抽油机用永磁同步电动机选型技术要求.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,抽油机用永磁同步电动机选型技术要求,中国石化节能监测中心,二,O,一三年五月,Q/SH 0451-2012,1,永磁同步电动机在抽油机上的应用分析,一 标准背景及起草过程,主要内容,三 标准条文说明解释,永磁同步电动机在现场使用应注意的几个问题,2,第一部分,标准背景及起草过程,3,根据股份公司,2010,年中国石化企业标准制修订项目计划（项目计划编号,2010-044,），为规范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有限公司勘探开发事业部提出，中国石油化工股份有限公司科技开发部归口，胜利油田分公司技术检测中心负责起草该项标准。,1,任务来源,4,2,目的意义,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，比如：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、现场使用条件进行规范，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，有助于规范油田市场。,5,3,起草工作简要过程,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：,1.1,电动机的机座号与转速及功率的对应关系；,1.2,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；,1.4,额定电压下，电动机堵转电流与额定电流之比；,1.5,不同负载下效率、功率因数的变化；,1.6,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；,1.8,了解各厂家电动机使用的磁钢性能以及定子、转子矽钢片的使用情况。,1,永磁同步电动机生产厂家调研,6,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。,2008,年、,2010,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。,2,试验室试验,3,起草工作简要过程,7,电,源,380V,、,50H,Z,电动机,接线盒,电能测试仪,空载电参数测试原理图,3,起草工作简要过程,2,试验室试验,8,电能测试仪,电 源,380V,、,50Hz,电动机,电能测试仪,发电机,反馈回电网,转矩转速仪,试验室效率测试接线示意图,3,起草工作简要过程,2,试验室试验,9,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。,3,起草工作简要过程,2,试验室试验,10,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,起草工作简要过程,11,主要包括,2008,年、,2010,年现场永磁同步电动机现场测试数据。,3,起草工作简要过程,3,现场测试,4,数据统计分析,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,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。,12,第二部分,永磁同步电动机在抽油机上的应用分析,13,永磁同步电动机机在抽油机上的应用，人们最担心的是退磁问题。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。,1,退磁问题,14,五类磁钢：,铝镍钴磁钢、铁氧体磁钢、烧结钕铁硼、粘接钕铁硼、钕铁硼磁钢,每类产品按最大磁能积大小划分若干个牌号：,N35N52,N35MN50M,，,N30HN48H,N30SHN45SH,，,N28UHN35UH,N28EHN35EH,磁钢,N38SH,：,N38,是磁钢性能标号，,SH,是耐温标号，耐温,120,度。,1,退磁问题,15,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,45,块，共抽取,23,块永磁体型号为（,NTP33SH,）。用中国计量科学院生产的,NIM10000H,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、内禀矫顽力、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，所有磁性参数都达到国家标准。表明该标号永磁体基本没退磁，是稳定可靠的。,1,退磁问题,16,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，达到节电之目的。但在抽油机工作状况下，部分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,个周波达到,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。,2,启动问题,17,状态,/,参数,30kW,8,极，,380V甲,乙,丙,额定,电压,状态,启动电流倍数,Ist,7.2,11,12.2,启动转矩倍数,Tst,3.2,3.2,3.5,启动品质因数,K,0.0617,0.0264,0.0235,模拟,抽油机,状态,启动电流倍数,Ist,6.3,9.2,9.7,启动转矩倍数,Tst,2.4,2.05,1.9,启动品质因数,K,0.0605,0.0242,0.0202,备注,:,1.,抽油机模拟状态下变压器,50kVA。,2.启动品质因数计算公式为：K,3,家生产厂的永磁同步电机测试结果,2,启动问题,18,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。,2,启动问题,19,（,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，达到同步转速时，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,3,功率因数与电机反电势,20,多功率电机空载特性曲线,3,功率因数与电机反电势,21,永磁同步电机空载特性曲线,3,功率因数与电机反电势,22,（,3,）负载率、定子电压对（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（,22 kW,、,30 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基本一致。,3,功率因数与电机反电势,23,电压,有功功率（,kW）,无功功率（,kvar）,功率因数（,COS）,空载,10%,20%,40%,空载,10%,20%,40%,空载,10%,20%,40%,350,0.68,3.01,6,12,-6.54,-6.98,-6.45,-3.45,0.103,0.396,0.681,0.961,360,0.68,3.01,6.01,11.99,-5.13,-5.17,-4.62,-2.43,0.131,0.503,0.793,0.98,370,0.69,2.98,6,12.01,-3.67,-2.34,-2.27,-0.93,0.185,0.787,0.935,0.997,380,0.69,2.99,6,12,-2.32,-2.06,-0.37,-0.53,0.285,0.823,0.998,0.999,390,0.72,3.01,6.01,12,0.18,0.08,0.38,1.53,0.97,0.999,0.998,0.992,400,0.81,3,6,12.01,2.51,2.24,1.48,2.62,0.307,0.801,0.971,0.977,410,0.93,3.01,5.99,11.99,6.05,2.91,2.78,3.98,0.152,0.719,0.907,0.949,420,1.01,3,6,12,9.7,6.64,4.83,5.77,0.104,0.412,0.779,0.901,30kW 8极,380V,永磁同步电机不同负载率、不同电压下的功率因数,3,功率因数与电机反电势,24,（,4,）永磁同步电机功率因数与负载率、反电势的关系,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。,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。,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。,3,功率因数与电机反电势,25,（,4,）永磁同步电机功率因数与负载率、反电势的关系,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。,在定子电压一定时，电机的负载率越低功率因数越低。,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,。,3,功率因数与电机反电势,26,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,23142317,。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,12,个规格，才能满足在抽油机上的使用要求。,4,断轴问题,27,第三部分,标准条文说明解释,28,1,范围,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）的型式基本参数与尺寸、技术要求、试验方法、检验规则，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规范。,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。,29,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,第一部分,机座号,56400,和凸缘号,221080,GB/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,旋转电动机,噪声测定方法及限值,第一部分：旋转电动机噪声测定方法,GB/T22711,高效三相永磁同步电动机技术条件（机座号,132280,）,JB/T9615.1,交流低压电动机散嵌绕组匝间绝缘试验方法,JB/T9615.2,交流低压电动机散嵌绕组匝间绝缘试验限值,JB/T9616 Y,系列（,IP44,）三相异步电动机技术条件（机座号,80315,）,JB/T 10391,Y,系列,(IP44),三相异步电动机技术条件,(,机座号,80355),2,规范性引用文件,30,3,型式基本参数与尺寸,机座号,结构及安装代号,132225,B3、B5、B35、V1,250315,B3、B35、V1,3.1,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,31,3,型式基本参数与尺寸,3.2,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。,3.4,电动机的定额是以连续工作制（,SI,）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。,32,机座号,同步转速,r/min,1500,1000,750,500,375,功,率,kW,132S,5.5,7.5,11,7.5,15,11,7.5,18.5,22,15,11,30,18.5，22,11，15,225S,37，45,30,18.5，22，30,11,45,30,22，30,15，18.5,55,30，37,30,22,11，15,280S,45,37,30,18.5,，,22,55,45，55,37，45,22,315S,55,45,表,2,机座号与转速及功率对应关系,3,型式基本参数与尺寸,33,4.1,在下列的海拔高度、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：,a),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,25,，但不超过,45,；,c),最湿月月平均最高相对湿度为,90%,，同时该月月平均最低温度不高于,25,。,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。,4,技术要求,34,4.3,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符合表,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。,4,技术要求,35,功率,kW,同步转速,r/min,1500,1000,750,500,375,1500,1000,750,500,375,空载损耗,kW,效率,%,5.5,0.20,0.22,0.24,90.5,90.0,90.0,7.5,0.23,0.30,0.34,91.5,91.2,91.0,11,0.36,0.42,0.50,92.5,92.5,92.2,91.5,15,0.46,0.55,0.58,92.5,92.0,92.0,91.8,18.5,0.52,0.55,0.58,0.70,0.72,93.5,93.2,93.0,93.0,928,22,0.55,0.59,0.63,0.76,0.89,93.8,93.5,93.0,93.0,92.8,30,0.72,0.84,0.89,1.04,93.8,93.8,93.5,93.5,37,0.91,0.96,1.10,1.14,94.0,93.8,93.5,93.5,45,1.00,1.08,1.14,94.0,94.0,94.4,55,1.20,1.07,94.5,94.5,表,3,效率和空载损耗保证值,4,技术要求,36,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/min,1500,1000,750,500,375,堵转转距,/,额定转矩,7.5,3,3,2.7,2.2,11,3,3,2.7,2.2,15,3,3,2.7,2.2,2.1,18.5,3,3,2.7,2.2,2.1,22,3,2.8,2.7,2.2,2.1,30,3,2.8,2.7,2.2,37,3,2.8,2.7,2.2,45,3,2.8,2.7,2.2,55,3,2.8,2.7,2.2,4,技术要求,37,4.6,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,技术要求,38,4.9,永磁电动机空载反电势范围及测试方法,4.9.1,永磁电动机空载反电势的范围应符合表,5,规定。,电压等级,（,V）,空载反电势范围,（,V）,380,380-405,660,660-703,1140,1140-1214,表,5,永磁电动机空载反电势的范围,4,技术要求,39,4.9.2,永磁电动机反电势测定方法,a),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。,4,技术要求,40,4,技术要求,表,6,永磁电动机轴径限定值,机座号,同步转速,r/min,1500,1000,750,500,375,轴,径,mm,132S,42,42,42,42,42,42,48,48,48,48,48,48,55,55,55,55,55,55,60,60,60,60,60,225S,65,65,65,65,65,65,65,65,65,75,75,75,75,75,280S,80,80,80,80,80,80,80,80,80,80,315S,80,80,80,80,80,41,4,技术要求,4.11,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）应不超过下列规定。,a)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。,42,4,技术要求,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下列公式所求得的数值。,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，,M,；,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。,43,4,技术要求,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%,。,4.21,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。,44,5,试验方法,5.1,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。,5.5,牵入转矩和失步转矩的测定按,GB/T22711,标准规定进行。,5.6,空载特性：在空载稳定运行状态下分别测取被测电动机的空载电压、空载电流和空载损耗。,45,6,检验项目,6.1,每台电动机须经出厂检验合格后才能出厂，并应附有产品合格证。,6.2,电动机的检验项目,a),空载特性：空载电压、空载电流、空载损耗、空载反电势；,b),效率和功率因数的测定；,c),堵转电流和堵转转矩测定；,d),轴径。,46,6,检验项目,6.3,电动机的机械检查项目,a),转动检查：电动机转动时，应平稳轻快，无停滞现象；,b),外观检查：检查电动机的装配是否完整正确，电动机表面油漆干燥完整、均匀、无污损、碰坏、裂痕等现象；,c),安装尺寸、外形尺寸及键的尺寸检查：安装尺寸、外形尺寸及键的尺寸应符合本标准,3.8,的规定。,47,第四部分,永磁同步电机现场使用应注意的几个问题,48,传统变压器一次测电压调整只有,2,档,3,个位置，电压调整范围只有,5%,，且电压调整步幅较大，不能满足永磁同步电机对电压的需要。因此，要选用最新研制的,8,档,9,位变压器，电压调整范围达,10%,，步幅调整,2.5%,；该变压器无论是在变电所的始端还是在末端都能保证永磁同步电机的定子电压接近临界反电势。,1,合理选择配套变压器,49根据电机铭牌上标示的空载反电势，调整变压器输出电压，使电压值低于空载反电势的,2.5%,左右，以现场实测电机呈很高容性功率因数运行为最佳。这一特点在抽油机上特别有意义，对一台变压器拖动一台电机的情况，电机的容性无功正好和变压器的感性无功相互补偿，可使变压器的一次测功率因数大于“,0.90”,。对一台变压器拖动多台电机的情况，适当控制容性功率因数和感性功率因数运行永磁同步电机的比例数，也可使变压器的一次测功率因数大于“,0.90”,。,2,确保呈容性功率因数运行,50,永磁同步电机比异步电机在抽油机上更容易发电，当永磁同步电机定子与电网断开时，如果抽油机拖动永磁同步电机自由高速旋转，此时永磁同步电机的发电电压很可能要高于额定电压很多，造成电机及控制线路绝缘击穿而损坏。因此，应严禁抽油机拖动永磁同步电机高速自由运转。,3,严禁抽油机拖动永磁同步电机高速运转,51,由于特殊的抽油机工况，永磁同步电动机在抽油机上的应用有其特殊性，如果不掌握这些特性，在实际使用中永磁同步电动机的优点就不能充分发挥出来，就不能达到最佳节电效果。近几年永磁同步电动机在胜利油田的抽油机已有一定规模的推广应用，显示出许多独有的特性，掌握这些特性对用好永磁同步电动机十分必要。,52,不当之处！,敬请各位领导专家批评指正！,53,