油田抽油機永磁電動機反電勢點問題探討

郭連君

（中石化勝利油田分公司 技術監督處，山東 東營 257237）

1 現狀

勝利油田樁西采油廠從2002年10月開始，試驗抽油機井自動調壓變壓器配套永磁電動機技術，該技術是從整個機采系統入手，以系統的觀念對變壓器、控制柜到電動機整個機械采油井拖動系統進行了優化設計，應用22～30 kW小功率永磁電動機替代普通Y系列37～55 kW電動機，應用30 kVA小容量自動調壓變壓器替代原單井配套50 kVA普通變壓器。2002年共應用永磁電動機138臺、自動調壓變壓器97臺。項目實施后，平均單井日節電42 kWh，系統效率提高3.5%，單井變壓器減容18 kVA。到2007年底，共推廣應用永磁電動機500余臺，平均單井電動機功率由46.6 kW下降到32.5 kW，單井功率因數由0.562提高到0.905，單井變壓器容量降低18 kVA。

永磁電動機在使用過程中也存在著問題，部分永磁電動機功率因數過低，甚至低于0.3，明顯小于額定值，對充分發揮永磁電動機節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行現場調整試驗。

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

（2）臨界反電勢：在一定負載下，連續調整永磁同步電動機的定子電壓，用FLUK43B電力分析儀測試永磁同步電動機的瞬時無功功率，并用萬用表測試電壓，當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）時對應的定子電壓即為該負載下的臨界反電勢，此時的無功功率很小（見表1）。

2.2 負載率、定子電壓對功率因數的影響

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）和不同轉速（750 r/min、1 000 r/min）的12臺永磁同步電動機在不同負載率對應不同電壓下的有功功率、無功功率和功率因數進行測試，結果說明各參試之間的規律關系都基本一致。

從表1可以看出：

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

表1 30 kW 8極380 V永磁同步電動機不同負載率對應不同電壓下的功率因數

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

（3）負載率較低時，功率因數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，功率因數下降越多。

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

（5）在定子電壓一定時，電動機的負載率越低，功率因數越低。

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

3 現場調整試驗

試驗目的為：①確定永磁電動機功率因數與電壓的關系；②確定永磁電動機的反電勢點。

3.1 測試過程

2010年4月5日技術質量安全監督中心能源管理站在采油四隊挑選了L8及L8-1井2口機采井進行了永磁電動機功率因數調整試驗（2口井的主要參數見表2）。試驗當天對2口進行了測試，并記錄了測試數據（測試結果見表3）。

表2 L8及L8-1井主要參數

表3 L8及L8-1井參數測試數據

L8井為S11型3檔變壓器，先后對L8井進行了3次調壓測試（測試結果詳見表4），結果顯示，當電壓調整到3檔416 V時，功率因數最高為0.918，有功功率5.52 kW，無功功率1.52 kvar。

表4 L8井試驗參數

L8-1井在當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，無法達到預定電壓。后來經我站同新華電動機廠聯系，于2010年4月11日更換了7檔變壓器，并加大了電壓調整范圍，現場進行了第二次測試。更換變壓器后對L8-1井進行了6次調壓測試（測試結果詳見表5），結果顯示，當變壓器調到3檔393 V時，電動機功率因數最高為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

調整后的2口井測試數據見表6。

表6 L8及L8-1井調整后測試數據

3.2 試驗結論

試驗結果表明，在同樣的工況下，永磁電動機功率因數同電壓有著密切的關系。當變壓器輸出電壓過低時，無功為負值，此時電動機呈容性，功率因數低于0.9（額定值）；當電壓過高時，無功為正值，此時電動機呈感性，功率因數同樣低于0.9（額定值）；當某一固定電壓時，無功趨近為零，功率因數為1，電動機達到理想運行狀態，效率最高，損耗最小，此時電壓等于電動機的反電勢點。

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，電壓調整數度不夠，所以無法精確調試出2口井的反電勢點。

由于這2口油井都存在著間隙出油現象，調整過程中油井有功功率出現了不規則的變化，并沒有明顯下降趨勢，但據研究，隨著永磁電動機功率的提高，電動機效率也相應提高，調整后應有一定的節電效果。當電動機工作電壓過高或過低時不但影響電動機功率因數，同時電壓過高，造成電動機過熱，還減少了電動機的使用壽命，降低了電動機運行效率。電動機功率因數調整后不但提高了線路的功率因數，減少了網損，還提高了電動機的效率，延長了電動機的使用壽命。

4 推廣應用情況

2007—2008年在全廠范圍內開展永磁電動機臨界反電勢值的測試及現場調壓工作，確保電壓值在臨界反電勢點附近，提高功率因數。共調整永磁電動機256臺，平均單井日節電8.1 kWh，平均單井功率因數上升0.107，合計256口油井的永磁電動機日節電2 073.6 kWh，年節約電費41.62萬元。

5 建議

（1）確保電動機呈容性功率因數運行。根據電動機銘牌上標示的空載反電勢，調整變壓器輸出電壓，使電壓值低于空載反電勢的2.5%左右，以現場實測電動機呈很高容性功率因數運行為最佳。這一特點在抽油機上特別有意義，對一臺變壓器拖動另一臺電動機的情況，電動機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功率因數大于0.90。對一臺變壓器拖動多臺電動機的情況，適當控制容性功率因數和感性功率因數運行永磁同步電動機的比例數，也可使變壓器的一次側功率因數大于0.90。

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