稀土永磁电机在油田节能降耗上的研究与应用

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　　摘 要：随着油井产量下降，原有的电机负载明显减小，从而导致电机效率降低，生产成本增加。稀土永磁电机通过优化功率因数等主要参数，充分发挥其效率高，功率因数高、力能指标好等优势，在实际应用中证实了稀土永磁电机的节能降耗效能。文章浅要分析了稀土永磁电机在油田节能降耗上的应用。
　　关键词：稀土永磁电机;功率因数;电机负载率
　　一、现状分析
　　（一）现状分析
　　延长油田各个采油厂目前使用的抽油机电机大部分都是功率为7.5～18.5kW，转速为1440r/min，调配的冲次大部分是7次/min左右，冲次普遍较高。但是随着油田开采开发时间的延长，各个油井产量逐年降低，动液面普遍下降，所测功图明显出现供液不足的现象。产液量下降使得原有的电机负载明显减小，电机在使用时很少在额定点运行，约有半数左右的电机处于轻载运行，通过对部分采油厂电机使用情况调查，处于75%以上负载运行的电机仅占18.1%，50%～75%负载的电机占35.6%，49%以下负载的电机占46.3%，大马拉小车的现象严重，整机的运行效率只有38%左右，可见较低的负载率将导致电机的效率和功率因数的大幅度下降，从而造成资源的严重浪费和生产成本长期高居不下，与油田公司提倡的节能高效绿色环保理念相悖太远。
　　（二）电动机影响因素分析
　　电动机是抽油机井的主要动力设备，也是油田主要的耗能设备之一，机采系统的耗电量最终也体现在电动机耗电方面。电动机的工作参数对电机效率的影响主要体现在电机功率因数和电机负载率两项。
　　1.电机功率因数的计算公式
　　P—电机有功功率（kW）
　　U—电压（V）
　　I—电流（A）
　　cosΦ—功率因数
　　2.电机负载率
　　电机负载率是指运行中电机实际输出功率与额定功率的比值，其计算公式
　　通过对采油厂电机使用情况调查，处于75%以上负载运行的电机仅占18.1%，50%～75%负载的电机占35.6%，49%以下负载的电机占46.3%，大马拉小车的现象严重，整机的运行效率只有38%左右，可见较低的负载率将导致电机的效率和功率因数的大幅度下降，存在这种现象的原因主要有以下两点：
　　（1）投产选用电动机时为考虑启动和在运行周期内载荷变化大的因素，不得不提高装机功率，造成运行时的“大马拉小车”现象。
　　（2）多年来抽油机的驱动电机一直采用通用的Y系列异步电机，这种电机额定功率运行时的效率和功率因数呈现最大值，而当负载降低时功率和功率因数都随之下降，无功损耗随之增加。
　　二、稀土永磁电机工作原理及特点优势
　　（一）工作原理
　　稀土永磁电机是在异步电机转子内部安装永磁体以替代异步电机定子绕组中励磁电流所提供的磁场，制成具有自起动能力的永磁同步电机。
　　稀土永磁电机的工作原理与电励磁同步电机相同，都是利用定子绕组产生旋转磁场并作用于转子鼠笼式闭合铝框形成磁电动力旋转扭矩。区别在于前者是以永磁体替代励磁绕组进行励磁。当永磁电机的三相定子绕组（各相差120°电角度）通入频率为f的三相交流电后，将产生一个以同步转速推移的旋转磁场。稳态情况下，主极磁场随着旋转磁场同步转动，因此转子转速亦是同步转速，定子旋转磁场恒与永磁体建立的主极磁场保持相对静止，它们之间相互作用并产生电磁转矩，驱动电机旋转并进行能量转换。
　　（二）特点优势
　　1.效率高
　　一是由于磁路系统的小型化，绕组亦趋小，从而减少了电机的铜损和铁损，效率提高;二是在转子上嵌入稀土永磁材料后，在正常工作时转子与定子磁场同步运行，转子绕组无感生电流，不存在转子电阻和磁滞损耗;三是定子电流中无励磁电流分量，功率因数高，定子电流小，定子侧铜损下降，提高了电机效率。
　　2.功率因數高
　　稀土永磁电动机与感应电动机相比，不需要无功励磁电流，定子绕组呈现阻性负载，可以显著提高功率因数（可达到1，甚至容性），减少了定子电流和定子电阻损耗，而且在稳定运行时没有转子铜耗，进而可以减小风扇（小容量电机甚至可以去掉风扇）和相应的风摩损耗，效率比同规格感应电动机可提高2～8个百分点。而且，永磁同步电动机在25%～120%额定负载范围内均可保持较高的效率和功率因数，使轻载运行时节能效果更为显著。
　　3.力能指标好
　　力能指标（效率与功率因数的乘积）更直观地反映出电机运行的经济效益。异步电动机在低负载率 （即不在额定点运行）的情况下，效率和功率因数下降严重。Y系列电机在 60%的负荷下工作时，效率下降15%，功率因数下降30%，力能指标下降40%。而永磁电机的效率和功率因数下降甚微，当电机只有20%负荷时，其力能指标仍为满负荷的 80%以上。永磁电动机的效率在较大的负载变化范围平坦变化保持高效率，节能效果突出。
　　4.电枢反应小，抗过载能力强
　　稀土永磁同步电动机的起动力矩和过载能力均比三相异步电动机高出一个功率等级，最大起动力矩与额定力矩之比可达3.6倍，而一般异步电动机仅有1.6倍。
　　三、现场应用效果
　　（一）耗电量大幅下降，节能效果明显
　　同等条件下普通电机日平均耗电量为213.32kW·h，
　　稀土永磁电机日平均耗电量为124.09 kw·h，日平均节电89.23 kW·h，平均节电率为41.6%。按照工业用电 1元/kW·h，年工作360天计算，每年仅电费一项即可节省32122.8元。
　　（二）功率因数提高、效率提升
　　普通电机功率因数一般为75%～80%，稀土永磁电机功率因数为93%以上，功率因数提高13～18个百分点，系统效率由19.87%提升至26.33%。
　　四、结语
　　稀土永磁同步电机即可满足现实生产需要，又可以适应将来产量变化的要求。最重要的是电机本身的优良性能，通过提高效率、增加功率因数、降低冲程等方式可以达到节能增效目标，切实有效长期降低运行成本，实现油田节能增效科学可持续发展。
　　参考文献：
　　[1]张波，贺琦.永磁电动机在安塞油田抽油机上的应用与节能分析[J].石油石化节能，2014（10）.
　　[2]吴亚麟.稀土永磁同步电动机在油田抽油机上的应用与分析[J].井冈山学院学报，2008（6）.
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