抽油机永磁电机存在的问题及应用效果
关键词:永磁电机；功率因数；反电动势点
1永磁电机的应用现状
胜利油田孤东采油厂于2002年6月5日至10月进行了抽油机井自动调压变压器永磁电机技术试验。该技术从整个机械生产系统出发，用系统的概念对从变压器、控制柜到电机的整个机械油井驱动系统进行优化设计，用22-30kW小功率永磁电机替代普通Y系列37-55kW电机。2002年使用永磁电机65438台，自动调压变压器97台，平均单井日节电42kWh，系统效率提高3.5%，单井变压器容量减少18 30k va。截至2008年底，* * *已推广应用永磁电机500多台，平均单井电机功率由46.6kW下降到32.5kW，单井功率因数由0.562提高到0.905，单井变压器容量减少18 kVA。
永磁电机的使用也存在一些问题。部分永磁电机的功率因数过低，甚至低于0.3，明显小于额定值，给充分发挥永磁电机的节电效果带来了一定的影响。孤东采油厂能源管理站决定针对该问题进行现场调整试验。
永磁电机应用中的问题分析
2.1空载反电动势和临界反电动势
2.1.1空载反电动势
每个永磁同步电机都有不同的空载反电动势。同速永磁同步电机的轴相互连接，一个定子接三相交流电。当达到同步转速时，测试另一台被拖动电机定子的开路电压称为空载反电动势。
2.1.2临界反电动势
在一定负载下，连续调节永磁同步电机定子电压，用FLUK43B功率分析仪测试永磁同步电机瞬时无功功率，用万用表测试电压。当FLUK43B测得的无功功率既没有显示“C”(容性无功功率)，也没有显示“L”(感性无功功率)时，对应的定子电压就是负载下的临界反电动势，此时的无功功率很小(见表1)
表1 30kW 8极380V永磁同步电动机不同电压下对应不同负载率的功率因数
注:“+”代表感性无功功率；"-"-代表容性无功功率；永磁同步电机空载反电动势实测值为391.5V；；当测量的负载率为40%时，临界反电动势为383.5V。
2.2负载率和定子电压对功率因数(无功功率)的影响
对于不同额定电压(380V、660V、1140V)、不同额定功率(22 kW、30 kW)、不同转速(750RPM、1000RPM)的12永磁同步电动机，对应的负载率是不同的。
3永磁电机反电动势点调整测试
3.1测试目的
该试验有两个目的:一是确定永磁电机功率因数与电压的关系；二是确定永磁电机的反电动势点。
3.2现场调整和测试
2010年4月5日，孤东采油厂技术质量安全监督中心能源管理站对GO2-21-55、GO2-23-59两口机采井进行了永磁电机功率因数调整试验(两口井主要参数见表2)。测试当天，我们测试了两口井，并记录了测试数据(测试结果见表3)。
表2 Go2-21-55井和GO2-23-59井主要参数
表3 Go2-21-55井和GO2-23-59井电性参数测试数据
从表3可以看出:
(1)当定子电压高于永磁同步电机的临界反电动势时，其感性无功功率作为感性功率因数运行；当定子电压低于永磁同步电机的临界反电动势时，永磁同步电机的容性无功功率作为容性功率因数运行。
(2)当外置永磁同步电机的定子电压等于或近似等于其临界反电动势时，电机的无功功率最小，功率因数最高。
(3)当负载率较低时，功率因数随着外加定子电压偏离临界反电动势的增加而降低，定子电压偏离临界反电动势越多，功率因数降低越多。
(4)随着负荷率的增加，电压变化对功率因数的影响逐渐减弱，当负荷率大于40%时，电压变化对功率因数的影响很小。
(5)定子电压一定时，电机的负载率越低，功率因数越低。
(6)电机空载临界反电动势近似等于空载反电动势。随着负载的增加，临界反电动势逐渐减小，在抽油机工况下，临界反电动势减小约2.5%Ue。
GO2-21-55井是S11的三档变压器。我们先后在GO2-21-55井进行了三次调压试验(试验结果见表4)。结果表明，当电压调到416V三档时，最高功率因数为0.9655。
表4 Go2-21-55井测试表
当天测试过程中GO2-23-59井电压过高，最低电压440V V，原变压器只有三档，达不到预定电压。后来联系电机厂家，于4月11更换了七档变压器，并扩大了调压范围，现场进行了第二次试验。更换变压器后，GO2-23-59井进行了六次调压试验(试验结果见表5)。测试结果表明，变压器调至393V三档时，电机最高功率因数为0.955，有功功率为4.02kW，无功功率为- 0.87kvar
表5 Go2-23-59井测试表
两口井调整后的测试数据见表6。
表6 Go2-21-55井和GO2-23-59井调整后的测试数据
3.3测试结论
现场测试结果表明，在相同的工作条件下，永磁电机的功率因数与电压密切相关。变压器输出电压过低时，无功功率为负，此时电机为容性，功率因数低于0.9(额定值)。电压过高时，无功功率为正，此时电机为感性，功率因数也低于0.9(额定值)。当某一固定电压时，无功功率趋近于零，功率因数为1，电机达到理想运行状态，功率效率最高，损耗最小。此时电压等于电机的反电动势点。
从表5可以看出，GO2-21-55井反电动势点略低于416V，GO2-23-59井反电动势点略高于393V。由于变压器档位少，电压调整不够，无法准确调试两口井的反电动势点。
由于这两口油井存在间歇产油，因此在调整过程中油井有功功率变化不规律，没有明显的下降趋势。但据研究，随着永磁电机功率的增加，电机效率也相应提高，调整应该有一定的节电效果。
当电机的工作电压过高或过低时，不仅影响电机的功率因数，还会使电机因电压过高而过热，从而缩短电机的使用寿命，降低电机的运行效率。调整电动机的功率因数后，不仅提高了线路的功率因数，降低了网损，而且提高了电动机的效率，延长了其使用寿命。
4推广应用
2010年4月起，全厂测试永磁电机临界反电动势值并进行励磁调压，确保电压值在临界反电动势点附近，提高功率因数。* * *调整256台永磁电机，单井日均节电8.1kWh，单井平均功率因数提高0.107。总计256口油井永磁电机日节电2073.6 kWh，年节电41.62万元。
5.一些结论。
(1)确保以容性功率因数运行。根据电机铭牌上标注的空载反电动势，调整变压器的输出电压，使电压值低于空载反电动势的2.5%左右，最好以现场实测的高容性功率因数运行电机。这一特性在抽油机中尤为重要。1变压器驱动1电动机时，电动机的容性无功和变压器的感性无功相互补偿，可使变压器的一次功率因数大于0.90。1变压器驱动多台电动机时，适当控制容性功率因数和感性功率因数的比例运行永磁同步电动机，也可使变压器的一次功率因数大于0.90。
(2)s 11的部分在用油井变压器调压档位少，只有三档；调压范围窄，只有5%；调压精度低，不适合现场生产。如果将变压器全部更换为S11节能9级变压器，该变压器的调压范围为10%，每级调节2.5%，具有调节范围宽、级数多、能耗低的优点，能达到理想的调压效果，更适合现场生产。
参考
【1】闫敬东。永磁同步电机在抽油机上的应用分析，2006。P35-36。