)生的能源損耗，從而為油田企業(yè)的健康發(fā)展提供有力的保證。

1 永磁電動(dòng)機(jī)的特性及設(shè)計(jì)特點(diǎn)

永磁同步電動(dòng)機(jī)是以永磁體提供勵(lì)磁的電機(jī)，整體結(jié)構(gòu)較為簡單，加工和裝配費(fèi)用較低，且省去了容易出問題的集電環(huán)和電刷，提高了電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的可靠性。因?yàn)樗鼰o須勵(lì)磁電流，所以沒有勵(lì)磁損耗，效率和功率密度更高[2]。永磁同步電動(dòng)機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子、電樞繞組和端蓋等部件構(gòu)成。其中：定子與普通感應(yīng)電動(dòng)機(jī)基本相同，采用疊片結(jié)構(gòu)以減小電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的鐵耗;轉(zhuǎn)子可做成實(shí)心，也可用疊片疊壓;電樞繞組可采用集中整距繞組，也可采用分布短距繞組和非常規(guī)繞組[3]。永磁同步電動(dòng)機(jī)可以有效降低油田開采的能耗，使油田獲得更高的開采經(jīng)濟(jì)效益。

2 永磁同步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用與節(jié)能效果

永磁同步電動(dòng)機(jī)具有節(jié)能的優(yōu)勢(shì)，所以在現(xiàn)階段的發(fā)展過程中得到了十分廣泛的應(yīng)用，并且在油田的抽油機(jī)管理環(huán)節(jié)，其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用價(jià)值顯著，使得油田的開采工作效率更高。從永磁同步電動(dòng)機(jī)和普通電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用效果可知，永磁同步電動(dòng)機(jī)的節(jié)能效果更加明顯，可以有效提升油田企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，確保油田企業(yè)在經(jīng)營發(fā)展過程中呈現(xiàn)出更好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。此外，可以結(jié)合油田企業(yè)的發(fā)展特點(diǎn)，有效優(yōu)化設(shè)施設(shè)備和相關(guān)技術(shù)，進(jìn)而在實(shí)踐過程中促使油田企業(yè)良好發(fā)展。合理地將永磁同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)用于企業(yè)油田開采工作，可以促使油田企業(yè)實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益不斷提升，因此各個(gè)油田企業(yè)應(yīng)重視對(duì)永磁電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用。同時(shí)，相關(guān)油田企業(yè)通過對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)用，可以有效避免因配電系統(tǒng)中電容問題而產(chǎn)生各種影響電動(dòng)機(jī)運(yùn)用功率的問題。借助永磁同步電動(dòng)機(jī)的變壓優(yōu)勢(shì)和運(yùn)行優(yōu)勢(shì)，有效降低電能損耗。

從表1、表2數(shù)據(jù)可以看出，由于油田生產(chǎn)中一臺(tái)變壓器通常為3～5口油井供電，在選用異步電動(dòng)機(jī)時(shí)存在富裕的容量，使得變壓器出現(xiàn)了“大馬拉小車”的現(xiàn)象。永磁電動(dòng)機(jī)無功損耗小，一直高效率運(yùn)行，減小了變壓器容量，一定程度上克服了變壓器“大馬拉小車”的問題。與此同時(shí)，配電系統(tǒng)可以不裝置相應(yīng)的電容，充分降低了整體投資成本，同時(shí)能夠更有效地減少后續(xù)的維護(hù)時(shí)間和簡化運(yùn)維管理流程，減少維護(hù)成本，有效避免因?yàn)殡娙荽嬖诙鸬闹C波放大、震蕩等一系列問題，為油田企業(yè)安全穩(wěn)定的運(yùn)行和高質(zhì)量發(fā)展提供保障，同時(shí)充分體現(xiàn)出應(yīng)有的節(jié)能環(huán)保、高質(zhì)高效的應(yīng)用效果，在具體實(shí)踐過程中得到了廣泛推行和應(yīng)用。

3 問題的分析

3.1 永磁電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性和抽油機(jī)負(fù)載特性匹配

永磁電動(dòng)機(jī)機(jī)械特征和抽油機(jī)負(fù)載特征不匹配，是導(dǎo)致永磁同步電動(dòng)機(jī)無法得到節(jié)能運(yùn)用的重要問題。一旦抽油機(jī)的負(fù)荷與電動(dòng)機(jī)負(fù)荷不一致，就會(huì)使電動(dòng)機(jī)無法按照理想的功率和負(fù)荷開展工作，導(dǎo)致功率變化緩慢，無法滿足油田抽油機(jī)的運(yùn)行需求，從而嚴(yán)重影響油田的開采效果[4]。因此，油田開采部門要切實(shí)有效地掌握永磁電動(dòng)機(jī)的機(jī)械性等相關(guān)特性和效能，同時(shí)在實(shí)踐過程中要充分明確各個(gè)設(shè)備設(shè)施和零部件的具體應(yīng)用特點(diǎn)，并且加大運(yùn)維管理的力度，重視對(duì)永磁電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的掌控和有效處理，結(jié)合油田抽油機(jī)的負(fù)載特性，選擇永磁同步電動(dòng)機(jī)的功率，使其能有效滿足油田抽油機(jī)的運(yùn)行需求。這樣既能確保油田企業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)良好的發(fā)展，又能為其提供必要的支撐和保障，進(jìn)而提升企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

3.2 永磁電動(dòng)機(jī)的選用

永磁電動(dòng)機(jī)的選用同樣是油田企業(yè)運(yùn)用油田抽油機(jī)的重要工作組成部分。一旦永磁電動(dòng)機(jī)的選用出現(xiàn)問題，會(huì)嚴(yán)重影響永磁同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)用效率[5]。所以，相關(guān)油田企業(yè)應(yīng)結(jié)合油田抽油機(jī)的實(shí)際運(yùn)用情況，選擇符合其節(jié)能運(yùn)用需求的永磁同步電動(dòng)機(jī)型號(hào)，以有效保證電動(dòng)機(jī)節(jié)能的運(yùn)用效果。

3.3 脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩和去磁的影響

實(shí)際上，將永磁同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)用于油田抽油機(jī)時(shí)，它的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩和去磁效果都會(huì)影響永磁同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)用效果。永磁同步電動(dòng)機(jī)中的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩不合理，會(huì)使電機(jī)產(chǎn)生不正常的振動(dòng);永磁同步電動(dòng)機(jī)中的去磁問題若得不到解決，會(huì)引發(fā)失磁問題，導(dǎo)致永磁同步電機(jī)無法被重復(fù)應(yīng)用于油田企業(yè)，也會(huì)影響電動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)用價(jià)值與壽命。因此，相關(guān)油田企業(yè)應(yīng)重視對(duì)這種問題的解決，提前做好對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩設(shè)計(jì)以及相應(yīng)的去磁工作，使油田電動(dòng)機(jī)可以高質(zhì)量安全穩(wěn)定運(yùn)行。做好對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩設(shè)計(jì)以及相應(yīng)的去磁工作，可以實(shí)現(xiàn)重復(fù)性運(yùn)用，從而最大限度地提升運(yùn)行效能，保障永磁同步電動(dòng)機(jī)的安全運(yùn)用性能和節(jié)能運(yùn)用價(jià)值。這樣還可以有效去除各類風(fēng)險(xiǎn)因素或者安全隱患，進(jìn)一步凸顯其運(yùn)行效能，體現(xiàn)出良好的應(yīng)用價(jià)值和綜合效能。

4 結(jié)語

將永磁同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)用于油田抽油機(jī)，可以最大限度地降低能源損耗。相關(guān)油田部門應(yīng)正確認(rèn)識(shí)永磁電動(dòng)機(jī)的節(jié)能價(jià)值，結(jié)合實(shí)際的油田抽油機(jī)開采情況，合理選用永磁同步電動(dòng)機(jī)開展工作，充分發(fā)揮永磁電動(dòng)機(jī)的價(jià)值，促使油田開采工作順利高效開展，從而不斷提高油田企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

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