抽油機用永磁同步電動機選型技術要求

抽油機用永磁同步電動機選型技術要求一標準背景及起草過程 ?二永磁同步電動機在抽油機上的應用分析■三標準條文說明解釋 、四永磁同步電動機在現(xiàn)場使用應注意的幾個問題第一局部標準背景及起草過程根據(jù)股份公司2021年中國石化企業(yè)標準制修訂工程方案［工程方案編號2021-044〕，為標準永磁同步電動機的選用，促進企業(yè)提高節(jié)能技術水平和管理水平，由中國石油化工股份勘探開發(fā)事業(yè)部提出，中國石油化工股份科技開發(fā)部歸口，勝利油田分公司技術檢測中心負責起草該項標準。永磁同步電動機與異步電動機相比，具有啟動轉矩大、高效區(qū)寬、功率因數(shù)高〔可達0.9以上〕等優(yōu)點，已經被油田所接受,并成為了抽油機動力裝置主要設備。但目前進入油田市場的永磁電動機品牌繁雜，質量、性能、節(jié)電效果不一，而其檢測評價沒有相關的國標、行標，某些參數(shù)只能以異步電動機標準作為參考,但其特有參數(shù)，比方：反電勢點等沒有可參考的依據(jù)，為對進入油田市場的永磁電動機的各項性能指標、現(xiàn)場使用條件進行標準；特編寫本標準。這項標準的起草和出臺，將有助于采購部門及使用部門科學、、合理的對抽油機用永磁同步電動機的性能進行評價，有助于標準油田市場。1永磁同步電動機生產廠家調研標準起草工作小組先后奔赴現(xiàn)場使用數(shù)量較大、用戶反映良好的5個永磁電動機制造廠，針對永磁同步電動機的特點，對永磁電動機的技術參數(shù)以及技術使用難點進行了交流，主要交流問題包括：L1電動機的機座號與轉速及功率的對應關系；L2電動機在功率、電壓、頻率為額定值時，其空載損耗、效率和功率因數(shù)保證值；1.3

額定電壓下，電動機的堵轉轉矩與額定轉矩之比應不低于的保證值；L4額定電壓下，電動機堵轉電流與額定電流之比；L5不同負載下效率、功率因數(shù)的變化;L6空載反電勢的測定；1.7

是否具備相應的試驗設備和試驗方法;L8了解各廠家電動機使用的磁鋼性能以及定子、轉子矽鋼2試驗室試驗統(tǒng)計2007年以來的的試驗室測試數(shù)據(jù)，主要包括空載測試參數(shù)、負載測試參數(shù)、堵轉測試參數(shù)。2007年永磁同步電動機試驗室測試數(shù)據(jù)，包括不同功率、不同極數(shù)永磁同步電動機的空載損耗、空載反電勢，不同負載率下的電動機功率因數(shù)、電動機效率,，2021年、2021年永磁同步電動機試驗室測試數(shù)據(jù)，包括不同功率.不同極數(shù)永磁同步電動機的空載損耗、空載反電勢，不同負載率下［負載率為25%、50%、75%、100%、125%］的電動機功率因數(shù).電動機效率?？蛰d電參數(shù)測試原理圖2試驗室試驗電源380V.50Hz電能測試儀電動機電能測試儀轉矩轉速儀試驗室效率測試接線示意圖反饋回電里--2試驗室試驗永磁同步電動機在堵轉時振動較劇烈，各個轉矩分量都是變換很快的瞬態(tài)量，這些都使永磁同步電動機轉矩、轉速測試較異步電機困難,目前國內還沒有永磁同步電機堵轉轉矩測試儀器，堵轉轉矩都是根據(jù)理論計算得出，無法實現(xiàn)堵轉轉矩的實測，造成電機生產廠家的標注混亂,與電機實際堵轉轉矩相差大。轉矩測試采用的電機堵轉轉矩測試裝置，能在1s內采集600個點，并通過信號調理模塊將應變電信號轉換成232格式，通過電腦可清晰的看出瞬時堵轉數(shù)據(jù)并通過軟件計算出電機堵轉轉矩。電動機的堵轉轉矩具體測試方法是將鋼臂一端固定在電機轉軸上,另一端放在壓力傳感器上。對電機施加電壓，測試其堵轉轉矩o試驗室電機堵轉轉矩測量裝置示意圖1?連接法蘭盤2?傳力杠桿3.傳感器4.上安裝板組件5?調整墊塊6.下安裝板組件7?數(shù)據(jù)處理單元8.PC機3現(xiàn)場測試主要包括2021年、2021年現(xiàn)場永磁同步電動機現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)。4數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析統(tǒng)計2007年以來的的試驗室及現(xiàn)場試驗、測試數(shù)據(jù)，統(tǒng)計數(shù)據(jù)包括：4.1

空載損耗、空載反電勢；4.2

不同負載下的電動機效率、功率因數(shù)；4.3

堵轉轉矩、堵轉電流；4.4

現(xiàn)場運行電壓、功率因數(shù)及電動機功率利用率等參數(shù)°5征求其他油田有關單位和專家的意見，提出本標準的征求意見稿第二局部永磁同步電動機在抽油機上的應用分析永磁同步電動機機在抽油機上的應用，人們最擔憂的是退磁問題。曾抽測6個生產廠家的12臺在用永磁同步電機，其中4家的主要參數(shù)合格率為零，主要是用磁體的質量不過關；2家的全部合格。不合格的主要原因是：據(jù)調研，國內永磁體正規(guī)生產廠的設備先進，檢驗設備齊，工藝過程全部真空化，產品的質量好。一些設備陳舊，檢驗設備不全，工藝落后的廠家生產的永磁體各項性能參數(shù)很難做到長期穩(wěn)定。因此，必須要求該電機廠選用正規(guī)生產廠家的永磁體O五類磁鋼：鋁操鉆磁鋼、鐵氧體磁鋼、燒結效鐵硼、粘接紋鐵硼、鐵鐵硼磁鋼每類產品按最大磁能積大小劃分假設干個牌號：N35—N52,N35M—N50M,N30H—N48H/N30SH—N45SH,N28UH—N35UH,N28EH—N35EH磁鋼N38SH:N38是磁鋼性能標號，SH是耐溫標號，耐溫120度。為此，我們從正在抽油機井場運行2年以上的永磁同步電機隨機抽取5臺進行解剖，拆出所有永磁體，從每臺中隨機抽取4——5塊,共抽取23塊永磁體型號為〔NTP33SH〕。用中國計量科學院生產的NIM一—10000H大塊稀土永磁無損測量裝置測試23塊永磁體的剩磁、磁感矯頑力、內哀矯頑力.、最大磁能積。從測試結果可知，隨機抽取的5臺電機23塊永磁體，所有磁性參數(shù)都到達國家標準。說明該標號永磁體根本沒退磁,是穩(wěn)定可靠的,抽油機電機運行時負載率都很低，而啟動時又需要大的啟動轉矩，因此，人們在選擇永磁同步電機時總希望啟動轉矩倍數(shù)大的電機，這樣可以降低抽油機配備電機的額定功率，進而提高電機的負載率，到達節(jié)電之目的。但在抽油機工作狀況下，局部生產廠家的永磁同步電機啟動轉矩倍數(shù)遠低于說明書中的指標，故抽油機啟動困難，甚至無法啟動。主要原因是:低壓線路較長，啟動電流過大［實測在10倍額定電流以上，有的在啟動開始的前2個周波到達18倍〕，導致變壓器及低壓線路的壓降很大，永磁同步電機在嚴重欠壓狀態(tài)下啟動O3家生產廠的永磁同步電機測試結果狀態(tài)/參數(shù)30kW,8極，380V甲乙丙額定啟動電流倍數(shù)1st7.21112-2電壓啟動轉矩倍數(shù)Tst3-23.23.5狀態(tài)啟動品質因數(shù)K0.06170.02640.0235模擬啟動電流倍數(shù)1st6-39.29；抽油機啟動轉矩倍數(shù)Tst2-42-051.9狀態(tài)啟動品質因數(shù)K0.06050.02420.0202備注：1.抽油機模擬狀態(tài)下變壓器S50kVA。2?啟動品質因數(shù)計算公式為：K=F額定電壓下啟動轉矩大且啟動電流也大的永磁同步電機在抽油機工作狀態(tài)下啟動轉矩反而小，因此，在抽油機上考慮永磁同步電機的啟動性能時，僅僅考慮啟動轉矩倍數(shù)是不夠的,還應當考慮啟動電流的影響。［1］空載反電勢：每臺永磁同步電機都有一個不同的空載反電勢，測取方法是：用同種轉速的永磁同步電機軸對軸連接，一臺定子接通三相交流電，到達同步轉速時，測試另一臺被拖動電機定子的開路電壓即為空載反電勢,〔2〕臨界反電勢：在一定負載下，連續(xù)調整永磁同步電機的定子電壓，用FLUK43B電力分析儀測試永磁同步電機的瞬時無功功率，并用萬用表測試電壓，當FLUK43B測取的無功功率即不顯示"C"［容性無功〕也不顯示"L"［感性無功〕時對應的定子電壓即為該負載下的臨界反電勢，此時的無功功率很小IE7也空敕特性曲線多功率電機空載特性曲線,工■■空毅特性曲線la1L[*弓；空3M%電機V9?sTYC2H0S~12■定功班：45r出廠編號，C46Mo=MOV%io-i.aia^=Q7591k?Pf?-0.8366k*Pfc--0.07713k，永磁同步電機空載特性曲線［3］負載率、定子電壓對I：無功功率］功率因數(shù)的影響對不同額定電壓等級［380V、660V、1140V］、不同額定功率［22kW、31：）kW］和不同轉速［750轉/分鐘、1000轉/分鐘〕的12臺永磁同步電機在不同負載率對應不同電壓下的有功功率、無功功率和功率因數(shù)進行測試，結果說明：各參試之間的規(guī)律關系都根本一致O30kW8極380V永磁同步電機不同負載率、不同電壓下的功率因數(shù)電壓有功功率（kW）無功功率（kvar）功率因數(shù)（C0S中）空載10%20%40%空載10%20%40%空載10%20%40%3500-683.01612-6.54-6.98-6.45-3.450.1030.3960-6810.9613600.683.016.0111.99-5.13-5.17-4.62-2.430.1310.5030.7930.983700.692-93612.01-3.67-2.34-2.27-0.930-1850.7870.9350.9973800.692-99612-2.32-2.06-0.37-0.530.2850.8230.9980.9993900.723.016.01120.18o.os0.381.530.970.9990-9980.9924000813612.012.512-24L482-620.3070.8010-9710.9774100.933.015.9911.996.052.912-783.980.1520-7190-9070-9494201.0136129.76.644.835.770.1040.4120.7790.901〔4〕永磁同步電機功率因數(shù)與負載率、反電勢的關系①當定子電壓高于永磁同步電機的臨界反電勢時，其感性無功功率呈感性功率因數(shù)運行；當定子電壓低于永磁同步電機的臨界反電勢時,永磁同步電機的容性無功功率呈容性功率因數(shù)運行□②外加永磁同步電機的定子電壓等于或近似等于其臨界反電勢時，電機無功功率最小，功率因數(shù)最高,，③負載率較低時，功率因數(shù)隨外加定子電壓偏離臨界反電勢的增大而減小，定子電壓偏離臨界反電勢越多功率因數(shù)下降越多,,〔4〕永磁同步電機功率因數(shù)與負載率、反電勢的關系④隨負載率的增大，電壓變化對功率因數(shù)的影響逐漸減弱，當負載率大于40%時，電壓變化對功率因數(shù)的影響很小.,⑤在定子電壓一定時，電機的負載率越低功率因數(shù)越低O⑥電機空載臨界反電勢近似等于空載反電勢，隨著負載的增加臨界反電勢逐漸下降，在抽油機的工況狀態(tài)下下降約2.5%U□對在用2年以上的1356臺永磁同步電動機作了跟蹤調查和統(tǒng)計，永磁同步電機的軸和軸承的故障率較高——斷軸32起，軸承損壞113起,，其原因是：30kW永磁同步電機的軸徑為60mm,軸承2313;而替換的Y系列45kW、55kW電機的軸徑是75mm,軸承2314--2317。因此,永磁同步電機的軸徑和軸承比同功率的異步電機應適當加大1--2個規(guī)格，才能滿足在抽油機上的使用要求。第三局部標準條文說明解釋本標準規(guī)定了抽油機用永磁同步電動機〔以下簡稱永磁電動機〕的型式根本參數(shù)與尺寸、技術要求、試驗方法、檢驗規(guī)那么，標志、.包裝、運輸和貯存等的要求，以及電動機的現(xiàn)場安裝與使用標準.,本標準適用于永磁電動機,本標準適用于油田企業(yè)永磁電動機的選型、采購、檢驗、驗收、入庫以及使用等。GB755旋轉電動機定額和性能GB997電動機結構及安裝型式代號GB/T1032三相異步電動機試驗方法GB1993旋轉電動機冷卻方法GB/T4772.1旋轉電動機尺寸和輸出功率等級第一局部機座號56?400和凸緣號22~1080GB/T4942.1旋轉電動機外殼防護等級〔IP代碼］GB10068旋轉電動機振動測定方法及限值GB10069,1定方法GB/T22711JB/T9615.1JB/T9615.2旋轉電動機噪聲測定方法及限值第一局部：旋轉電動機噪聲例:U高效三相永磁同步電動機技術條件［機座號132?280］交流低壓電動機散嵌繞組匝間絕緣試驗方法交流低壓電動機散嵌繞組匝間絕緣試驗限值JB/T9616Y系列［IP44〕三相異步電動機技術條件［機座號80?315］JB/T10391?Y系列(IP44)三相異步電動機技術條件(機座號80?355)3.1電動機的結構及安裝型式應符合GB997中IMB5、IMB35、IMB3、IMVI的規(guī)定并按表1的規(guī)定制造.表1電動機的結構及安裝型式對應表機座號結構及安裝代號132-225B3、B5、B35.V1250315B3、B35、VI3.2

電動機的外殼防護等級符合GB/T4942.1中IP44的規(guī)定,，3.3

電動機的冷卻方法符合GB1993中IC411的規(guī)定O3.4

電動機的定額是以連續(xù)工作制〔51〕為基準的連續(xù)定額,，3.5

電動機的額定頻率為50Hz,額定電壓為380V、660V、1140V。3.6

電動機應額定輸出功率范圍如下，單位為kW:5.5, 7.5,11,15,18.5,22,30,37,45,55。3.7

電動機的機座號與轉速及功率的對應關系應符合表2的規(guī)定°3.8

電動機的尺寸及公差應符合GB/T22711的規(guī)定。表2機座號與轉速及功率對應關系機座號同步轉速r/mm15001000750500375功率kW132s5.5————75————117.5———15117.5——18.5————221511——3018.5,2211,15——225s37,453°18$22,3011—453022,3015,18.5—5530,37302211,15280s-45373018.5,225545,55315s——552■^4.1

在以下的海拔高度、環(huán)境空氣溫度以及環(huán)境空氣相對濕度條件下，電動機應能額定運行：口）海拔高度不超過1000m;b）環(huán)境空氣最高溫度隨季節(jié)而變化，不低于一25℃,但不超過45℃;；cI 最濕月月平均最同相對濕度為90%,同時該月月平均最低溫度不同于25七。注：如電動機指定在海拔超過1000m或環(huán)境溫度高于45（的條件下使用時,應按GB755標準規(guī)定執(zhí)行。4.2

電動機運行期間電源電壓的頻率對額定值的偏差應按GB755的規(guī)定,14.3

電動機在功率、電壓及頻率為額定時，其效率、空載損耗的保證值應?f合表3的規(guī)定。4.4

電動機在電壓和頻率為額定值時，其功率因數(shù)在額定負載時應不低于0.95,在1/2額定負載時應不低于0.92,在1/4額定負載時應不低于0.88。4.5

在額定電壓下，電動機的堵轉轉矩與額定轉矩之比的保證值應不低于表4的規(guī)定。表3效率和空載損耗保證值功率kW同步轉速r/min1500100075050037515001000750500375空載損耗kW效率%5.50.200.220-24——90.590.090.0——7.50-230.300-34——91-591.291-0——110-360.420-50——92.592.592.291.5—150.160.550.58——92.592.092.091.8—18.50.520.550.580.700.7293.593.293.093.092.8220.550.590.630.760.8993.893.593.093.092.8300-720.810.891.01—93.893.893.593.5—370-910.961-101.14—94.093.893.593.5—451.001.081.14——94.094.094.4——551-201.07———94.594.5———表4堵轉轉矩與額定轉矩之比的保證值功率kW同步轉速r/min15001000750500375堵轉轉距/額定轉矩7.5332.72.2—11332.72.2—15332.72-22118.5332.72.221223282.72-2303282"2.2—3732.82.72.2—4532.82.72-2—5532.82.72.2—4.6

在額定電壓下，電動機牽入轉矩與額定轉矩之比的保證值應不低于1.5。4.7

在額定電壓下，電動機失步轉矩與額定轉矩之比的保證值應不低于2.4。4.8

在額定電壓下，電動機堵轉電流對額定電流之比應不大于8.5。4.9

永磁電動機空載反電勢范圍及測試方法永磁電動機空載反電勢的范圍應符合表5規(guī)定。表5永磁電動機空載反電勢的范圍電壓等級（V）空載反電勢范圍（V）380380-405660660-70311401140-1214永磁電動機反電勢測定方法Q）將被測電動機拖至額定同步轉速作為發(fā)電動機空載運行，分別測量電動機繞組三相出線端電壓，取其平均值作為空載反電動勢；b）用電流拐點法測試電動機反電勢。實際冷態(tài)下，電動機在額定電壓、額定頻率下空載穩(wěn)定運行后，調整輸入電壓繪制電流曲線，根據(jù)曲線找出電流拐點，此時對應的電動機端輸入電壓即為該電動機的空載反電勢。4.10

永磁電動機的軸徑不低于表6的規(guī)定,3表6永磁電動機軸徑限定值機座號同步轉速Hmm■■15001000750500375軸徑nun132s424242——424242——484848——484848—-555555—555555——6060606060225S65—65656565656565657575757575230S8080so8080808°80so315S80808030so34.11

電動機電氣性能保證值的容差應符合GB755的規(guī)定,4.12

當海拔高度和環(huán)境空氣溫度符合本標準4.1的規(guī)定時，電動機定子繞組的溫升限值〔電阻法〕應不超過以下規(guī)定,3Q)B級絕緣為80K;b)F級絕緣為105K;c)軸承的允許溫度〔溫度計法〕應不超過95℃。4.13

電動機在熱狀態(tài)和逐漸增加轉矩的情況下，應能承受4.7所規(guī)定的失步轉矩值〔計及容差〕，歷時15s而無轉速突變、轉停及發(fā)生有害變形，此時，電動機和頻率應維持在額定值。4.14

電動機在空載情況下，應能承受提高轉速至額定值的120%,歷時2min而不發(fā)生有害變形。4.15

電動機定子繞組對機殼的熱態(tài)對地絕緣電阻應不低于以下公式所求得的數(shù)值。R=U/[1000+0.01P]式中：R——電動機定子繞組對機殼的熱態(tài)絕緣電阻，MQ;U——電動機額定電壓，V;P..電動機額定輸出功率，kW。4.16

電動機定子繞組應能承受1min的耐電壓試驗而不發(fā)生擊穿。試驗電壓頻率為50Hz,并盡可能為正弦波形。其電壓有效值按GB755規(guī)定值進行。 -4.17

電動機定子繞組應能承受匝間沖擊耐電壓試驗而不被擊穿。試驗沖擊電壓峰值按JB/T9615.2的規(guī)定。4.18

電動機在空載時測得的振動速度有效值應符合GB10068的規(guī)定,，4.19

電動機在空載時測得的A計權聲功率級的噪聲數(shù)值應符合GB/T10069.1的規(guī)定4.20

當三相電源平衡時，電動機的三相空載電流中任何一相與三相平均值的偏差不大于三相平均值的10%o4.21

電動機氣隙不均勻度應符合JB9616的規(guī)定。4.22

電動機有一個圓柱形軸伸，雙方另有協(xié)議時允許電動機制成兩個軸伸，第二軸伸應能傳遞額定輸出，但只能用聯(lián)軸器傳動o5.1

電氣性能試驗按GB/T22711、GB/T1032標準中規(guī)定進行,5.2

噪聲試驗按GB/T1009.1標準規(guī)定進行.5.3

振動試驗按GB10068標準規(guī)定進行,5.4

繞組匝間耐電壓試驗按JB/T9615.1標準規(guī)定進行,口5.5

牽入轉矩和失步轉矩的測定按GB/T22