變頻器對油田電動機性能影響的研究

李東平（大慶油田有限責任公司第三采油廠）

變頻器對油田電動機性能影響的研究

李東平（大慶油田有限責任公司第三采油廠）

隨著油田產量逐年遞減，設備負載率不斷降低，變頻調速作為電動機節能的主要方法得到廣泛應用。以大慶油田為例，超過30%的電動機使用變頻器來調節轉速。變頻器在使用過程中，輸入、輸出端都會產生大量的諧波，這些諧波會造成電動機效率的降低、運行溫度的升高、振動和噪聲的增加等影響。通過對相關影響因素進行研究，尤其是變頻器對電動機損耗、溫升、噪聲振動及絕緣的影響提出了對應的整改措施。經過分析，變頻器對電動機影響最大的是產生的諧波，有效的消減諧波就可以減小對電動機效率和壽命影響，合理匹配變頻器可以減小對電動機溫升及噪聲振動的影響。

變頻器；電動機；諧波

DOI：10.3969/j.issn.2095-1493.2017.07.013

隨著油田進入高含水期，生產中節能降耗和安全生產成為油田生產的兩個重要方面，變頻器的使用能夠滿足節能降耗和安全生產的實際要求[1]。變頻調速節能控制柜已成為油田生產中最有效的電氣節能設備，得到大面積推廣[2]，在機采系統、集輸系統、注入系統等油田主要生產系統均有應用，在油田實際生產中，很少使用變頻器專用電動機，多數為已經在用的普通電動機，變頻器與普通電動機搭配使用時電動機會出現效率、壽命降低等問題，所以找到影響因素及對策，對大規模使用變頻器的油田企業具有現實意義。

1 變頻器調速的基本原理

變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用把電壓、頻率固定不變的交流電變成電壓、頻率都可調的交流電源。現在油田常用的變頻器主要采用交-直-交方式進行工作，即先把工頻交流電源通過整流部分轉換成直流電源，然后再通過逆變部分把直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。變頻器主要由整流部分、儲能環節、逆變部分、控制系統四部分組成（圖1）。

2 影響因素分析

變頻器對電動機的影響主要由于輸出側諧波的產生，機理是由于變頻器通過CPU控制功率元件的通斷，從而形成電壓、頻率可調的三相輸出電壓，變頻器輸出諧波含量與變頻器的類型、電動機繞組聯接方式、變流器的控制方式以及電動機的運行方式等因素有關[3]。

圖1 變頻器主要結構及基本原理示意圖

其輸出電壓和輸出電流是由SPWM波和三角載波的交點產生的，不是標準的正弦波，如油田常用的變頻器，其輸出電壓波形為方形波，輸出的電流波形包含很多諧波分量，通過相關運算得出輸出端包含較多的諧波成分，電流和電壓諧波同樣能使電動機的總損耗增加，溫度上升。同時諧波電流會改變電磁轉距，產生振動力矩，使電動機發生周期性轉速變動，影響輸出效率，并發出噪聲。變頻器輸出側的電流、電壓波形，如圖2所示。

2.1 對電動機損耗的影響

圖2 變頻器輸出電流、電壓波形圖

為了節約成本，油田常用變頻器多數不會增加濾波裝置，變頻器產生諧波含量都會作用到電動機上，諧波電流在轉子繞組中引起的銅耗，諧波電流產生的主磁通在鐵心中引起的鐵耗。表1是在電動機測試平臺上測試的同一種電動機在原態（電網直接供電）及變頻（50 Hz）時的實驗數據。電動機的輸入功率為變頻器后端的輸出功率，由試驗對比可知，電動機在高負載運行時效率降低0.68%，如果加上變頻器的效率得出拖動系統比原電動機效率約降低2%左右，所以變頻器在變頻50Hz時，變頻器加電動機組成的拖動系統是不節能的。

表1 Y280S-8型電動機原態與變頻測試數據

2.2 對電動機溫升的影響

首先變頻器會使電動機損耗增加，產生額外的熱量，其次油田用變頻器主要是為了降低電動機轉速，因為普通電動機散熱主要是轉子帶動風扇葉片旋轉來降低電動機內部溫度，隨著電動機轉速的下降，風扇排風量也會降低，進而使電動機內部溫度升高。當溫升超過最高容許工作溫度時，電動機使用壽命將大幅縮短[4]。以油田常見Y系列電動機為例，電動機型號為Y280S-8，冷卻方式為自冷，試驗從頻率50Hz降為20Hz恒負載運行，通過監測實時溫升來評價電動機受變頻器變頻影響的程度，見表2。得出頻率在30Hz以下時電動機溫升明顯。

表2 轉速對電動機溫升影響

2.3 對電動機噪聲振動的影響

電動機噪聲與振動增大是應用變頻器的常見問題，主要原因是變頻器輸出端諧波的存在，低次諧波會對電動機產生脈動。另外電動機的共振也是主要原因，在以某一頻率運行時電動機會產生機械共振。油田用電動機多數在室外或站場，噪聲影響不大，但是振動對電動機及其負載設備的危害大[5]，超過標準規定的振動直接傷害電動機軸承，加速其磨損，縮短使用壽命而造成安全事故。

2.4 對電動機絕緣的影響

變頻器對電動機絕緣性能的影響，例如對電動機匝間絕緣的影響，雖然“短期”絕緣性能降低不明顯，但卻能夠顯著影響電動機的壽命。主要原因是變頻器的高頻脈沖輸出的過電壓導致的，當電壓快速上升時，容易產生電暈放電現象，電暈放電使絕緣物質過早老化，減弱其絕緣特性。

3 解決對策

變頻器對電動機的影響主要是由產生的諧波及不合理使用方式造成的，變頻器產生的諧波可以影響電動機的損耗、溫升及噪聲振動，有效的消減諧波就可以減小影響，電動機的溫升及噪聲振動可以通過合理使用變頻器來減弱或消除。

3.1 諧波治理

變頻器產生的諧波對電動機的影響很大，油田常用的消減諧波的方式主要分為有源濾波和無源濾波兩種，有源濾波可以進行自動跟蹤消除諧波補償無功的設備，基本原理是通過實時采集電流信號，分離出來其中的諧波部分，在產生與系統中諧波大小相等方向相反的補償電流來實現濾波的目的。有源濾波器具有濾波效果好，可以進行無功補償，不消減基波等特點，用于大量使用變頻器的油田站場。

無源濾波結構簡單、成本低、運行可靠，基本原理是利用電感、電容和電阻的組合設計構成的濾波電路，可濾除某一次或多次諧波，主要應用于抽油機水泵等單臺設備。

3.2 合理選用及使用變頻器

1）變頻器選用時應考慮電動機的實際參數及工作負荷，對于使用年限長的電動機因絕緣及耐壓性能發生變化，在選用前應該進行針對性測試。對于長期在高負荷工況下運行電動機，為了保證使用的安全性，應在選型時使用大一檔的變頻器。對于新投產的變頻器配套電動機要選用變頻專用電動機，變頻器專用電動機絕緣效果好，配備獨立風扇冷卻效果好。

2）普通電動機搭配變頻器時應在合理的頻率區間使用。頻率過高使電動機發熱小、噪音低，定子的集膚效導致效率降低，致使輸出功率降低；頻率過低使諧波含量增加導致散熱性不好、發熱嚴重，影響電動機使用壽命。通過調研及試驗論證油田用變頻器頻率應設置在30～50 Hz，如果此頻率下不能滿足生產需要，應該考慮應用其他調速技術和搭配機械調速器件一同使用。

4 結論

變頻器在油氣生產中的應用能夠解決油田電動機低負荷運行效率低下的問題，是解決老油田油氣生產單耗逐年升高的有效途徑。同時隨著變頻器的大量使用，變頻器對電動機的影響也越來越受到重視，通過分析可知諧波是影響電動機的主要原因，所以抑制變頻器諧波含量，同時避免變頻器的低頻運行是減少變頻器對影響電動機的主要原因。

[1]黃國鳳.變頻器的油田應用及節能效果[J].工程技術（全文版），2016（11）：265.

[2]朱益飛.變頻器對普通電機設備的影響分析[J].變頻器世界，2011（5）：72-74.

[3]柯巖.變頻器諧波對電機效率的影響分析[J].電力學報，2010（3）：221-224.

[4]張承慧，徐海東，李珂.淺談變頻器供電條件下電動機的溫升與對策[J].變頻器世界，2006（10）：63-82.

[5]王松.Y系列三相異步電動機振動分析與抑制[D].濟南：山東大學，2007.

（編輯 沙力妮）

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胡慶明

2017-03-14

李東平，2006年畢業于大慶石油學院（石油工程專業），從事油氣儲運、計量間管理工作，E-mail：dpli@petrochina. com.cn，地址：黑龍江省大慶油田第三采油廠，163000。