稀土永磁电机技术及应用探讨

前言

近年来, 为了降低油田开发中的耗电大户—抽油机的电能损耗, 油田公司开始在抽油机上推广使用稀土永磁电机, 鄯善采油厂从2003年开始逐步在个别抽油机上试用稀土永磁电机, 经过使用后发现, 稀土永磁电机节能效果非常显著, 是一种非常好的抽油机节能电机, 完全可以广泛应用为抽油机的驱动电机, 以替代目前大量使用的三相异步电机。

一、抽油机机械采油节能的必要性

由于三相异步电机的转矩与定子电压的平方成正比, 起动时很大的起动电流在较长的配电线路上产生较大的电压降, 从而限制了电动机起动转矩的上升, 给抽油机起动造成困难, 这也就是有些配电线路较长的油井抽油机起动困难的主要原因。如果通过提高电动机装机功率的办法来增加起动能力, 由于功率较大的电动机的起动电流更大, 起动时的电压降更大, 这样就导致了电动机起动转矩增加并不多, 甚至更加不利于起动。因此, 各种异步节能电动机只能起到一定的治标作用, 不可能从根本上解决抽油机驱动电机的“大马拉小车”问题, 这是由异步电动机的机理决定的。

目前机械采油所用抽油机的配套三相异步电动机明显存在“大马拉小车”的问题。电机自身损耗很大, 功率因数很低, 这造成了电能的极大浪费。因此, 开展抽油机机械采油系统的节能工作势在必行。

二、稀土永磁电机节能的基本原理

电动机是以磁场为媒体进行机电能量转换的一种机电产品。根据电机学原理, 异步电动机的转速不可能等于气隙内旋转磁场的同步转速, 这是因为在转子绕组内要产生感应电动势和感应电流, 才能产生电磁转矩, 这是基本条件, 因此异步电动机又称感应电动机。为了使转子绕组上有电流流过, 除感生方式外, 也可以采用传导方式, 这是同步电动机内转子电流的产生方法。

为了建立机电能量转换所需的气隙磁场, 电动机磁路需有一定的磁势源来进行励磁, 因此电动机分为两种类型:一种是电励磁式, 即靠外接电源供给能量进行励磁, 如直流电动机、交流励磁电动机和一般的同步电动机;另一种是永磁式, 即利用永磁材料的固有特性, 经预先磁化 (冲磁) 后, 不再需要外加能量就能建立永久磁场, 这就是永磁电动机。

稀土永磁电机是一种同步电动机, 但不需要普通同步电动机的励磁绕组和集电环, 结构上酷似异步电动机那样简单, 在系统上也不象普通同步电动机那样需要励磁调节系统。它具有体积小、重量轻、结构简单、效率高、功率因数高、运行稳定、维护简单、性能优良等一系列特点, 集中了异步电动机和同步电动机的优点, 而又克服了两者的缺点。它可以代替异步电动机和同步电动机用在任何场合, 如用在交流变频调速系统中, 将比异步电动机调速系统的性能更加优良。

永久磁铁在经过外界磁场的预先磁化以后, 在没有外界磁场的作用下仍能保持很强的磁性, 并且具有N、S两极性和建立外磁场的能力。因此, 可以用来取代发电机或电动机的电励磁。这种采用永久磁铁作为励磁的电机, 称为永磁电机。

概括起来可总结为三点:

1. 不需励磁电源, 转子使用了永磁材料;

2. 没有励磁绕组, 降低了电机自身的损耗;

3. 功率因数高, 可以节约大量无功补偿容量。

三、TNYC系列抽油机专用稀土永磁电机简介

1. TNYC系列抽油机专用稀土永磁电机的特点

TNYC系列抽油机用三相永磁同步电动机是以Y系列电动机为基础, 其转子镶嵌稀土永磁材料--钕铁硼而制成的新型抽油机用节能驱动装置。它除保留了原来异步电动机结构简单、使用方便、经久耐用等全部优点外, 还具有功率因数和效率高且曲线平坦、起动转矩大、过载能力强等一系列优点, 非常适合于抽油机的特殊运行工况。使用该产品可以使抽油机的装机功率降低一个等级, 彻底解决抽油机驱动电机的"大马拉小车问题"。其外形和安装尺寸则与Y和Y2系列电动机完全一致, 现场换用非常方便, 如与新抽油机配套使用则效果更佳。与普通Y系列异步电机相比, 抽油机专用永磁同步电动机具有如下特点:

(1) 运行效率高

永磁同步电机为同步工作方式, 转子转速与定子旋转磁场完全同步, 与异步电机相比, 无转差损耗;与普通同步电机相比, 转子不需外加励磁电源, 消除了励磁损耗。因此, 永磁同步电机的额定效率可达到94%以上, 高于普通异步电机约4个百分点。更为重要的是, 通过优化设计, 抽油机专用永磁同步电动机轻载时在一定范围内的效率还高于额定值, 最高可达96%左右, 且此最高效率区恰好位于电机的平均负载率所在的区域, 使得高效区得到了展宽, 大大提高了整个冲程内的平均运行效率。而轻载时异步电机的效率已远低于其额定值, 两者在整个负载变化范围内的平均效率差值高达10%以上, 且由于抽油机大部分时间是工作于轻载状态, 因此, 平均有功节电率还可高于此值, 使节电效果更加理想。

(2) 运行功率因数高

同步电动机功率因数的大小由其转子励磁电流来决定, 永磁电机的功率因数则通过其转子永磁体磁场的强弱来决定, 因此可获得任意高的功率因数。经过优化设计, 抽油机专用永磁同步电动机的额定功率因数设计在0.98左右, 且在轻载时还高于额定值, 甚至在一定范围内还可起到补偿电容器的作用, 从而保证整个冲程内的自然平均运行功率因数在0.9以上。由于异步驱动电机的平均运行功率因数在0.4左右, 因此无功节电效果相当显著。

(3) 起动力矩大、起动电流小、过载能力强, 装机功率降低

永磁同步电动机采用异步起动方式, 可以直接起动。为了从根本上解决抽油机驱动电动机的“大马拉小车”问题, 抽油机专用永磁同步电动机的起动力矩和过载能力均提高1个机座号, 最大起动转矩倍数达到3.6倍, 既大大降低了电机的装机功率, 又有效降低了电机的运行损耗, 提高了节电效果。通过改进设计, 在保证起动力矩不降低的前提下, 起动电流得到明显降低。

(4) 是DSM (电力需求侧管理) 技术强有力的技术保障

TNYC系列抽油机专用高效永磁同步电动机应用后, 平均运行电流下降50%以上, 可使6/10KV配电线路上的损耗降低50%以上 (线损与电流的平方成正比) , 极大地降低了配电网和配电变压器上的运行损耗, 为DSM技术提供强有力的技术支持。

(5) 节省补偿电容器

TNYC系列抽油机专用高效永磁同步电动机应用后, 由于自然功率因数可达0.9以上, 完全可以省掉补偿电容器, 进而减少补偿设备的投资和维护费用。由于补偿电容器本身的质量问题等原因, 在户外使用极易衰减老化, 维护工作量很大, 很难起到应有的补偿效果。特别是由于是静态补偿, 补偿后的功率因数在0.7以下, 难以满足要求。

(6) 挖掘电网潜在容量

TNYC系列抽油机专用高效永磁电机应用后, 电机的视在功率降低了50%以上。也就是说, 有一半左右的电网容量被重新开发出来了, 相当于电网的供电能力提高了1倍, 或者说相当于新建了1个变电所。这部分容量可以用来为加密井等新的产能建设项目供电, 减少变电所的建设费用, 极大提高电网的利用率, 充分挖掘电网的潜在容量。

(7) 更换容易、维护方便

TNYC系列抽油机专用高效永磁同步电动机选用时至少可比普通异步电动机降低一个机座号, 现场更换方法与原异步电机相同, 非常容易。其维护要求也与普通异步电机相同, 非常方便。该系列电机的磁钢温度可达150℃, 每台电机出厂时都进行严格的质量检验, 而且具有较完善的售后服务措施, 完全可以满足用户的要求。

四、稀土永磁电机技术发展趋势

1. 向高效节能方向发展

高效是指满载时效率高, 节能是指综合节能效果。如效率相同, 但使用对象不同, 节电效果也不同。一般的稀土永磁同步电机, 平均节电率高达10%, 某些专用稀土永磁同步电机, 如油田抽油机用电机, 节电率高达15%~20%。

电机节能是一项系统工程, 应该从各个方面寻求降低电能消耗的方法。系统输入功率包括配电电源、电动机的控制、电动机本身、电动机与负载的连接以及最终被驱动的负载匹配。例如, 根据国家统计局1989年统计, 全国各类泵类、风机约有3700多万台, 总配套装机容量1.1亿KW, 每年耗电量占全国用电量的1/3。国际先进水平是:风机、水泵本身运行效率一般在85%以上, 系统运行效率是80%左右。而目前我国国产设备的本体设计效率为75%, 系统运行效率不到30%, 电源浪费十分严重。这种状况目前并未改变。

欧美等工业发达国家, 提高电动机效率重点放在异步电动机上, 英国三相异步电动机的用电量占电动机总用电量的86%。美国和欧盟在37k W以下的电动机台数占总装机台数的95%, 所以把节能重点放在异步电动机上是理所当然的。

根据我国国情, 高性能的稀土永磁材料已实现产业化, 钕铁硼的产量现已居世界第一位, 钕铁硼的价格也趋向合理。计算结果统计资料表明, 中小型永磁同步电动机的效率可提高5%, 节电率10%, 某些专用永磁同步电机节电达15%~20%。所以发展永磁同步电动机是新世纪电机工业技术发展趋势之一。

2. 向机电一体化方向发展

要提升传统机电产品的水平, 必须紧紧抓住机电一体化这个环节。实现机电一体化的基础, 是发展各种机电一体化需用的各种高性能稀土永磁电机, 如数控机床用伺服电机, 计算机用VCM音圈电机。一台60把刀加工中心, 要配备30台伺服电机。变频调速稀土永磁同步电机和无刷直流电机是机电一体化的基础。

3. 向高性能方向发展

现代化装备向电机工业提出各种各样的高性能要求, 如军事装备要求提供给各种高性能信号电机, 移动电站, 自动化装备用伺服系统及电机, 航空航天用高性能、高可靠性永磁电机, 化纤设备用高调速精度变频调速同步电动机, 数控机床、加工中心、机器人用高调速比稀土永磁伺服电机, 计算机用高精度摆动电机及主轴电机等等。

4. 向专用电机方向发展

电机所驱动的负载千变万化, 如全部采用通用型电动机, 在某些情况下, 技术经济很不合理。因此国外大力发展专用电机, 专用电机约占总产量的80%, 通用电机占20%。而我国恰恰相反, 专用电机只占20%, 通用型电机占80%。专用电机是根据不同负载特性专门没计的, 如油田用抽油机专用稀土永磁电机, 节电率高达20%。这方面的节能潜力很大。电机工作者不仅要研究电机本身, 更应当研究所驱动负载的特性, 设计出性能先进、运行可靠、价格合理的稀土永磁电机产品。

5、向轻型化方向发展

航空航天产品, 电动车辆、数控机床、计算机、视听产品、医疗器械、便携式光机电一体化产品等, 都对电机提出体积小、重量轻的严格要求。有些还对产品形状提出要求, 如信息产品提出扁平化, 世界上最小的电机已达到Φ0.8mm、102mm, 用于医疗检测。

五、促进稀土永磁电机推广应用的建议

1. 自上而下要高度重视电机节能工作

自十一届三中全会以后, 国家开始重视节能工作, 明确提出:“开发与节能并重, 把节能放在首位”的能源方针。这一方针, 对开展、推动电机节能工作指明了方向。对我们油田而言, 各级领导、各级主管部门、各级管理人员都应该不断提高认识, 高度重视电机节能工作的有效开展。为此, 应当大力开展节能宣传教育活动, 增强企业全民节能意识, 特别是各级主管部门应把电机节能工作列入日常工作日程, 采取主管部门干预的办法, 淘汰耗能大的落后电机产品, 逐步推广新型节能电机。

2. 大力开展节能电机效果评价工作

目前存在的低效电机不能淘汰, 高效电机无法推广这一情况, 是和没能很好地开展节能电机的效果评价工作有关的。

因此, 为了能够大力推广节能电机新产品, 各级主管部门应有针对性地、很好地开展节能电机效果评价工作。

3. 电机选用时应和电机厂家密切联系, 合理选型。

使用单位在选电机时往往容量过大, 大马拉小车情况严重。电机负载率低, 不仅在价格上多投资, 而且能源浪费严重。负载率低的原因, 除选配人员思想保守外, 认为选配容量大一点的电机, 使用起来安全可靠。此外也有实际问题, 如电机的连接尺寸, 所传动机械的起动转矩、峰值功率大、机械产品在运转过程中负载有变化等, 如油田抽油机起动时需要较大的功率, 正常运转时, 功率就降低了。这样就需电机设计者与电机使用者密切结合, 研究设计起动转矩倍数高的产品。从而在选用电机时就可以减小配套电机容量, 这样既能减少投资, 又能节约能源。

摘要：吐哈油田作为新疆三大油田之一, 自1991年投入开发生产以来, 已连续运行了15年, 近年来, 随着地下油藏、地层压力等因素的不断变化, 石油开采难度已越来越大。因此, 为了保持油田的长期、稳定发展, 节能降耗、不断降低生产成本已成为油田发展中的重要工作之一。为此, 近些年油田公司在生产节能方面做了大量切实、有效的工作, 这其中就包括陆续引进、试用各类节能新产品、新材料, 这些节能新产品、新材料的应用为油田发展中的节能降耗发挥了巨大的作用。