螺桿泵永磁電動機節能技術評價

蘭云泊（東北石油大學）

螺桿泵永磁電動機節能技術評價

蘭云泊（東北石油大學）

TNMB稀土永磁三相同步電動機具有高效節能的優點，2010年，在油田應用螺桿泵永磁電動機42口井。通過實測，單井有功功率下降1.31kW，下降19.28個百分點；無功功率下降8.0kvar， 下 降 81.13 個 百 分 點 ； 功 率 因 數 提 高 0.39， 日 節 電 達 31.44kWh， 綜 合 節 電 率21.03%。42 口井可實現年節電 47.53×104kWh，節約電費 28.26萬元，投資回收期 6～8個月。

螺桿泵井 永磁電動機 節能技術

稀土永磁電動機是使用釹鐵硼稀土永磁材料，采用異步起動、同步工作方式，由于轉子轉速與定子旋轉磁場完全同步，無轉差損耗，而且在電動機正常運轉過程中轉子不需外加勵磁電流，因而無勵磁損耗，不僅能在額定負載時有較高的效率和功率因數，而且在輕載時也能有較高的效率和功率因數。

1 基本結構和工作原理

稀土永磁同步電動機和普通電動機的基本結構相同，主要區別在于轉子結構的不同，永磁電動機在轉子導條內側開二極鑲嵌槽，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磁繞組勵磁，和普通電動機一樣，永磁電動機定子裝有三相對稱的繞組，當接至三相交流電源時，流入定子繞組的三相對稱電流就將在電動機的氣隙內產生一個以 同步轉速 no的 旋 轉磁場[1]。

對于異步電動機，如圖1所示，其轉子導體被旋轉磁場的磁力線切割時，導體內將產生感應電勢。在轉子回路閉合的情況下，轉子導體中就有電流流過。載流導體在磁場中會受到電磁力的作用，以 n 次的轉速與旋轉磁場同向旋轉，其中 n＜no，如轉子與生產機械相聯，則轉子受到的電磁轉矩將克服負載轉矩而做功，從而實現了將電能轉化為機械能的過程。

永磁電動機工作原理是：當同步電動機的定子繞組通入三相交流電后，裝有鼠籠導條的轉子開始啟動，由于其轉子為永磁體，如圖2所示，旋轉磁場就帶動永磁轉子，以n次的轉速與旋轉磁場同向旋轉 （其中 n=no）。

圖1 鼠籠式電動機

圖2 稀土永磁轉子電動機

永磁同步電動機與異步感應電動機相比，不需要無功勵磁電流，可以顯著提高功率因數，減小了定子電流和定子電阻損耗，而且在穩定運行時沒有轉子電阻損耗，從而效率大大提高。永磁同步電動機在 25%～120%額定負載范圍內均可保持較高的效率和功率因數，使輕載運行時的節能效果更為顯著。

2 TNMB稀土永磁三相同步電動機優點

2.1高效節能

永磁同步電動機無滑差、無電勵磁、轉子無基波鐵銅損耗。轉子永磁體勵磁，無需無功勵磁電流，功率因數提高，無功功率減少，定子電流下降，定子銅損減少，效率提高。該種電動機的級弧系數大于異步電動機的級弧系數，當電壓和定子結構一定時，該電動機平均磁感應強度比異步電動機小，鐵損耗小。由于該電動機的不變損耗小，可變損耗比異步電動機慢，這樣效率特性高而平，節能效 果明顯[2]。

2.2體積小、質量輕

由于稀土永磁電動機比異步電動機級弧系數大，電動機在電負 A和氣隙感應 Be相同的情況下，體積和質量減少。由于稀土感應強度具有高剩磁密度、高矯頑力和高磁能的特點，該電動機有較大的氣隙磁密，從而可以縮小電動機體積，另外，從熱負荷角度分析，永磁電動機效率高、功率因數高、發熱少， A、 Be可適當提高，使電動機有效體 積減少， 質 量 減 輕[2]。

2.3轉速與頻率成正比

永磁同步電動機的轉速與頻率成正比，這一特點 適于轉速 恒 定 和 精 確同步的 驅 動 體 系[2]。

2.4啟動力矩大、過載能力強

由于稀土永磁同步轉子主磁鋼采用高矯頑力永磁材料，在正確地設計選擇氣隙、永磁體磁條、槽形的情況下，可有較大力矩。永磁同步電動機可替代比它大1～2倍功率等級的異步電動機，最大轉矩 可達 3.6 倍[2]。

3 螺桿泵永磁電動機選井原則

根據電動機的性能和節能工作的需要，選擇更換永磁電動機遵循以下幾個原則：

◇ 線路額定電壓 380V；

◇ 額定頻率 50Hz；

◇ 載荷不大于 100kN；

◇電動機外型尺寸一致，便于安裝更換。

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

4 現場應用情況及節能效果

對42口井使用寬溫綜合測試儀進行測試，安裝永磁電動機后，有功功率下降了 19.28%，無功功率 下 降 81.13% ， 功 率 因 數 提 高 了 0.39， 日 節 電31.44kWh，系統效率上升了 6.4%，見表2。

表2 永磁電動機與普通異步電動機能耗數據對比

對于不同功率的電動機，功率越低，綜合節電率越高，42口油井更換后平均達到21.04%，見表3。

表3 不同功率電動機節電情況對比

安裝后，螺桿泵運轉正常，電流明顯下降。截至目前，永磁電動機平均運行周期 809d，最長的已達 821d，所有電動機均平穩運行，未出現異?，F象。

投入：以 11kW電動機為例，更換一臺永磁電動機增加投入 0.38 萬元 （普 通的 11kW 電動機 0.34萬元，稀土永磁同步電動機 0.72 萬元）。

產 出 ： 單 井 日 節 電 31.44kWh， 年 節 電 1.13× 104kWh，節約電費 0.67 萬元。

投入和產出比為1∶1.76。投資回收期6～8個月。

5 幾點認識

1）稀土永磁電動機不僅結構簡單合理，而且可以直接替換Y系列異步電動機使用。

2）稀土永磁電動機的效率和功率因數均較高，節電效果明顯。

3）永磁電動機投資回收期較短，經濟效益顯著。

4）螺桿泵使用的都是 Y 系列異步電動機，屬非節能型電動機，永磁電動機應用潛力很大。

[1] 王群京,鄧梯康,姚有光.稀土永磁釹鐵硼高性能同步電動機的研制[J].合肥工業大學學報,1996(3):12-13.

[2] 蔣云.稀土永磁同步電動機節能效果分析[J].機電技術,2000(4):18-19.

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

[4] 馬雷,曹志彤.稀土永磁同步電動機動態轉矩分析[J].微電動機,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（電子信息工程專業）在讀，在校期間參加局域網組建實訓、網站建設實訓、VFP實訓等專業課培訓 工 作 ， E-mail： Lanhy2007@126.com， 地 址 ： 黑 龍 江 省 大 慶 市 高新開發區發展路199號東北石油大學，163001。