变频器对油田电动机性能影响的研究

2017-08-09李东平大庆油田有限责任公司第三采油厂

石油石化节能 2017年7期

李东平（大庆油田有限责任公司第三采油厂）

变频器对油田电动机性能影响的研究

李东平（大庆油田有限责任公司第三采油厂）

随着油田产量逐年递减，设备负载率不断降低，变频调速作为电动机节能的主要方法得到广泛应用。以大庆油田为例，超过30%的电动机使用变频器来调节转速。变频器在使用过程中，输入、输出端都会产生大量的谐波，这些谐波会造成电动机效率的降低、运行温度的升高、振动和噪声的增加等影响。通过对相关影响因素进行研究，尤其是变频器对电动机损耗、温升、噪声振动及绝缘的影响提出了对应的整改措施。经过分析，变频器对电动机影响最大的是产生的谐波，有效的消减谐波就可以减小对电动机效率和寿命影响，合理匹配变频器可以减小对电动机温升及噪声振动的影响。

变频器；电动机；谐波

DOI：10.3969/j.issn.2095-1493.2017.07.013

随着油田进入高含水期，生产中节能降耗和安全生产成为油田生产的两个重要方面，变频器的使用能够满足节能降耗和安全生产的实际要求[1]。变频调速节能控制柜已成为油田生产中最有效的电气节能设备，得到大面积推广[2]，在机采系统、集输系统、注入系统等油田主要生产系统均有应用，在油田实际生产中，很少使用变频器专用电动机，多数为已经在用的普通电动机，变频器与普通电动机搭配使用时电动机会出现效率、寿命降低等问题，所以找到影响因素及对策，对大规模使用变频器的油田企业具有现实意义。

1 变频器调速的基本原理

变频器是利用电力半导体器件的通断作用把电压、频率固定不变的交流电变成电压、频率都可调的交流电源。现在油田常用的变频器主要采用交-直-交方式进行工作，即先把工频交流电源通过整流部分转换成直流电源，然后再通过逆变部分把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器主要由整流部分、储能环节、逆变部分、控制系统四部分组成（图1）。

2 影响因素分析

变频器对电动机的影响主要由于输出侧谐波的产生，机理是由于变频器通过CPU控制功率元件的通断，从而形成电压、频率可调的三相输出电压，变频器输出谐波含量与变频器的类型、电动机绕组联接方式、变流器的控制方式以及电动机的运行方式等因素有关[3]。

图1 变频器主要结构及基本原理示意图

其输出电压和输出电流是由SPWM波和三角载波的交点产生的，不是标准的正弦波，如油田常用的变频器，其输出电压波形为方形波，输出的电流波形包含很多谐波分量，通过相关运算得出输出端包含较多的谐波成分，电流和电压谐波同样能使电动机的总损耗增加，温度上升。同时谐波电流会改变电磁转距，产生振动力矩，使电动机发生周期性转速变动，影响输出效率，并发出噪声。变频器输出侧的电流、电压波形，如图2所示。

2.1 对电动机损耗的影响

图2 变频器输出电流、电压波形图

为了节约成本，油田常用变频器多数不会增加滤波装置，变频器产生谐波含量都会作用到电动机上，谐波电流在转子绕组中引起的铜耗，谐波电流产生的主磁通在铁心中引起的铁耗。表1是在电动机测试平台上测试的同一种电动机在原态（电网直接供电）及变频（50 Hz）时的实验数据。电动机的输入功率为变频器后端的输出功率，由试验对比可知，电动机在高负载运行时效率降低0.68%，如果加上变频器的效率得出拖动系统比原电动机效率约降低2%左右，所以变频器在变频50Hz时，变频器加电动机组成的拖动系统是不节能的。

表1 Y280S-8型电动机原态与变频测试数据

2.2 对电动机温升的影响

首先变频器会使电动机损耗增加，产生额外的热量，其次油田用变频器主要是为了降低电动机转速，因为普通电动机散热主要是转子带动风扇叶片旋转来降低电动机内部温度，随着电动机转速的下降，风扇排风量也会降低，进而使电动机内部温度升高。当温升超过最高容许工作温度时，电动机使用寿命将大幅缩短[4]。以油田常见Y系列电动机为例，电动机型号为Y280S-8，冷却方式为自冷，试验从频率50Hz降为20Hz恒负载运行，通过监测实时温升来评价电动机受变频器变频影响的程度，见表2。得出频率在30Hz以下时电动机温升明显。

表2 转速对电动机温升影响

2.3 对电动机噪声振动的影响

电动机噪声与振动增大是应用变频器的常见问题，主要原因是变频器输出端谐波的存在，低次谐波会对电动机产生脉动。另外电动机的共振也是主要原因，在以某一频率运行时电动机会产生机械共振。油田用电动机多数在室外或站场，噪声影响不大，但是振动对电动机及其负载设备的危害大[5]，超过标准规定的振动直接伤害电动机轴承，加速其磨损，缩短使用寿命而造成安全事故。

2.4 对电动机绝缘的影响

变频器对电动机绝缘性能的影响，例如对电动机匝间绝缘的影响，虽然“短期”绝缘性能降低不明显，但却能够显著影响电动机的寿命。主要原因是变频器的高频脉冲输出的过电压导致的，当电压快速上升时，容易产生电晕放电现象，电晕放电使绝缘物质过早老化，减弱其绝缘特性。

3 解决对策

变频器对电动机的影响主要是由产生的谐波及不合理使用方式造成的，变频器产生的谐波可以影响电动机的损耗、温升及噪声振动，有效的消减谐波就可以减小影响，电动机的温升及噪声振动可以通过合理使用变频器来减弱或消除。

3.1 谐波治理

变频器产生的谐波对电动机的影响很大，油田常用的消减谐波的方式主要分为有源滤波和无源滤波两种，有源滤波可以进行自动跟踪消除谐波补偿无功的设备，基本原理是通过实时采集电流信号，分离出来其中的谐波部分，在产生与系统中谐波大小相等方向相反的补偿电流来实现滤波的目的。有源滤波器具有滤波效果好，可以进行无功补偿，不消减基波等特点，用于大量使用变频器的油田站场。

无源滤波结构简单、成本低、运行可靠，基本原理是利用电感、电容和电阻的组合设计构成的滤波电路，可滤除某一次或多次谐波，主要应用于抽油机水泵等单台设备。

3.2 合理选用及使用变频器

1）变频器选用时应考虑电动机的实际参数及工作负荷，对于使用年限长的电动机因绝缘及耐压性能发生变化，在选用前应该进行针对性测试。对于长期在高负荷工况下运行电动机，为了保证使用的安全性，应在选型时使用大一档的变频器。对于新投产的变频器配套电动机要选用变频专用电动机，变频器专用电动机绝缘效果好，配备独立风扇冷却效果好。

2）普通电动机搭配变频器时应在合理的频率区间使用。频率过高使电动机发热小、噪音低，定子的集肤效导致效率降低，致使输出功率降低；频率过低使谐波含量增加导致散热性不好、发热严重，影响电动机使用寿命。通过调研及试验论证油田用变频器频率应设置在30～50 Hz，如果此频率下不能满足生产需要，应该考虑应用其他调速技术和搭配机械调速器件一同使用。

4 结论

变频器在油气生产中的应用能够解决油田电动机低负荷运行效率低下的问题，是解决老油田油气生产单耗逐年升高的有效途径。同时随着变频器的大量使用，变频器对电动机的影响也越来越受到重视，通过分析可知谐波是影响电动机的主要原因，所以抑制变频器谐波含量，同时避免变频器的低频运行是减少变频器对影响电动机的主要原因。

[1]黄国凤.变频器的油田应用及节能效果[J].工程技术（全文版），2016（11）：265.

[2]朱益飞.变频器对普通电机设备的影响分析[J].变频器世界，2011（5）：72-74.

[3]柯岩.变频器谐波对电机效率的影响分析[J].电力学报，2010（3）：221-224.

[4]张承慧，徐海东，李珂.浅谈变频器供电条件下电动机的温升与对策[J].变频器世界，2006（10）：63-82.

[5]王松.Y系列三相异步电动机振动分析与抑制[D].济南：山东大学，2007.

（编辑沙力妮）

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