永磁电动机功率因数与能耗关系研究

张建（大庆油田有限责任公司第八采油厂）

永磁电动机功率因数与能耗关系研究

张建（大庆油田有限责任公司第八采油厂）

随着外围油田的不断开发，受单井产量的制约，机采井的能耗问题日益突出，对油田的高效开发产生了重要影响。针对老式电动机存在功率利用率低、机采能耗增加的问题，采用永磁电动机降低抽油机井能耗，取得了较好效果。通过对永磁电动机的应用效果进行跟踪，分析电动机功率因数与能耗之接的关系，从而提高节能电动机的效果。

机采井 永磁电动机 功率因数 能耗

采油八厂属大庆外围低渗透油田，地层条件较差，平均单井产液量低，能耗也相对较高。统计采油八厂宋芳屯、升平油田等老区块非节能电动机井 ， 平 均 单 井 吨 液 耗 电 49.8kWh， 系 统 效 率 为9.7%。2005 年以来，随着产能建设的应用及节能改造更换，该厂永磁电动机的应用规模不断扩大。目前在用永磁电动机 413 台，占总井数的 19.2%。从现场情况看，永磁电动机应用初期节电率达到38.0%，节电效果明显。

1 永磁电动机功率因数现状

2013年上半年，对全厂永磁电动机开展功率因数大调查，现场共测试 281口抽油机井，统计分析251 口 井，平 均 功率因 数 仅为 0.52， 处于较 低 的水平 （表1）。

表1 抽油机井永磁电动机功率因数大调查汇总

从历年节能监测中心监测和该厂功率因数调查数据 （表2）看，永磁电动机的功率因数逐年下降，由 2011 年的 0.66 下降至目前的 0.52。同时，功率因 数低于 0.5 的电动机比 例在 不断 增加，由 2011年 的 28.6%上升 至 目 前 的 50.2%。

表2 历年永磁电动机功率因数监测情况

2 永磁电动机功率因数与能耗关系

在交流电路中，电压与电流之间的相位差ϕ的余弦叫功率因数，用符号 cos ϕ 表示；在数值上等于有功功率P和视在功率S的比值，即cosϕ =P/S 。

功率因数反映了电源输出的视在功率被有效利用的程度，只有把无功功率降到最小，才能将视在功率更多地用来供给有功功率。

2012年未，进行了 2台功率因数不同的相同额定功率永磁电动机现场互换试验，结果表明功率因数低于 0.6 电动机的单井能耗高于功率因数 0.9 的电动机，尤其是无功功率。

从互换前后的测试结果来看，电动机A在升36-36 井的功率因数为 0.53，换装到升 37-15 井后为 0.4； 电 动 机 B 在 升 37-15 井 的 功 率 因 数 为 0.95，在升 36-36 井的功率因数为 0.92 （表3）。

同时，对2台功率因数较低的永磁电动机进行了换磁缸试验，换完磁缸后功率因数明显提高，综合节电率为 6%左右 （表4）。

通过以上分析表明，永磁电动机的功率因数与能耗有关系，功率因数越高，能耗越低，永磁电动机的节能效果越好。

表3 功率因数不同的永磁电动机互换前后数据

表4 永磁电动机更换磁缸效果

3 永磁电动机功率因数的影响因素分析

普通异步电动机的功率因数主要与负载率、电压和电动机本身特性有关，而永磁电动机则不同。与异步电动机相比，负载率的变化对永磁电动机的功率因数影响不大。因此，永磁电动机的功率因数主要与电压和电动机本身特性有关。

3.1供电电压与功率因数的关系

每台永磁电动机都存在一个临界反电势，当工作电压高于电动机的临界反电势时，永磁电动机呈感性负载运行，功率因数小于 0.9。只有当工作电压小于或等于临界反电势 （偏差范围在 2.5%以内）时，永磁电动机的功率因数最高。

目前该厂在用永磁电动机的额定电压即为临界反电势，也就是相电压在 220V 或 380V 附近时功率因数最高，电动机处于最佳运行状态。

从现场测试数据看，该厂大部分永磁电动机的实测电压高于额定电压，当电压超过额定电压的5% （即230V或400V）时，功率因数较低。

为进一步确定电压变化对永磁电动机功率因数的影响，现场选择6口井进行了调电压试验（表5）。

从图1至图4可以看出，随着实测电压的增加，功率因数呈下降趋势，尤其是当电压超过230V时，功率因数都低于 0.5。

3.2电动机本身特性与功率因数的关系

电动机本身特性主要是指永磁体本身性能，而永磁体退磁在永磁电动机中是普遍现象，高温、振动、过载都可能产生退磁，导致功率因数下降。

表5 永磁电动机的调电压试验单井情况

图1 功率因数与工作电压（220V）关系

图2 功率因数与工作电压（380V）关系

图3 功率因数与电压（220V）关系

图4 功率因数与电压（380V）关系

永磁电动机从最初设计到生产制造都是一个精密复杂的过程，尤其是永磁体的筛选，必须要求设备先进、检验装置齐全、工艺过程全部真空化，否则，很难保证永磁体性能参数长期高效。例如，在设计时若单纯考虑启动转矩，未考虑牵入转矩，启动后可能因牵入转矩小而不能及时达到同步，会剧烈振动，造成关键部件的损害，如磁钢发生不可逆退磁。

同时，在现场应用过程中，永磁电动机在启动、刹车、故障以及长期在过压下运行时会出现电流激增，导致电动机发热现象严重，造成永磁体发生退磁。

前文所述的电动机互换试验及换磁缸试验，说明了该厂部分永磁电动机存在退磁现象，导致功率因数下降。

综合上述分析，对功率因数低于 0.5 且实测电压不超过额定电压5%的永磁电动机，可认为其功率因数低的原因是永磁体退磁，在目前统计分析的251口抽油机井中共有48口。

4 结论与认识

1）永磁电动机的功率因数与能耗有关系，功率因数越高越好，目前部分在用永磁电动机功率因数水平较低，无法充分发挥其节能优势。

2）全厂大部分永磁电动机的实测电压高于其额定电压，随着电压的增大，功率因数呈下降趋势，特别是当实测电压超过额定电压的5%时，功率因数较低。

3）永磁体退磁会导致功率因数下降，建议对48 口井功率因数低于 0.5 且实测电压不超过额定工作电压5%的永磁电动机进行充磁治理。

[1]陈涛平,胡靖邦.石油工程[M].北京:石油工业出版社, 2002（2）:220-236.

[2]徐国民,孙慧峰.抽油机井节能设备优化配置研究[J].节 能 技 术,2001,19（2）:4-9.

10.3969/j.issn.2095-1493.2013.010.004

2013-07-15）

张建，工程师，2002年毕业于大庆石油学院（石油工程专 业）， 从 事 机 采 管 理 工 作 ， E-mail:zjcy8@petrochina.com.cn， 地址：黑龙江省大庆油田有限责任公司第八采油厂工程技术大队，163514。