抽油机用永磁同步电动机选型技术要求2013

1、抽油机用永磁同步电动机选型技术要求,二O一三年五月,Q/SH 0451-2012,永磁同步电动机在抽油机上的应用分析,一 标准背景及起草过程,主要内容,三 标准条文说明解释,永磁同步电动机在现场使用应注意的几个问题,第一部分,标准背景及起草过程,根据股份公司2010年中国石化企业标准制修订项目计划（项目计划编号2010-044），为规范永磁同步电动机的选用，促进企业提高节能技术水平和管理水平，由中国石油化工股份有限公司勘探开发事业部提出，中国石油化工股份有限公司科技开发部归口，胜利油田分公司技术检测中心负责起草该项标准,1 任务来源,2 目的意义,永磁同步电动机与异步电动机相比，具有启动转矩大

2、、高效区宽、功率因数高（可达0.9以上）等优点，已经被油田所接受，并成为了抽油机动力装置主要设备。但目前进入油田市场的永磁电动机品牌繁杂，质量、性能、节电效果不一，而其检测评价没有相关的国标、行标，某些参数只能以异步电动机标准作为参考，但其特有参数，比如：反电势点等没有可参考的依据，为对进入油田市场的永磁电动机的各项性能指标、现场使用条件进行规范，特编写本标准。 这项标准的起草和出台，将有助于采购部门及使用部门科学、合理的对抽油机用永磁同步电动机的性能进行评价，有助于规范油田市场,3 起草工作简要过程,标准起草工作小组先后奔赴现场使用数量较大、用户反映良好的5个永磁同步电动机制造厂，针对永磁同

3、步电动机的特点，对永磁同步电动机的技术参数以及技术使用难点进行了交流，主要交流问题包括： 1.1电动机的机座号与转速及功率的对应关系； 1.2电动机在功率、电压、频率为额定值时，其空载损耗、效率和功率因数保证值； 1.3额定电压下，电动机的堵转转矩与额定转矩之比应不低于的保证值； 1.4额定电压下，电动机堵转电流与额定电流之比； 1.5不同负载下效率、功率因数的变化； 1.6空载反电势的测定； 1.7是否具备相应的试验设备和试验方法； 1.8了解各厂家电动机使用的磁钢性能以及定子、转子矽钢片的使用情况,1 永磁同步电动机生产厂家调研,统计2007年以来的的试验室测试数据，主要包括空载测试参数、

4、负载测试参数、堵转测试参数。 2007年永磁同步电动机试验室测试数据，包括不同功率、不同极数永磁同步电动机的空载损耗、空载反电势，不同负载率下的电动机功率因数、电动机效率。 2008年、2010年永磁同步电动机试验室测试数据，包括不同功率、不同极数永磁同步电动机的空载损耗、空载反电势，不同负载率下（负载率为25%、50%、75%、100%、120%）的电动机功率因数、电动机效率,2 试验室试验,3 起草工作简要过程,空载电参数测试原理图,3 起草工作简要过程,2 试验室试验,试验室效率测试接线示意图,3 起草工作简要过程,2 试验室试验,试验室电机堵转转矩测量装置示意图 1.连接法兰盘 2.传

5、力杠杆 3.传感器 4.上安装板组件 5.调整垫块 6. 下安装板组件 7.数据处理单元8.PC机,3 起草工作简要过程,2 试验室试验,永磁同步电动机在堵转时振动较剧烈，各个转矩分量都是变换很快的瞬态量，这些都使永磁同步电动机转矩、转速测试较异步电机困难，目前国内还没有永磁同步电机堵转转矩测试仪器，堵转转矩都是根据理论计算得出，无法实现堵转转矩的实测，造成电机生产厂家的标注混乱，与电机实际堵转转矩相差大。 转矩测试采用的电机堵转转矩测试装置，能在1s内采集600个点，并通过信号调理模块将应变电信号转换成232格式，通过电脑可清晰的看出瞬时堵转数据并通过软件计算出电机堵转转矩。 电动机的堵转转

6、矩具体测试方法是将钢臂一端固定在电机转轴上，另一端放在压力传感器上。对电机施加电压，测试其堵转转矩,3 起草工作简要过程,2 试验室试验,主要包括2008年、2010年现场永磁同步电动机现场测试数据,3 起草工作简要过程,3 现场测试,4 数据统计分析,5 征求其他油田有关单位和专家的意见，提出本标准的征求意见稿,统计2007年以来的的试验室及现场试验、测试数据，统计数据包括： 4.1空载损耗、空载反电势； 4.2不同负载下的电动机效率、功率因数； 4.3堵转转矩、堵转电流； 4.4现场运行电压、功率因数及电动机功率利用率等参数,第二部分,永磁同步电动机在抽油机上的应用分析,抽油机用节能电动机

7、主要包括双功率电机 、直线电机 、高转差电机 、电磁调速电机 、磁阻电机 、抽油机专用永磁同步电机 、齿轮减速电机 等，它们各有优缺点。 实验测试结果说明，抽油机专用永磁同步电动机是近几年不断发展不断完善的电动机，任何抽油机上都可以应用，节电效果最好。特别其容性无功特性是其他电机无法比拟的。因此在抽油机上应为首选电机,1 抽油机用节能电机,1 抽油机用节能电机,2 替代异步电机优势,1、效率与功率因数高 异步电机在工作时，转子绕组要从电网吸收部分电能励磁，消耗了电网电能，这部分电能最终以电流在转子绕组中发热消耗掉，该损耗约占电机总损耗的2030%，它使电机的效率降低。该转子励磁电流折算到定子绕

8、阻后呈感性电流，使进入定子绕阻中的电流落后与电网电压一个角度，造成电机的功率因数降低。另外，从永磁同步电机与异步电机的效率及功率因数曲线可以看出，异步电动机在负载率50%时，其运行效率和运行功率因数大幅度下降，所以在抽油机上运行时效率不高。 永磁同步电动机在转子上镶嵌了永磁体后，由永磁体来建立转子磁场，在正常工作时转子与定子磁场同步运行，转子中无感应电流，不存在转子电阻损耗，只此一项可提高电机效率4%5%。由于在永磁同步电动机转子中无感应电流励磁，定子绕组有可能呈纯阻性负载，使电机功率因数几乎近于1,2 替代异步电机优势,永磁同步电动机转子结构图,2、启动转矩大 异步电机启动时，要求电机具有足

9、够大得启动转矩，但又希望启动电流不要太大，以免电网产生过大的电压降落而影响接在电网上的其他电机和电气设备的正常运行。此外，启动电流过大时，将使电机本身受到过大电磁力的冲击，如果经常启动，还有使绕组过热的危险。 永磁同步电动机一般也使用异步启动方式，由于永磁同步电动机在正常工作时转子不起作用，在设计永磁同步电动机时，可使转子绕组完全满足高启动转矩的要求，例如使启动转矩倍数由异步电机的1.8倍上升到2.5倍，甚至更大，较好的解决了动力设备中的“大马拉小车”的现象,2 替代异步电机优势,3、工作温升降低 由于异步电机工作时，转子绕组有电流流动，而这个电流完全以热能的形式消耗掉，所以在转子绕组中将产生

10、大量的热量，使电机的温升升高，影响了电机的寿命。 由于永磁同步电动机效率高，转子绕组中不存在电阻损耗，定子绕组中较少有或几乎不存在无功电流，使电机温升低，延长了电机的使用寿命,2 替代异步电机优势,4、对电网运行的影响 因异步电机的功率因数低，电机要从电网中吸收大量的无功电流，造成电网、输变电设备及发电设备中有大量无功电流，进而使电网的品质因数下降，加重了电网及输变电设备的负荷，同时无功电流在电网、输变电设备及发电设备中均要消耗部分电能，造成电力电网效率变低，影响了电能的有效利用。同样由于异步电机的效率低，要满足输出功率的要求，势必要从电网多吸收电能，进一步增加了电网能量的损失，加重了电网负荷

11、。 在永磁同步电动机转子中无感应电流励磁，电机的功率因数高，提高了电网的品质因数，使电网中不再需要安装补偿器。同时，因永磁同步电动机的效率高也节约了电能,2 替代异步电机优势,使用抽油机专用永磁电机替代普通电机，电动机的容量减少，工作电流大幅度下降，自身损耗和线路损耗大幅度减少，经济效益显著，主要包括以下4个方面,1.抽油机专用永磁同步电动机具有启动转矩大、效率和功率因数高、无转差及过负载能力强的特点，可使配套三相异步电动机功率降低1-2个功率段。每台30kW永磁高效同步电动机替代55kW异步电机平均节电1.5kW左右，按年运行8000h计算，每年可节电12000kWh,3 替代异步电机效益分

12、析,3.由于变压器、电动机容量的降低，可使供电线路电流下降、功率因数提高，可使供电系统在不改变原来供电设备的基础上，增加系统的供电能力。 功率因数的提高可使电流、视在功率减小1/2以上，在不增加变电所的容量的情况下，相当于变电所增容50,2.电流下降使得线路损耗下降。变压器至电动机的电缆长度约为100m,截面积为25mm2。电流的下降，使单井低压电缆有功损耗减少0.50.7kW；变压器容量的减少，自身损耗减少0.3 kW左右；一条带10口井的6000V线路可减少高压线路损耗约3.9kW,3 替代异步电机效益分析,4.永磁同步电动机可在容性负载状态下运行，低压侧不需要增加任何电容补偿，就可使线路

13、的功率因数达到0.9以上；由于变压器呈感性负载，可以和电动机进行一部分的无功补偿，因此高压侧的功率因数可达到0.95以上，减少电容补偿费用,3 替代异步电机效益分析,永磁同步电动机机在抽油机上的应用，人们最担心的是退磁问题。曾抽测6个生产厂家的12台在用永磁同步电机，其中4家的主要参数合格率为零，主要是用磁体的质量不过关；2家的全部合格。不合格的主要原因是：据调研，国内永磁体正规生产厂的设备先进，检验设备齐，工艺过程全部真空化，产品的质量好。一些设备陈旧，检验设备不全，工艺落后的厂家生产的永磁体各项性能参数很难做到长期稳定。因此，必须要求该电机厂选用正规生产厂家的永磁体,4 现场使用的几个问题

14、,1.退磁问题,五类磁钢： 铝镍钴磁钢、铁氧体磁钢、烧结钕铁硼、粘接钕铁硼、钕铁硼磁钢 每类产品按最大磁能积大小划分若干个牌号： N35N52,N35MN50M，N30HN48H,N30SHN45SH，N28UHN35UH,N28EHN35EH 磁钢N38SH： N38是磁钢性能标号，SH是耐温标号，耐温120度,1.退磁问题,4 现场使用的几个问题,为此，我们可以从永磁同步电机中拆出所有永磁体，从每台中随机抽取几块，用大块稀土永磁无损测量装置测试永磁体的剩磁、磁感矫顽力、内禀矫顽力、最大磁能积，与标准比对，即可知道永磁体是否退磁。 选择合理标号的磁钢，可以有效防止电退磁,1.退磁问题,4 现

15、场使用的几个问题,抽油机电机运行时负载率都很低，而启动时又需要大的启动转矩，因此，人们在选择永磁同步电机时总希望启动转矩倍数大的电机，这样可以降低抽油机配备电机的额定功率，进而提高电机的负载率，达到节电之目的。但在抽油机工作状况下，部分生产厂家的永磁同步电机启动转矩倍数远低于说明书中的指标，故抽油机启动困难，甚至无法启动。主要原因是：低压线路较长，启动电流过大（实测在10倍额定电流以上，有的在启动开始的前2个周波达到18倍），导致变压器及低压线路的压降很大，永磁同步电机在严重欠压状态下启动,2.启动问题,4 现场使用的几个问题,3家生产厂的永磁同步电机测试结果,2.启动问题,4 现场使用的几个

16、问题,额定电压下启动转矩大且启动电流也大的永磁同步电机在抽油机工作状态下启动转矩反而小 ，因此，在抽油机上考虑永磁同步电机的启动性能时，仅仅考虑启动转矩倍数是不够的，还应当考虑启动电流的影响,2.启动问题,4 现场使用的几个问题,1）空载反电势：每台永磁同步电机都有一个不同的空载反电势，测取方法是： 用同种转速的永磁同步电机轴对轴连接，一台定子接通三相交流电，达到同步转速时，测试另一台被拖动电机定子的开路电压即为空载反电势。 用电流拐点法测试电动机反电势。实际冷态下，电动机在额定电压、额定频率下空载稳定运行后，调整输入电压绘制电流曲线，根据曲线找出电流拐点，此时对应的电动机端输入电压即为该电动

17、机的空载反电势,3.功率因数与电机反电势,4 现场使用的几个问题,多功率异步电机空载特性曲线,3.功率因数与电机反电势,4 现场使用的几个问题,永磁同步电机空载特性曲线,3.功率因数与电机反电势,4 现场使用的几个问题,2）临界反电势：在一定负载下，连续调整永磁同步电机的定子电压，用FLUK43B电力分析仪测试永磁同步电机的瞬时无功功率，并用万用表测试电压，当 FLUK43B测取的无功功率即不显示“C”（容性无功）也不显示“L”（感性无功）时对应的定子电压即为该负载下的临界反电势，此时的无功功率最小,4 现场使用的几个问题,3）负载率、定子电压对（无功功率）功率因数的影响 对不同额定电压等级（

18、380V、660V、1140V）、不同额定功率（22 kW 、30 kW）和不同转速（750转/分钟、1000转/分钟）的12台永磁同步电机在不同负载率对应不同电压下的有功功率、无功功率和功率因数进行测试，结果说明：各参试之间的规律关系都基本一致,3.功率因数与电机反电势,4 现场使用的几个问题,30kW 8极380V永磁同步电机不同负载率、不同电压下的功率因数,3.功率因数与电机反电势,4 现场使用的几个问题,4）永磁同步电机功率因数与负载率、反电势的关系 当定子电压高于永磁同步电机的临界反电势时，其感性无功功率呈感性功率因数运行；当定子电压低于永磁同步电机的临界反电势时，永磁同步电机的容性

19、无功功率呈容性功率因数运行。 外加永磁同步电机的定子电压等于或近似等于其临界反电势时，电机无功功率最小，功率因数最高。 负载率较低时，功率因数随外加定子电压偏离临界反电势的增大而减小，定子电压偏离临界反电势越多功率因数下降越多,3.功率因数与电机反电势,4 现场使用的几个问题,4）永磁同步电机功率因数与负载率、反电势的关系 随负载率的增大，电压变化对功率因数的影响逐渐减弱，当负载率大于40%时，电压变化对功率因数的影响很小。 在定子电压一定时，电机的负载率越低功率因数越低。 电机空载临界反电势近似等于空载反电势，随着负载的增加临界反电势逐渐下降，在抽油机的工况状态下下降约2.5%U,3.功率因

20、数与电机反电势,4 现场使用的几个问题,对在用2年以上的1356台永磁同步电动机作了跟踪调查和统计，永磁同步电机的轴和轴承的故障率较高断轴32起，轴承损坏113起。其原因是：30kW永磁同步电机的轴径为60mm，轴承2313；而替换的Y系列45kW、55kW电机的轴径是75mm，轴承23142317。因此，永磁同步电机的轴径和轴承比同功率的异步电机应适当加大12个规格，才能满足在抽油机上的使用要求,4.断轴问题,4 现场使用的几个问题,第三部分,标准条文说明解释,1 范围,本标准规定了抽油机用永磁同步电动机（以下简称永磁电动机）的型式基本参数与尺寸、技术要求、试验方法、检验规则，标志、包装、运

21、输和贮存等的要求，以及电动机的现场安装与使用规范。 本标准适用于永磁电动机。 本标准适用于油田企业永磁电动机的选型、采购、检验、验收、入库以及使用等,GB755 旋转电动机 定额和性能 GB997 电动机 结构及安装型式代号 GB/T1032 三相异步电动机试验方法 GB1993 旋转电动机冷却方法 GB/T4772.1 旋转电动机尺寸和输出功率等级 第一部分 机座号56400和凸缘号221080 GB/T4942.1 旋转电动机外壳防护等级（IP代码） GB10068 旋转电动机 振动测定方法及限值 GB10069.1 旋转电动机 噪声测定方法及限值 第一部分：旋转电动机噪声测定方法 GB/

22、T22711 高效三相永磁同步电动机技术条件（机座号132280） JB/T9615.1 交流低压电动机散嵌绕组匝间绝缘试验方法 JB/T9615.2 交流低压电动机散嵌绕组匝间绝缘试验限值 JB/T9616 Y系列（IP44）三相异步电动机技术条件（机座号80315） JB/T 10391 Y系列(IP44)三相异步电动机技术条件(机座号80355,2 规范性引用文件,3 型式基本参数与尺寸,3.1 电动机的结构及安装型式应符合GB997中IMB5、IMB35、IMB3、IMVI的规定并按表1的规定制造,表1 电动机的结构及安装型式对应表,3 型式基本参数与尺寸,3.2 电动机的外壳防护等级

23、符合GB/T4942.1中IP44的规定。 3.3 电动机的冷却方法符合GB1993中IC411的规定。 3.4 电动机的定额是以连续工作制（SI）为基准的连续定额。 3.5 电动机的额定频率为50Hz，额定电压为380V、660V、1140V。 3.6 电动机应额定输出功率范围如下，单位为kW： 5.5，7.5，11，15，18.5，22，30，37，45，55。 3.7 电动机的机座号与转速及功率的对应关系应符合表2的规定。 3.8 电动机的尺寸及公差应符合GB/T22711的规定,表2 机座号与转速及功率对应关系,3 型式基本参数与尺寸,4.1 在下列的海拔高度、环境空气温度以及环境空气

24、相对湿度条件下，电动机应能额定运行： a) 海拔高度不超过1000m； b) 环境空气最高温度随季节而变化，不低于25，但不超过45； c) 最湿月月平均最高相对湿度为90%，同时该月月平均最低温度不高于25。 注：如电动机指定在海拔超过1000m或环境温度高于45的条件下使用时，应按GB755标准规定执行。 4.2 电动机运行期间电源电压的频率对额定值的偏差应按GB755的规定,4 技术要求,4.3 电动机在功率、电压及频率为额定时，其效率、空载损耗的保证值应符合表3的规定。 4.4电动机在电压和频率为额定值时，其功率因数在额定负载时应不低于0.95，在1/2额定负载时应不低于0.92，在1

25、/4额定负载时应不低于0.88。 4.5 在额定电压下，电动机的堵转转矩与额定转矩之比的保证值应不低于表4的规定,4 技术要求,表3 效率和空载损耗保证值,4 技术要求,表4 堵转转矩与额定转矩之比的保证值,4 技术要求,4.6 在额定电压下，电动机牵入转矩与额定转矩之比的保证值应不低于1.5。 4.7 在额定电压下，电动机失步转矩与额定转矩之比的保证值应不低于2.4。 4.8 在额定电压下，电动机堵转电流对额定电流之比应不大于8.5,4 技术要求,4.9 永磁电动机空载反电势范围及测试方法 4.9.1 永磁电动机空载反电势的范围应符合表5规定,表5 永磁电动机空载反电势的范围,4 技术要求,

26、4.9.2 永磁电动机反电势测定方法 a) 将被测电动机拖至额定同步转速作为发电动机空载运行，分别测量电动机绕组三相出线端电压，取其平均值作为空载反电动势； b) 用电流拐点法测试电动机反电势。实际冷态下，电动机在额定电压、额定频率下空载稳定运行后，调整输入电压绘制电流曲线，根据曲线找出电流拐点，此时对应的电动机端输入电压即为该电动机的空载反电势。 4.10 永磁电动机的轴径不低于表6的规定,4 技术要求,4 技术要求,表6 永磁电动机轴径限定值,4 技术要求,4.11 电动机电气性能保证值的容差应符合GB755的规定。 4.12 当海拔高度和环境空气温度符合本标准4.1的规定时，电动机定子绕

27、组的温升限值（电阻法）应不超过下列规定。 a) B级绝缘为80K； b) F级绝缘为105K； c) 轴承的允许温度（温度计法）应不超过95。 4.13 电动机在热状态和逐渐增加转矩的情况下，应能承受4.7所规定的失步转矩值（计及容差），历时15S而无转速突变、转停及发生有害变形，此时，电动机和频率应维持在额定值。 4.14 电动机在空载情况下，应能承受提高转速至额定值的120%，历时2min而不发生有害变形,4 技术要求,4.15 电动机定子绕组对机壳的热态对地绝缘电阻应不低于下列公式所求得的数值。 R=U/（1000+0.01P） 式中： R电动机定子绕组对机壳的热态绝缘电阻，M； U电动

28、机额定电压，V； P电动机额定输出功率，kW。 4.16 电动机定子绕组应能承受1min的耐电压试验而不发生击穿。试验电压频率为50Hz，并尽可能为正弦波形。其电压有效值按GB755规定值进行,4 技术要求,4.17 电动机定子绕组应能承受匝间冲击耐电压试验而不被击穿。试验冲击电压峰值按JB/T9615.2的规定。 4.18 电动机在空载时测得的振动速度有效值应符合GB10068的规定。 4.19 电动机在空载时测得的A计权声功率级的噪声数值应符合GB/T10069.1的规定 4.20 当三相电源平衡时，电动机的三相空载电流中任何一相与三相平均值的偏差不大于三相平均值的10%。 4.21 电动

29、机气隙不均匀度应符合JB9616的规定。 4.22 电动机有一个圆柱形轴伸，双方另有协议时允许电动机制成两个轴伸，第二轴伸应能传递额定输出，但只能用联轴器传动,5 试验方法,5.1 电气性能试验按GB/T22711、GB/T1032标准中规定进行。 5.2 噪声试验按GB/T1009.1标准规定进行。 5.3 振动试验按GB10068标准规定进行。 5.4 绕组匝间耐电压试验按JB/T9615.1标准规定进行。 5.5 牵入转矩和失步转矩的测定按GB/T22711标准规定进行。 5.6 空载特性：在空载稳定运行状态下分别测取被测电动机的空载电压、空载电流和空载损耗,6 检验项目,6.1 每台电

30、动机须经出厂检验合格后才能出厂，并应附有产品合格证。 6.2 电动机的检验项目 a) 空载特性：空载电压、空载电流、空载损耗、空载反电势； b) 效率和功率因数的测定； c) 堵转电流和堵转转矩测定； d) 轴径,6 检验项目,6.3 电动机的机械检查项目 a) 转动检查：电动机转动时，应平稳轻快，无停滞现象； b) 外观检查：检查电动机的装配是否完整正确，电动机表面油漆干燥完整、均匀、无污损、碰坏、裂痕等现象； c) 安装尺寸、外形尺寸及键的尺寸检查：安装尺寸、外形尺寸及键的尺寸应符合本标准3.8的规定,略,7 标志、包装、运输和贮存,应用标准对某次永磁同步电机测试的分析： 抽取2007 年以后安装并在用的永磁同步，共抽取永磁同步电机48台。 主要考察永磁同步电机的空载损耗、空载反电势、额定功率因数、额定效率、堵转转矩倍数以及轴径6项参数， 合格率分别为：52.08%、68.75%、79.17%、43.75%、43.75%、47.92,6个表征永磁同步电机特性的指标合格率都不高，说明此次抽测的永磁同步电机还存有不少问题，直接影响到永磁同步电机的性能，主要原因为： 硒钢片、磁钢选材不达标。选用的锡钢片不是冷轧的，导致空载损耗大，使得电机综合效率下降；选用的磁钢低于35SH，这类磁钢易出现退磁现象，造成电机反电势下降，功率因数和效率降低。 材料用量不够。包括永磁体用量