抽油机用永磁同步电动机选型技术要求

抽油机用永磁同步电动机选型技术要求一标准背景及起草过程 〜二永磁同步电动机在抽油机上的应用分析■三标准条文说明解释 、四永磁同步电动机在现场使用应注意的几个问题第一局部标准背景及起草过程根据股份公司2021年中国石化企业标准制修订工程方案［工程方案编号2021-044〕，为标准永磁同步电动机的选用，促进企业提高节能技术水平和管理水平，由中国石油化工股份勘探开发事业部提出，中国石油化工股份科技开发部归口，胜利油田分公司技术检测中心负责起草该项标准。永磁同步电动机与异步电动机相比，具有启动转矩大、高效区宽、功率因数高〔可达0.9以上〕等优点，已经被油田所接受,并成为了抽油机动力装置主要设备。但目前进入油田市场的永磁电动机品牌繁杂，质量、性能、节电效果不一，而其检测评价没有相关的国标、行标，某些参数只能以异步电动机标准作为参考,但其特有参数，比方：反电势点等没有可参考的依据，为对进入油田市场的永磁电动机的各项性能指标、现场使用条件进行标准；特编写本标准。这项标准的起草和出台，将有助于采购部门及使用部门科学、、合理的对抽油机用永磁同步电动机的性能进行评价，有助于标准油田市场。1永磁同步电动机生产厂家调研标准起草工作小组先后奔赴现场使用数量较大、用户反映良好的5个永磁电动机制造厂，针对永磁同步电动机的特点，对永磁电动机的技术参数以及技术使用难点进行了交流，主要交流问题包括：L1电动机的机座号与转速及功率的对应关系；L2电动机在功率、电压、频率为额定值时，其空载损耗、效率和功率因数保证值；1.3

额定电压下，电动机的堵转转矩与额定转矩之比应不低于的保证值；L4额定电压下，电动机堵转电流与额定电流之比；L5不同负载下效率、功率因数的变化;L6空载反电势的测定；1.7

是否具备相应的试验设备和试验方法;L8了解各厂家电动机使用的磁钢性能以及定子、转子矽钢2试验室试验统计2007年以来的的试验室测试数据，主要包括空载测试参数、负载测试参数、堵转测试参数。2007年永磁同步电动机试验室测试数据，包括不同功率、不同极数永磁同步电动机的空载损耗、空载反电势，不同负载率下的电动机功率因数、电动机效率,，2021年、2021年永磁同步电动机试验室测试数据，包括不同功率.不同极数永磁同步电动机的空载损耗、空载反电势，不同负载率下［负载率为25%、50%、75%、100%、125%］的电动机功率因数.电动机效率。空载电参数测试原理图2试验室试验电源380V.50Hz电能测试仪电动机电能测试仪转矩转速仪试验室效率测试接线示意图反馈回电里--2试验室试验永磁同步电动机在堵转时振动较剧烈，各个转矩分量都是变换很快的瞬态量，这些都使永磁同步电动机转矩、转速测试较异步电机困难,目前国内还没有永磁同步电机堵转转矩测试仪器，堵转转矩都是根据理论计算得出，无法实现堵转转矩的实测，造成电机生产厂家的标注混乱,与电机实际堵转转矩相差大。转矩测试采用的电机堵转转矩测试装置，能在1s内采集600个点，并通过信号调理模块将应变电信号转换成232格式，通过电脑可清晰的看出瞬时堵转数据并通过软件计算出电机堵转转矩。电动机的堵转转矩具体测试方法是将钢臂一端固定在电机转轴上,另一端放在压力传感器上。对电机施加电压，测试其堵转转矩o试验室电机堵转转矩测量装置示意图1•连接法兰盘2•传力杠杆3.传感器4.上安装板组件5•调整垫块6.下安装板组件7•数据处理单元8.PC机3现场测试主要包括2021年、2021年现场永磁同步电动机现场测试数据。4数据统计分析统计2007年以来的的试验室及现场试验、测试数据，统计数据包括：4.1

空载损耗、空载反电势；4.2

不同负载下的电动机效率、功率因数；4.3

堵转转矩、堵转电流；4.4

现场运行电压、功率因数及电动机功率利用率等参数°5征求其他油田有关单位和专家的意见，提出本标准的征求意见稿第二局部永磁同步电动机在抽油机上的应用分析永磁同步电动机机在抽油机上的应用，人们最担忧的是退磁问题。曾抽测6个生产厂家的12台在用永磁同步电机，其中4家的主要参数合格率为零，主要是用磁体的质量不过关；2家的全部合格。不合格的主要原因是：据调研，国内永磁体正规生产厂的设备先进，检验设备齐，工艺过程全部真空化，产品的质量好。一些设备陈旧，检验设备不全，工艺落后的厂家生产的永磁体各项性能参数很难做到长期稳定。因此，必须要求该电机厂选用正规生产厂家的永磁体O五类磁钢：铝操钻磁钢、铁氧体磁钢、烧结效铁硼、粘接纹铁硼、铁铁硼磁钢每类产品按最大磁能积大小划分假设干个牌号：N35—N52,N35M—N50M,N30H—N48H/N30SH—N45SH,N28UH—N35UH,N28EH—N35EH磁钢N38SH:N38是磁钢性能标号，SH是耐温标号，耐温120度。为此，我们从正在抽油机井场运行2年以上的永磁同步电机随机抽取5台进行解剖，拆出所有永磁体，从每台中随机抽取4——5块,共抽取23块永磁体型号为〔NTP33SH〕。用中国计量科学院生产的NIM一—10000H大块稀土永磁无损测量装置测试23块永磁体的剩磁、磁感矫顽力、内哀矫顽力.、最大磁能积。从测试结果可知，随机抽取的5台电机23块永磁体，所有磁性参数都到达国家标准。说明该标号永磁体根本没退磁,是稳定可靠的,抽油机电机运行时负载率都很低，而启动时又需要大的启动转矩，因此，人们在选择永磁同步电机时总希望启动转矩倍数大的电机，这样可以降低抽油机配备电机的额定功率，进而提高电机的负载率，到达节电之目的。但在抽油机工作状况下，局部生产厂家的永磁同步电机启动转矩倍数远低于说明书中的指标，故抽油机启动困难，甚至无法启动。主要原因是:低压线路较长，启动电流过大［实测在10倍额定电流以上，有的在启动开始的前2个周波到达18倍〕，导致变压器及低压线路的压降很大，永磁同步电机在严重欠压状态下启动O3家生产厂的永磁同步电机测试结果状态/参数30kW,8极，380V甲乙丙额定启动电流倍数1st7.21112-2电压启动转矩倍数Tst3-23.23.5状态启动品质因数K0.06170.02640.0235模拟启动电流倍数1st6-39.29；抽油机启动转矩倍数Tst2-42-051.9状态启动品质因数K0.06050.02420.0202备注：1.抽油机模拟状态下变压器S50kVA。2•启动品质因数计算公式为：K=F额定电压下启动转矩大且启动电流也大的永磁同步电机在抽油机工作状态下启动转矩反而小，因此，在抽油机上考虑永磁同步电机的启动性能时，仅仅考虑启动转矩倍数是不够的,还应当考虑启动电流的影响。［1］空载反电势：每台永磁同步电机都有一个不同的空载反电势，测取方法是：用同种转速的永磁同步电机轴对轴连接，一台定子接通三相交流电，到达同步转速时，测试另一台被拖动电机定子的开路电压即为空载反电势,〔2〕临界反电势：在一定负载下，连续调整永磁同步电机的定子电压，用FLUK43B电力分析仪测试永磁同步电机的瞬时无功功率，并用万用表测试电压，当FLUK43B测取的无功功率即不显示"C"［容性无功〕也不显示"L"［感性无功〕时对应的定子电压即为该负载下的临界反电势，此时的无功功率很小IE7也空敕特性曲线多功率电机空载特性曲线,工■■空毅特性曲线la1L[*弓；空3M%电机V9•sTYC2H0S~12■定功班：45r出厂编号，C46Mo=MOV%io-i.aia^=Q7591k・Pf・-0.8366k*Pfc--0.07713k，永磁同步电机空载特性曲线［3］负载率、定子电压对I：无功功率］功率因数的影响对不同额定电压等级［380V、660V、1140V］、不同额定功率［22kW、31：）kW］和不同转速［750转/分钟、1000转/分钟〕的12台永磁同步电机在不同负载率对应不同电压下的有功功率、无功功率和功率因数进行测试，结果说明：各参试之间的规律关系都根本一致O30kW8极380V永磁同步电机不同负载率、不同电压下的功率因数电压有功功率（kW）无功功率（kvar）功率因数（C0S中）空载10%20%40%空载10%20%40%空载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〕永磁同步电机功率因数与负载率、反电势的关系①当定子电压高于永磁同步电机的临界反电势时，其感性无功功率呈感性功率因数运行；当定子电压低于永磁同步电机的临界反电势时,永磁同步电机的容性无功功率呈容性功率因数运行□②外加永磁同步电机的定子电压等于或近似等于其临界反电势时，电机无功功率最小，功率因数最高,，③负载率较低时，功率因数随外加定子电压偏离临界反电势的增大而减小，定子电压偏离临界反电势越多功率因数下降越多,,〔4〕永磁同步电机功率因数与负载率、反电势的关系④随负载率的增大，电压变化对功率因数的影响逐渐减弱，当负载率大于40%时，电压变化对功率因数的影响很小.,⑤在定子电压一定时，电机的负载率越低功率因数越低O⑥电机空载临界反电势近似等于空载反电势，随着负载的增加临界反电势逐渐下降，在抽油机的工况状态下下降约2.5%U□对在用2年以上的1356台永磁同步电动机作了跟踪调查和统计，永磁同步电机的轴和轴承的故障率较高——断轴32起，轴承损坏113起,，其原因是：30kW永磁同步电机的轴径为60mm,轴承2313;而替换的Y系列45kW、55kW电机的轴径是75mm,轴承2314--2317。因此,永磁同步电机的轴径和轴承比同功率的异步电机应适当加大1--2个规格，才能满足在抽油机上的使用要求。第三局部标准条文说明解释本标准规定了抽油机用永磁同步电动机〔以下简称永磁电动机〕的型式根本参数与尺寸、技术要求、试验方法、检验规那么，标志、.包装、运输和贮存等的要求，以及电动机的现场安装与使用标准.,本标准适用于永磁电动机,本标准适用于油田企业永磁电动机的选型、采购、检验、验收、入库以及使用等。GB755旋转电动机定额和性能GB997电动机结构及安装型式代号GB/T1032三相异步电动机试验方法GB1993旋转电动机冷却方法GB/T4772.1旋转电动机尺寸和输出功率等级第一局部机座号56〜400和凸缘号22~1080GB/T4942.1旋转电动机外壳防护等级〔IP代码］GB10068旋转电动机振动测定方法及限值GB10069,1定方法GB/T22711JB/T9615.1JB/T9615.2旋转电动机噪声测定方法及限值第一局部：旋转电动机噪声例:U高效三相永磁同步电动机技术条件［机座号132〜280］交流低压电动机散嵌绕组匝间绝缘试验方法交流低压电动机散嵌绕组匝间绝缘试验限值JB/T9616Y系列［IP44〕三相异步电动机技术条件［机座号80〜315］JB/T10391?Y系列(IP44)三相异步电动机技术条件(机座号80〜355)3.1电动机的结构及安装型式应符合GB997中IMB5、IMB35、IMB3、IMVI的规定并按表1的规定制造.表1电动机的结构及安装型式对应表机座号结构及安装代号132-225B3、B5、B35.V1250315B3、B35、VI3.2

电动机的外壳防护等级符合GB/T4942.1中IP44的规定,，3.3

电动机的冷却方法符合GB1993中IC411的规定O3.4

电动机的定额是以连续工作制〔51〕为基准的连续定额,，3.5

电动机的额定频率为50Hz,额定电压为380V、660V、1140V。3.6

电动机应额定输出功率范围如下，单位为kW:5.5, 7.5,11,15,18.5,22,30,37,45,55。3.7

电动机的机座号与转速及功率的对应关系应符合表2的规定°3.8

电动机的尺寸及公差应符合GB/T22711的规定。表2机座号与转速及功率对应关系机座号同步转速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、环境空气温度以及环境空气相对湿度条件下，电动机应能额定运行：口）海拔高度不超过1000m;b）环境空气最高温度随季节而变化，不低于一25℃,但不超过45℃;；cI 最湿月月平均最同相对湿度为90%,同时该月月平均最低温度不同于25七。注：如电动机指定在海拔超过1000m或环境温度高于45（的条件下使用时,应按GB755标准规定执行。4.2

电动机运行期间电源电压的频率对额定值的偏差应按GB755的规定,14.3

电动机在功率、电压及频率为额定时，其效率、空载损耗的保证值应?f合表3的规定。4.4

电动机在电压和频率为额定值时，其功率因数在额定负载时应不低于0.95,在1/2额定负载时应不低于0.92,在1/4额定负载时应不低于0.88。4.5

在额定电压下，电动机的堵转转矩与额定转矩之比的保证值应不低于表4的规定。表3效率和空载损耗保证值功率kW同步转速r/min1500100075050037515001000750500375空载损耗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堵转转矩与额定转矩之比的保证值功率kW同步转速r/min15001000750500375堵转转距/额定转矩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

在额定电压下，电动机牵入转矩与额定转矩之比的保证值应不低于1.5。4.7

在额定电压下，电动机失步转矩与额定转矩之比的保证值应不低于2.4。4.8

在额定电压下，电动机堵转电流对额定电流之比应不大于8.5。4.9

永磁电动机空载反电势范围及测试方法永磁电动机空载反电势的范围应符合表5规定。表5永磁电动机空载反电势的范围电压等级（V）空载反电势范围（V）380380-405660660-70311401140-1214永磁电动机反电势测定方法Q）将被测电动机拖至额定同步转速作为发电动机空载运行，分别测量电动机绕组三相出线端电压，取其平均值作为空载反电动势；b）用电流拐点法测试电动机反电势。实际冷态下，电动机在额定电压、额定频率下空载稳定运行后，调整输入电压绘制电流曲线，根据曲线找出电流拐点，此时对应的电动机端输入电压即为该电动机的空载反电势。4.10

永磁电动机的轴径不低于表6的规定,3表6永磁电动机轴径限定值机座号同步转速Hmm■■15001000750500375轴径nun132s424242——424242——484848——484848—-555555—555555——6060606060225S65—65656565656565657575757575230S8080so8080808°80so315S80808030so34.11

电动机电气性能保证值的容差应符合GB755的规定,4.12

当海拔高度和环境空气温度符合本标准4.1的规定时，电动机定子绕组的温升限值〔电阻法〕应不超过以下规定,3Q)B级绝缘为80K;b)F级绝缘为105K;c)轴承的允许温度〔温度计法〕应不超过95℃。4.13

电动机在热状态和逐渐增加转矩的情况下，应能承受4.7所规定的失步转矩值〔计及容差〕，历时15s而无转速突变、转停及发生有害变形，此时，电动机和频率应维持在额定值。4.14

电动机在空载情况下，应能承受提高转速至额定值的120%,历时2min而不发生有害变形。4.15

电动机定子绕组对机壳的热态对地绝缘电阻应不低于以下公式所求得的数值。R=U/[1000+0.01P]式中：R——电动机定子绕组对机壳的热态绝缘电阻，MQ;U——电动机额定电压，V;P..电动机额定输出功率，kW。4.16

电动机定子绕组应能承受1min的耐电压试验而不发生击穿。试验电压频率为50Hz,并尽可能为正弦波形。其电压有效值按GB755规定值进行。 -4.17

电动机定子绕组应能承受匝间冲击耐电压试验而不被击穿。试验冲击电压峰值按JB/T9615.2的规定。4.18

电动机在空载时测得的振动速度有效值应符合GB10068的规定,，4.19

电动机在空载时测得的A计权声功率级的噪声数值应符合GB/T10069.1的规定4.20

当三相电源平衡时，电动机的三相空载电流中任何一相与三相平均值的偏差不大于三相平均值的10%o4.21

电动机气隙不均匀度应符合JB9616的规定。4.22

电动机有一个圆柱形轴伸，双方另有协议时允许电动机制成两个轴伸，第二轴伸应能传递额定输出，但只能用联轴器传动o5.1

电气性能试验按GB/T22711、GB/T1032标准中规定进行,5.2

噪声试验按GB/T1009.1标准规定进行.5.3

振动试验按GB10068标准规定进行,5.4

绕组匝间耐电压试验按JB/T9615.1标准规定进行,口5.5

牵入转矩和失步转矩的测定按GB/T22