變頻電動機(jī)在油田站庫的應(yīng)用探討

印重（大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠）

喇嘛甸油田共有站庫615座，電動機(jī)450多臺（除高壓注水電動機(jī)），電動機(jī)功率為0.25～160kW不等，目前所采用電動機(jī)類型均為Y 系列或Y B 系列鼠籠型異步電動機(jī)，應(yīng)用變頻器343臺，主要應(yīng)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(jī)”的交流調(diào)速方式，調(diào)速范圍一般在15~40H z，低于15 H z運行時，電動機(jī)發(fā)熱較高，噪聲較大，電動機(jī)軸承的絕緣水平降低，縮短電動機(jī)壽命，嚴(yán)重的甚至?xí)龤щ妱訖C(jī)。

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

1 交流電動機(jī)的變頻調(diào)速原理

交流異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為

式中：

n——電動機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；

f ——電源頻率，H z；

s——轉(zhuǎn)差率；

p——電動機(jī)極對數(shù)。

因此，交流電動機(jī)的調(diào)速可通過控制電源頻率f 來實現(xiàn)。

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

2 變頻器對普通異步電動機(jī)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(diào)的交流。

交-直-交變頻器根據(jù)電源性質(zhì)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(fù)載的無功功率，電動機(jī)端的電壓為方波或階梯波，對負(fù)載電動機(jī)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(qū)動2或3臺電動機(jī)并聯(lián)運行，具有不選擇負(fù)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(jī)的電壓波形接近于正弦波，適用在大功率的風(fēng)機(jī)、泵類的節(jié)能調(diào)速中，變頻器拖動1臺電動機(jī)。

2.1 電動機(jī)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(jī)定子銅耗、轉(zhuǎn)子銅（鋁）耗、鐵耗及附加損耗的增加，這些損耗都會使電動機(jī)額外發(fā)熱，效率降低，輸出功率減小。另外，變頻調(diào)速的轉(zhuǎn)速降低時，冷卻風(fēng)量與轉(zhuǎn)速的三次方成比例減小，造成冷卻風(fēng)量不足，電動機(jī)溫升，甚至溫升過高而燒毀。

2.2 電動機(jī)絕緣強(qiáng)度問題

變頻器采用快速電力電子半導(dǎo)體器件，電壓上升速度很高，使電動機(jī)的匝間絕緣承受很大的電壓應(yīng)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(jī)運行電壓上，會對電動機(jī)對地絕緣構(gòu)成威脅，對地絕緣在高壓的反復(fù)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(jī)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(dāng)電磁力波的頻率和電動機(jī)機(jī)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(jī)對頻繁啟動、制動的適應(yīng)能力

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

3 變頻電動機(jī)的特點

針對以上問題，為適應(yīng)變頻電源的特殊性，變頻電動機(jī)在電磁設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計上有了改進(jìn)。

3.1 電磁設(shè)計

對普通異步電動機(jī)來說，在設(shè)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(jī)，要解決的關(guān)鍵問題是如何改善電動機(jī)對非正弦波電源的適應(yīng)能力。采取的措施如下：

1）盡可能減小定子和轉(zhuǎn)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(dāng)增加電動機(jī)的電感，以抑制電流中的高次諧波。

3）主磁路設(shè)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(zhuǎn)矩而適當(dāng)提高變頻器的輸出電壓。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，主要也是考慮非正弦電源特性對變頻電動機(jī)的絕緣結(jié)構(gòu)、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(jī)的振動、噪聲問題；三是冷卻方式。

4 變頻電動機(jī)在油田站庫的應(yīng)用探討

所謂變頻電動機(jī)就是變頻器驅(qū)動的電動機(jī)。實際上，為變頻器設(shè)計的電動機(jī)稱為變頻專用電動機(jī)，電動機(jī)可以在變頻器的驅(qū)動下實現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩，以適應(yīng)負(fù)載變化的需求，可在較寬的頻率范圍內(nèi)長期運行。從外形上看，很難分辨出變頻電動機(jī)與普通電動機(jī)的區(qū)別，但其內(nèi)部還是有差異的。變頻電動機(jī)的通用性較好，安裝尺寸符合IEC標(biāo)準(zhǔn)，與站庫內(nèi)原有電動機(jī)具備可互換性。

4.1 YBP系列隔爆型變頻電動機(jī)的性能分析

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

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

◇變頻電動機(jī)貴，普通電動機(jī)便宜。以防爆電動機(jī)55 kW 4極為例，普通電動機(jī)為9680元，變頻電動機(jī)為12460元。變頻電動機(jī)比普通電動機(jī)貴20%左右。

◇變頻電動機(jī)的風(fēng)機(jī)獨立供電，低速下散熱好，普通電動機(jī)的風(fēng)扇同電動機(jī)同軸。

◇變頻電動機(jī)耐熱性能比普通電動機(jī)好。

◇高速運行的變頻電動機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)牢固，軸承也耐磨，絕緣等級較高。

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

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

2）變頻電動機(jī)的設(shè)計參數(shù)分析。與普通感應(yīng)電動機(jī)比較，設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 變頻電動機(jī)和普通電動機(jī)的參數(shù)比較

由表1可知，變頻電動機(jī)在接法、鐵芯有效長、氣隙長、定轉(zhuǎn)子槽數(shù)、轉(zhuǎn)子槽型及每槽導(dǎo)體數(shù)等內(nèi)部結(jié)構(gòu)上有一定的區(qū)別。

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

表2 變頻電動機(jī)比普通電動機(jī)節(jié)能

4）變頻電動機(jī)的經(jīng)濟(jì)效益分析。以1臺55 kW變頻電動機(jī)為例，電動機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)在油田站庫應(yīng)用的適應(yīng)性分析

從類型上來講，帶ExdIIB T 4 防爆標(biāo)志的電動機(jī)，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(nèi)濕熱帶型適用于反沖洗泵電動機(jī)及注聚泵電動機(jī)；Y B P-W F1戶外中等防腐蝕型適用于污油回收池內(nèi)的回收泵電動機(jī)。

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(jī)。

從電動機(jī)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(jī)。目前，喇嘛甸油田在聯(lián)合站已應(yīng)用過1臺，但由于種種原因，還沒有投運，因此相關(guān)的應(yīng)用效果有待進(jìn)一步跟蹤。

4 結(jié)論

1）雖然變頻電動機(jī)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(jī)遵循的技術(shù)規(guī)范是《IEC/T S 60034—25∶2007 旋轉(zhuǎn)電動機(jī) 第25部分：專為變頻電源設(shè)計的交流電動機(jī)的設(shè)計和性能指南》，沒有IEC 的統(tǒng)一國際標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)悉，國內(nèi)已準(zhǔn)備將其轉(zhuǎn)化為國家標(biāo)準(zhǔn)G B/Z （指導(dǎo)性國標(biāo)）一類，并有待國家主管機(jī)關(guān)批準(zhǔn)。

二是電動機(jī)的選擇上。變頻專用電動機(jī)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(jī)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(nèi)大多數(shù)廠家都是這樣，此時，選用變頻專用電動機(jī)時要仔細(xì)閱讀電動機(jī)的說明書，明確該電動機(jī)在設(shè)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(jī)的影響，借鑒變頻電動機(jī)的特點，可采取一定的措施對普通異步電動機(jī)進(jìn)行改造。

一是在實施變頻技術(shù)改造前，對電動機(jī)進(jìn)行絕緣性能的測試，要求比標(biāo)準(zhǔn)電動機(jī)高出一個等級，對于絕緣性能達(dá)不到要求的舊電動機(jī)，再采用新的變頻專用電動機(jī)進(jìn)行改造；

二是盡可能加粗電動機(jī)接地電纜線徑，減小電動機(jī)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(cè)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(fù)載如電焊機(jī)、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(zhì)量；

五是對容量超過160kW 電動機(jī)應(yīng)采用軸承絕緣措施，防止軸電流對軸承損壞。當(dāng)轉(zhuǎn)速超過3000r/min時，應(yīng)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(jī)在電動機(jī)的絕緣、散熱等性能上比普通電動機(jī)更好，能較好地適應(yīng)變頻器在低速或高速的運轉(zhuǎn)，可推廣到抽油機(jī)或螺桿泵的變頻調(diào)速系統(tǒng)中。

[1]曾毅,張明.變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計與維護(hù)[M].濟(jì)南:山東科學(xué)技術(shù)出版社,2004．

[2]任禮維,林瑞光.電動機(jī)與拖動基礎(chǔ)[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,1997．

[3]杜金城.電氣變頻調(diào)速設(shè)計技術(shù)[M].北京:中國電力出版社,2001．

[4]黃科元,黃守道.變頻空調(diào)用三相變頻電動機(jī)的設(shè)計[J].電工技術(shù)雜志,2003年(11)．

[5]上海電器科學(xué)研究所.中小型電動機(jī)設(shè)計手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1994．

[6]陳世坤.電動機(jī)設(shè)計[M].第2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1993．