节能电机选型及匹配方法
摘要：给出了节能电机类型及特点，阐述了不同油井工况下节能电机选择方法。
电机的节能效果既与电机和系统本身有关，还与油井工况、高含水、低渗透性、供液不足，含砂含蜡，及稠油等情况密切相关。
测试表明，超高转差率电机适用于振动载荷大的井，只在轻载30%以下负载时有节电效果，节电率可达20%左右；电磁滑差电机和变频调速电机适用于供液不足井。
关键词：节能电机；类型；特点；选择方法
1节能电机类型及特点
（1）稀土永磁同步电机。
由稀土永磁材料和起动鼠笼组成。
转子损耗比普通异步电机小得多，电机本身的效率比普通电机高约5个百分点，功率因数能达到0. 9以上，其额定运行时机械特性比普通电机还硬。
起动电流比普通电机大，起动过程中，电机转矩有振荡，其价格比普通电机高约一倍，但经常出现退磁现象，其效率和功率因数都优于一般异步电机。
如TYC250M-6，功率37kW，功率因数0.983，额定电流60.6A，堵转电流12.7倍，堵转力矩3.69倍。
缺点：和高转差电机比，没有消减振动载荷的能力，会增大对减速箱齿轮的冲击损害；釹铁硼材料本身的居里点只在120～130℃，一旦电机烧毁就会失磁；此外转子级数已定，不能适用调参的需要实行变极调速。
（2）电磁滑差电机。
在普通电机轴与负载轴之间增加一个电磁离合器，其传递扭矩随电磁离合器的励磁电流的大小而变化，励磁电流是根据电机电流进行反馈控制的。
在冲击载荷时，离合器滑差增大。
这使电机与系统达到较好的配合，还可以实现平滑调速。
系统节能除去励磁损耗和滑差损耗所剩无几，滑差大时要多耗能。
另外电磁离合器和励磁控制系统的成本比电机还要高。
目前这种电机主要是解决低冲次的问题。
（3）双功率电机。
双功率电机与普通电机的区别在于定子绕组不同，定子绕组是一个串联绕组，是一个有抽头的绕组。
比如37kW的电机，可以将定子绕组设计成一个为37 kW，另一个为22 kW。
控制柜中有一个电流检测电路，并且能够实现绕组的自动切换。
起动时可投入大功率绕组，运行时可投入小功率绕组，小功率绕组的效率和功率因数都很高。
这样就较好地解决了“大马拉小车”的问题。
普通电机的Y—△转换也属于双功率电机，只是Y接时功率偏小。
双功率电机成本和普通电机差不多，而且适合于旧电机节能改造。
（4）超高转差电机。
电机的转子是一种高阻转子。
利用高阻转子实现软特性，当遇到换向冲击载荷时，转速下降。
减速机和电机的扭矩变化趋于平缓，峰值扭矩大大降低，从而改善了机、杆、泵的配合，提高了泵的充满系数，增加产液量，达到系统节能的目的。
缺点：滑差高，损耗较大，效率低。
与超高转差电机特性相同的还有绕线式异步电机，该转子通过滑环，串联一个适当的电阻，同样可以实现软特性，电机不会过热。
这种软特性电机起动电流小，起动转矩大，其成本比普通电机高约50%。
测试表明，超高转差电机只在轻载30%以下负载
时有节电效果，节电率达20%。
主要原因，首先要使用超高转差率电机节电，适用于振动载荷大的井；其次要求电机的转差率要适度，不可过高，一般说各大油田，电机转差率的最大值不能超过6%～8%。
特点：①减小动载荷。
软特性改变了光杆运行速度的规律，使光杆在重载荷期间基本上呈匀速运行状态，此时加速度趋于0，悬点的动载荷减小。
杆上最大应力和应力变化范围相应减小，可减少抽油杆的疲劳和断脱事故。
②减小杆管弹性形变，提高泵效。
由于使用超高转差率电动机，在相同工况下，抽油机最大载荷和载荷变化范围减小，抽油杆和油管的弹性变形减小，在上、下死点附近较大的加速度使泵活塞产生超位移效应，泵的有效冲程增加，效率提高，产液量增加。
③解决了启动问题。
游梁式抽油机的惯性矩大，又是在重载条件下启动。
启动力矩大，启动电流小，它的启动品质因数是普通Y系列电动机的4-6倍，因此可一次平稳启动抽油机，这为抽油机合理匹配电动机和变压器创造了条件。
④提高了电动机效率。
由于抽油机电动机一般工作在轻载情况下，其效率在轻载时远远超过了普通电动机，明显的提高了运行效率。
⑤抑制或消除了发电状况。
使用普通电动机时，抽油机在重载荷时从电网多吸收了能量，储存在系统的旋转动能中，在接近上下死点的轻载荷时该动能释放出来，拖动电动机超过同步转速运行进入发电状态，变成电能反馈给电网。
这种无益的能量吞吐增加了系统的损耗。
采用该电动机拖动后由于软特性大大减少，消除了发电状态，降低了损耗。
⑥提高功率因数，减少线损和无功损耗。
缺点：转差调速电机结构复杂，维修维护困难，增加了投资成本，变速电机无信息化，智能化功能。
（5）双定子电机。
双定子电机是一种新型的异步电机，做成两部分定子。
起动时集两部分的合力矩以加大起动力矩，待起动完成时则切除一部，留下另一部分运行，以适应低负荷时以低功率来匹配达到节电的目的。
缺点：电机的制造难度和成本增加。
（6）电磁调速电机。
在抽油机既定的负荷条件下，通过仅改变其绕组结构完成6/8极，8/12极的单绕组非倍极改型设计，使其运行在原井抽油机上，其负荷率从20%～80%变化，电机都运行在高效区，这种方式既适用于旧电机改造，又适用于新电机生产。
（7）变频调速电机。
在普通电机的电源上加一个变频器，可以降低电机的容量，负荷率得到较大提高，电源功率因数接近1，可以调整上、下冲程的速比，能改善抽油机系统的配合，还可以实现平滑调速。
缺点：抽油机发电时不能回馈，要通过电阻把发电能量放掉；低冲次时电机和变频器发热严重，起动转矩和过载能力不大。
另外，一次投入大，现场管理难度大，而且变频器本身也有功率损耗(约5%～10%)，变频器的谐波对电网有一定的影响，增大电机附加损耗。
2节能电机选择与工况匹配
（1）对于高含水，泵挂浅(在1000 m以内)，中冲次(4次左右)的情况。
泵挂浅，冲次不高，抽油杆弹性形变不很大，主要是解决“大马拉小车”的问题，一般可选择8极的双功率电机或8极的稀土永磁电机。
如果选择双功率电机节能效果能达到12%以上；如果选择稀土永磁电机(在不退磁的情况下)，其节能效果能
达到15%以上。
（2）对于高含水，泵挂深(在1500 m以上)，中冲次(4次左右)的情况。
泵挂深，尽管冲次不高，抽油杆弹性形变也比较大，主要考虑系统效率问题。
建议选择8极的高转差电机，高转差电机的机械特性界于普通电机和超高转差电机之间，不是很硬，也不很软。
但起动转矩高，起动电流小，过载能力大，可以降低一个功率等级。
对解决“大马拉小车”及抽油杆弹性形变问题都能起到一定作用，节能效果可达到12%以上。
（3）对于高含水，高冲次( 5～7 次)，泵挂在1000 m或更深的情况。
由于冲次高、泵挂深，抽油杆弹性形变较大，主要是要解决泵效的问题。
应该选择软特性电机，使系统实现柔性配合，提高系统效率，减小减速机峰值扭矩及抽油杆脱断的几率。
选择超高转差电机或绕线式异步电机，节能效果都能达到15%。
（4）对于稠油，低冲次(一般在1～2 冲)的情况。
稠油、低冲次抽油杆弹性形变不太大，这时主要是实现电机的低转速。
从电机设计的角度，随着极数增加电机的功率因数和效率都降低，且体积增大，成本高，一般做到8极，10极及10极以上的电机很少做。
因此用低速电机来实现低冲次是不经济的。
目前的做法是选择电磁滑差电机和变频调速电机，这两种电机都能实现平滑调速，对于稠油、低冲次比较合适。
在低冲次时相对低速电机(12极)，节能效果是非常明显的。
采用(电机和减速机一体化的驱动装置，即减速电机，满足低冲次的需要，其中电机也可以选择变极电机，比如6/8变极，冲次可实现1. 5冲和2. 5冲，提高了系统效率，节能效果明显。
（5）对于供液不足，低冲次(一般在1～3冲)的情况。
由于低冲次抽油杆弹性形变不大，主要是考虑电机的低转速，选择电磁滑差电机和变频调速电机是比较合适的。
尤其是对那些供液量波动比较大的情况，如有时需要达到4冲或5冲，选择电磁滑差电机和变频调速电机更为合适。
当然，也可以采用其他方法实现1～5冲的调节。
（6）对于那些长冲程，低冲次(3～4 冲)，深抽(2000 m左右)的情况，主要是解决“大马拉小车”的问题。
在冲次不高的情况下，换向加速度不大，抽油杆的弹性形变不大。
因此选用8极的双功率节能电机或稀土永磁电机是比较合适的。
或选择8极的高转差电机，节能效果达到12%以上。
参考文献：
[1] 栾巍，地面采油设备节能新方法[J].大庆石油学院学报，2004（23）4:67-68.。
