李東平（大慶油田有限責任公司第三采油廠）

變頻器對油田電動機性能影響的研究

李東平（大慶油田有限責任公司第三采油廠）

隨著油田產(chǎn)量逐年遞減，設備負載率不斷降低，變頻調(diào)速作為電動機節(jié)能的主要方法得到廣泛應用。以大慶油田為例，超過30%的電動機使用變頻器來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。變頻器在使用過程中，輸入、輸出端都會產(chǎn)生大量的諧波，這些諧波會造成電動機效率的降低、運行溫度的升高、振動和噪聲的增加等影響。通過對相關(guān)影響因素進行研究，尤其是變頻器對電動機損耗、溫升、噪聲振動及絕緣的影響提出了對應的整改措施。經(jīng)過分析，變頻器對電動機影響最大的是產(chǎn)生的諧波，有效的消減諧波就可以減小對電動機效率和壽命影響，合理匹配變頻器可以減小對電動機溫升及噪聲振動的影響。

變頻器；電動機；諧波

DOI：10.3969/j.issn.2095-1493.2017.07.013

隨著油田進入高含水期，生產(chǎn)中節(jié)能降耗和安全生產(chǎn)成為油田生產(chǎn)的兩個重要方面，變頻器的使用能夠滿足節(jié)能降耗和安全生產(chǎn)的實際要求[1]。變頻調(diào)速節(jié)能控制柜已成為油田生產(chǎn)中最有效的電氣節(jié)能設備，得到大面積推廣[2]，在機采系統(tǒng)、集輸系統(tǒng)、注入系統(tǒng)等油田主要生產(chǎn)系統(tǒng)均有應用，在油田實際生產(chǎn)中，很少使用變頻器專用電動機，多數(shù)為已經(jīng)在用的普通電動機，變頻器與普通電動機搭配使用時電動機會出現(xiàn)效率、壽命降低等問題，所以找到影響因素及對策，對大規(guī)模使用變頻器的油田企業(yè)具有現(xiàn)實意義。

1 變頻器調(diào)速的基本原理

變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用把電壓、頻率固定不變的交流電變成電壓、頻率都可調(diào)的交流電源?，F(xiàn)在油田常用的變頻器主要采用交-直-交方式進行工作，即先把工頻交流電源通過整流部分轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再通過逆變部分把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。變頻器主要由整流部分、儲能環(huán)節(jié)、逆變部分、控制系統(tǒng)四部分組成（圖1）。

2 影響因素分析

變頻器對電動機的影響主要由于輸出側(cè)諧波的產(chǎn)生，機理是由于變頻器通過CPU控制功率元件的通斷，從而形成電壓、頻率可調(diào)的三相輸出電壓，變頻器輸出諧波含量與變頻器的類型、電動機繞組聯(lián)接方式、變流器的控制方式以及電動機的運行方式等因素有關(guān)[3]。

圖1 變頻器主要結(jié)構(gòu)及基本原理示意圖

其輸出電壓和輸出電流是由SPWM波和三角載波的交點產(chǎn)生的，不是標準的正弦波，如油田常用的變頻器，其輸出電壓波形為方形波，輸出的電流波形包含很多諧波分量，通過相關(guān)運算得出輸出端包含較多的諧波成分，電流和電壓諧波同樣能使電動機的總損耗增加，溫度上升。同時諧波電流會改變電磁轉(zhuǎn)距，產(chǎn)生振動力矩，使電動機發(fā)生周期性轉(zhuǎn)速變動，影響輸出效率，并發(fā)出噪聲。變頻器輸出側(cè)的電流、電壓波形，如圖2所示。

2.1 對電動機損耗的影響

圖2 變頻器輸出電流、電壓波形圖

為了節(jié)約成本，油田常用變頻器多數(shù)不會增加濾波裝置，變頻器產(chǎn)生諧波含量都會作用到電動機上，諧波電流在轉(zhuǎn)子繞組中引起的銅耗，諧波電流產(chǎn)生的主磁通在鐵心中引起的鐵耗。表1是在電動機測試平臺上測試的同一種電動機在原態(tài)（電網(wǎng)直接供電）及變頻（50 Hz）時的實驗數(shù)據(jù)。電動機的輸入功率為變頻器后端的輸出功率，由試驗對比可知，電動機在高負載運行時效率降低0.68%，如果加上變頻器的效率得出拖動系統(tǒng)比原電動機效率約降低2%左右，所以變頻器在變頻50Hz時，變頻器加電動機組成的拖動系統(tǒng)是不節(jié)能的。

表1 Y280S-8型電動機原態(tài)與變頻測試數(shù)據(jù)

2.2 對電動機溫升的影響

首先變頻器會使電動機損耗增加，產(chǎn)生額外的熱量，其次油田用變頻器主要是為了降低電動機轉(zhuǎn)速，因為普通電動機散熱主要是轉(zhuǎn)子帶動風扇葉片旋轉(zhuǎn)來降低電動機內(nèi)部溫度，隨著電動機轉(zhuǎn)速的下降，風扇排風量也會降低，進而使電動機內(nèi)部溫度升高。當溫升超過最高容許工作溫度時，電動機使用壽命將大幅縮短[4]。以油田常見Y系列電動機為例，電動機型號為Y280S-8，冷卻方式為自冷，試驗從頻率50Hz降為20Hz恒負載運行，通過監(jiān)測實時溫升來評價電動機受變頻器變頻影響的程度，見表2。得出頻率在30Hz以下時電動機溫升明顯。

表2 轉(zhuǎn)速對電動機溫升影響

2.3 對電動機噪聲振動的影響

電動機噪聲與振動增大是應用變頻器的常見問題，主要原因是變頻器輸出端諧波的存在，低次諧波會對電動機產(chǎn)生脈動。另外電動機的共振也是主要原因，在以某一頻率運行時電動機會產(chǎn)生機械共振。油田用電動機多數(shù)在室外或站場，噪聲影響不大，但是振動對電動機及其負載設備的危害大[5]，超過標準規(guī)定的振動直接傷害電動機軸承，加速其磨損，縮短使用壽命而造成安全事故。

2.4 對電動機絕緣的影響

變頻器對電動機絕緣性能的影響，例如對電動機匝間絕緣的影響，雖然“短期”絕緣性能降低不明顯，但卻能夠顯著影響電動機的壽命。主要原因是變頻器的高頻脈沖輸出的過電壓導致的，當電壓快速上升時，容易產(chǎn)生電暈放電現(xiàn)象，電暈放電使絕緣物質(zhì)過早老化，減弱其絕緣特性。

3 解決對策

變頻器對電動機的影響主要是由產(chǎn)生的諧波及不合理使用方式造成的，變頻器產(chǎn)生的諧波可以影響電動機的損耗、溫升及噪聲振動，有效的消減諧波就可以減小影響，電動機的溫升及噪聲振動可以通過合理使用變頻器來減弱或消除。

3.1 諧波治理

變頻器產(chǎn)生的諧波對電動機的影響很大，油田常用的消減諧波的方式主要分為有源濾波和無源濾波兩種，有源濾波可以進行自動跟蹤消除諧波補償無功的設備，基本原理是通過實時采集電流信號，分離出來其中的諧波部分，在產(chǎn)生與系統(tǒng)中諧波大小相等方向相反的補償電流來實現(xiàn)濾波的目的。有源濾波器具有濾波效果好，可以進行無功補償，不消減基波等特點，用于大量使用變頻器的油田站場。

無源濾波結(jié)構(gòu)簡單、成本低、運行可靠，基本原理是利用電感、電容和電阻的組合設計構(gòu)成的濾波電路，可濾除某一次或多次諧波，主要應用于抽油機水泵等單臺設備。

3.2 合理選用及使用變頻器

1）變頻器選用時應考慮電動機的實際參數(shù)及工作負荷，對于使用年限長的電動機因絕緣及耐壓性能發(fā)生變化，在選用前應該進行針對性測試。對于長期在高負荷工況下運行電動機，為了保證使用的安全性，應在選型時使用大一檔的變頻器。對于新投產(chǎn)的變頻器配套電動機要選用變頻專用電動機，變頻器專用電動機絕緣效果好，配備獨立風扇冷卻效果好。

2）普通電動機搭配變頻器時應在合理的頻率區(qū)間使用。頻率過高使電動機發(fā)熱小、噪音低，定子的集膚效導致效率降低，致使輸出功率降低；頻率過低使諧波含量增加導致散熱性不好、發(fā)熱嚴重，影響電動機使用壽命。通過調(diào)研及試驗論證油田用變頻器頻率應設置在30～50 Hz，如果此頻率下不能滿足生產(chǎn)需要，應該考慮應用其他調(diào)速技術(shù)和搭配機械調(diào)速器件一同使用。

4 結(jié)論

變頻器在油氣生產(chǎn)中的應用能夠解決油田電動機低負荷運行效率低下的問題，是解決老油田油氣生產(chǎn)單耗逐年升高的有效途徑。同時隨著變頻器的大量使用，變頻器對電動機的影響也越來越受到重視，通過分析可知諧波是影響電動機的主要原因，所以抑制變頻器諧波含量，同時避免變頻器的低頻運行是減少變頻器對影響電動機的主要原因。

[1]黃國鳳.變頻器的油田應用及節(jié)能效果[J].工程技術(shù)（全文版），2016（11）：265.

[2]朱益飛.變頻器對普通電機設備的影響分析[J].變頻器世界，2011（5）：72-74.

[3]柯巖.變頻器諧波對電機效率的影響分析[J].電力學報，2010（3）：221-224.

[4]張承慧，徐海東，李珂.淺談變頻器供電條件下電動機的溫升與對策[J].變頻器世界，2006（10）：63-82.

[5]王松.Y系列三相異步電動機振動分析與抑制[D].濟南：山東大學，2007.

（編輯 沙力妮）

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胡慶明

2017-03-14

李東平，2006年畢業(yè)于大慶石油學院（石油工程專業(yè)），從事油氣儲運、計量間管理工作，E-mail：dpli@petrochina. com.cn，地址：黑龍江省大慶油田第三采油廠，163000。