变频器对油田电动机性能影响的研究徐宝元

变频器对油田电动机性能影响的研究徐宝元

徐宝元

(大庆油田有限责任公司第五采油厂第三油矿集输队黑龙江大庆163000)

摘要：随着社会发展人们对油田资源的需求越来越大，但现实中油田产量逐年递减，设备负载率不断降低，为了节能，变频调速的方法便得到了广泛应用。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。

关键词：变频器；电动机；谐波

引言

变频器广泛的应用在油田生产中，在油井采出、注入、联合站及中转站外输、掺水、污水处理、配制站母液外输等方面起到重要的作用。变频器具有结构简单、运行稳定、无极调速、故障率低、软启动、冲击电流小等特点，在各种油泵、风机、抽油机等油田生产设备控制中节能效果好，是油田重要的节能控制系统。变频器的运行时率对油田生产过程的控制发挥着重要作用。

1变频器在油田应用现状

变频器控制系统在油田生产中使用较为普遍，其组成主要有传感器、变送器、调节器、控制器、变频器、电动机等组成。变频器有开环和闭环两种控制方式，开环式控制系统相对较简单，使用传感器监测被控参量，然后通过手动方式调整变频器，从而改变电动机工作状态。闭环控制系统相对复杂，通过传感器用来监测温度、压力、流量、液位等参量，将传感器信号转换成电信号，变送器接受到传感器信号后，转换成4~20毫安的电流信号或者0~10伏的电压信号，作为调解器的控制信号。调节器和控制器拥有数字量和模拟量的输入端和输出端，具有数据计算、逻辑分析和判断的功能，通过软件控制系统能够实现PID或模糊控制，能够控制电动机进行调频和工频切换等。目前，在油田生产中，变频器控制系统的开环控制系统主要用于机械采油、注聚等系统。闭环控制系统大部分用于原油外输、污水反冲等系统。采油一厂各类变频器达上千台，经统计，投入使用的变频器占总数的百分之八十以上，这些投产的变频器中部分变频器和电动机功率匹配不合理，表现在大功率变频器匹配小功率电动机的“大马拉小车”的情况，还有少部分小功率变频器无法拖动大功率电动机的情况。未投入使用的变频器大多是因为工况不合适、停产或出现故障需要修理等原因。

2对油田电动机性能影响因素分析

变频器对电动机的影响主要由于输出侧谐波的

图1变频器主要结构及基本原理示意图

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。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

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（50Hz）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。

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。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。

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，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

3.1日常检查

日常检查由采油工在巡井的过程中进行检查，包括不停止变频器运行或不拆卸其盖板进行通电和启动试验，通过目测变频器的运行情况确认无异常情况，通常检查如下内容：

（1）键盘面板显示是否正常，有无缺少字符，仪表指示是否正确；

（2）冷却风扇部分是否运转正常，是否有异常声音、大量的灰尘等；

（3）变频器及引出电缆是否有过热、变色、变形、异味、噪声等异常现象；

（4）变频器周围环境是否符合标准规范，温度与湿度是否正常；

（5）变频器控制柜内是否由积聚灰尘的情况，当空气过于潮湿会使灰尘导电，导致变频器内部直接短路；

（6）发生故障时，要记录下故障情况(包括故障代码)，查明原因后方可再次送电，不要盲目的送电，以免造成人员和设备的损伤，建议两次合分电源的时间间隔在30秒钟以上，以减少对变频器的冲击。

3.2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。

结语

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。

参考文献:

[1]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.

[2]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.