抽油機用永磁同步電動機選型技術要求中國石化節能監測中心二O一三年五月Q/SH0451-2012永磁同步電動機在抽油機上的應用分析一標準背景及起草過程主要內容三標準條文說明解釋永磁同步電動機在現場使用應注意的幾個問題第一部分標準背景及起草過程根據股份公司2010年中國石化企業標準制修訂項目計劃（項目計劃編號2010-044），為規范永磁同步電動機的選用，促進企業提高節能技術水平和管理水平，由中國石油化工股份有限公司勘探開發事業部提出，中國石油化工股份有限公司科技開發部歸口，勝利油田分公司技術檢測中心負責起草該項標準。1任務來源2目的意義永磁同步電動機與異步電動機相比，具有啟動轉矩大、高效區寬、功率因數高（可達0.9以上）等優點，已經被油田所接受，并成為了抽油機動力裝置主要設備。但目前進入油田市場的永磁電動機品牌繁雜，質量、性能、節電效果不一，而其檢測評價沒有相關的國標、行標，某些參數只能以異步電動機標準作為參考，但其特有參數，比如：反電勢點等沒有可參考的依據，為對進入油田市場的永磁電動機的各項性能指標、現場使用條件進行規范，特編寫本標準。這項標準的起草和出臺，將有助于采購部門及使用部門科學、合理的對抽油機用永磁同步電動機的性能進行評價，有助于規范油田市場。3起草工作簡要過程標準起草工作小組先后奔赴現場使用數量較大、用戶反映良好的5個永磁電動機制造廠，針對永磁同步電動機的特點，對永磁電動機的技術參數以及技術使用難點進行了交流，主要交流問題包括：1.1電動機的機座號與轉速及功率的對應關系；1.2電動機在功率、電壓、頻率為額定值時，其空載損耗、效率和功率因數保證值；1.3額定電壓下，電動機的堵轉轉矩與額定轉矩之比應不低于的保證值；1.4額定電壓下，電動機堵轉電流與額定電流之比；1.5不同負載下效率、功率因數的變化；1.6空載反電勢的測定；1.7是否具備相應的試驗設備和試驗方法；1.8了解各廠家電動機使用的磁鋼性能以及定子、轉子矽鋼片的使用情況。1永磁同步電動機生產廠家調研統計2007年以來的的試驗室測試數據，主要包括空載測試參數、負載測試參數、堵轉測試參數。2007年永磁同步電動機試驗室測試數據，包括不同功率、不同極數永磁同步電動機的空載損耗、空載反電勢，不同負載率下的電動機功率因數、電動機效率。2008年、2010年永磁同步電動機試驗室測試數據，包括不同功率、不同極數永磁同步電動機的空載損耗、空載反電勢，不同負載率下（負載率為25%、50%、75%、100%、125%）的電動機功率因數、電動機效率。2試驗室試驗3起草工作簡要過程電源380V、50HZ電動機接線盒電能測試儀空載電參數測試原理圖3起草工作簡要過程2試驗室試驗電能測試儀電源380V、50Hz電動機電能測試儀發電機反饋回電網轉矩轉速儀試驗室效率測試接線示意圖3起草工作簡要過程2試驗室試驗永磁同步電動機在堵轉時振動較劇烈，各個轉矩分量都是變換很快的瞬態量，這些都使永磁同步電動機轉矩、轉速測試較異步電機困難，目前國內還沒有永磁同步電機堵轉轉矩測試儀器，堵轉轉矩都是根據理論計算得出，無法實現堵轉轉矩的實測，造成電機生產廠家的標注混亂，與電機實際堵轉轉矩相差大。轉矩測試采用的電機堵轉轉矩測試裝置，能在1s內采集600個點，并通過信號調理模塊將應變電信號轉換成232格式，通過電腦可清晰的看出瞬時堵轉數據并通過軟件計算出電機堵轉轉矩。電動機的堵轉轉矩具體測試方法是將鋼臂一端固定在電機轉軸上，另一端放在壓力傳感器上。對電機施加電壓，測試其堵轉轉矩。3起草工作簡要過程2試驗室試驗試驗室電機堵轉轉矩測量裝置示意圖1.連接法蘭盤2.傳力杠桿3.傳感器4.上安裝板組件5.調整墊塊6.下安裝板組件7.數據處理單元8.PC機3起草工作簡要過程主要包括2008年、2010年現場永磁同步電動機現場測試數據。3起草工作簡要過程3現場測試4數據統計分析5征求其他油田有關單位和專家的意見，提出本標準的征求意見稿統計2007年以來的的試驗室及現場試驗、測試數據，統計數據包括：4.1空載損耗、空載反電勢；4.2不同負載下的電動機效率、功率因數；4.3堵轉轉矩、堵轉電流；4.4現場運行電壓、功率因數及電動機功率利用率等參數。第二部分永磁同步電動機在抽油機上的應用分析永磁同步電動機機在抽油機上的應用，人們最擔心的是退磁問題。曾抽測6個生產廠家的12臺在用永磁同步電機，其中4家的主要參數合格率為零，主要是用磁體的質量不過關；2家的全部合格。不合格的主要原因是：據調研，國內永磁體正規生產廠的設備先進，檢驗設備齊，工藝過程全部真空化，產品的質量好。一些設備陳舊，檢驗設備不全，工藝落后的廠家生產的永磁體各項性能參數很難做到長期穩定。因此，必須要求該電機廠選用正規生產廠家的永磁體。1退磁問題五類磁鋼：鋁鎳鈷磁鋼、鐵氧體磁鋼、燒結釹鐵硼、粘接釹鐵硼、釹鐵硼磁鋼每類產品按最大磁能積大小劃分若干個牌號：N35—N52,N35M—N50M，N30H—N48H,N30SH—N45SH，N28UH—N35UH,N28EH—N35EH磁鋼N38SH：N38是磁鋼性能標號，SH是耐溫標號，耐溫120度。1退磁問題為此，我們從正在抽油機井場運行2年以上的永磁同步電機隨機抽取5臺進行解剖，拆出所有永磁體，從每臺中隨機抽取4——5塊，共抽取23塊永磁體型號為（NTP33SH）。用中國計量科學院生產的NIM——10000H大塊稀土永磁無損測量裝置測試23塊永磁體的剩磁、磁感矯頑力、內稟矯頑力、最大磁能積。從測試結果可知，隨機抽取的5臺電機23塊永磁體，所有磁性參數都達到國家標準。表明該標號永磁體基本沒退磁，是穩定可靠的。1退磁問題抽油機電機運行時負載率都很低，而啟動時又需要大的啟動轉矩，因此，人們在選擇永磁同步電機時總希望啟動轉矩倍數大的電機，這樣可以降低抽油機配備電機的額定功率，進而提高電機的負載率，達到節電之目的。但在抽油機工作狀況下，部分生產廠家的永磁同步電機啟動轉矩倍數遠低于說明書中的指標，故抽油機啟動困難，甚至無法啟動。主要原因是：低壓線路較長，啟動電流過大（實測在10倍額定電流以上，有的在啟動開始的前2個周波達到18倍），導致變壓器及低壓線路的壓降很大，永磁同步電機在嚴重欠壓狀態下啟動。2啟動問題狀態/參數30kW,8極，380V甲乙丙額定電壓狀態啟動電流倍數Ist7.21112.2啟動轉矩倍數Tst3.23.23.5啟動品質因數K0.06170.02640.0235模擬抽油機狀態啟動電流倍數Ist6.39.29.7啟動轉矩倍數Tst2.42.051.9啟動品質因數K0.06050.02420.0202備注:1.抽油機模擬狀態下變壓器≤50kVA。2.啟動品質因數計算公式為：K3家生產廠的永磁同步電機測試結果2啟動問題額定電壓下啟動轉矩大且啟動電流也大的永磁同步電機在抽油機工作狀態下啟動轉矩反而小，因此，在抽油機上考慮永磁同步電機的啟動性能時，僅僅考慮啟動轉矩倍數是不夠的，還應當考慮啟動電流的影響。2啟動問題（1）空載反電勢：每臺永磁同步電機都有一個不同的空載反電勢，測取方法是：用同種轉速的永磁同步電機軸對軸連接，一臺定子接通三相交流電，達到同步轉速時，測試另一臺被拖動電機定子的開路電壓即為空載反電勢。（2）臨界反電勢：在一定負載下，連續調整永磁同步電機的定子電壓，用FLUK43B電力分析儀測試永磁同步電機的瞬時無功功率，并用萬用表測試電壓，當FLUK43B測取的無功功率即不顯示“C”（容性無功）也不顯示“L”（感性無功）時對應的定子電壓即為該負載下的臨界反電勢，此時的無功功率很小3功率因數與電機反電勢多功率電機空載特性曲線3功率因數與電機反電勢永磁同步電機空載特性曲線3功率因數與電機反電勢（3）負載率、定子電壓對（無功功率）功率因數的影響對不同額定電壓等級（380V、660V、1140V）、不同額定功率（22kW、30kW）和不同轉速（750轉/分鐘、1000轉/分鐘）的12臺永磁同步電機在不同負載率對應不同電壓下的有功功率、無功功率和功率因數進行測試，結果說明：各參試之間的規律關系都基本一致。3功率因數與電機反電勢電壓有功功率（kW）無功功率（kvar）功率因數（COSφ）空載10%20%40%空載10%20%40%空載10%20%40%3500.683.01612-6.54-6.98-6.45-3.450.1030.3960.6810.9613600.683.016.0111.99-5.13-5.17-4.62-2.430.1310.5030.7930.983700.692.98612.01-3.67-2.34-2.27-0.930.1850.7870.9350.9973800.692.99612-2.32-2.06-0.37-0.530.2850.8230.9980.9993900.723.016.01120.180.080.381.530.970.9990.9980.9924000.813612.012.512.241.482.620.3070.8010.9710.9774100.933.015.9911.996.052.912.783.980.1520.7190.9070.9494201.0136129.76.644.835.770.1040.4120.7790.90130kW8極380V永磁同步電機不同負載率、不同電壓下的功率因數3功率因數與電機反電勢（4）永磁同步電機功率因數與負載率、反電勢的關系①當定子電壓高于永磁同步電機的臨界反電勢時，其感性無功功率呈感性功率因數運行；當定子電壓低于永磁同步電機的臨界反電勢時，永磁同步電機的容性無功功率呈容性功率因數運行。②外加永磁同步電機的定子電壓等于或近似等于其臨界反電勢時，電機無功功率最小，功率因數最高。③負載率較低時，功率因數隨外加定子電壓偏離臨界反電勢的增大而減小，定子電壓偏離臨界反電勢越多功率因數下降越多。3功率因數與電機反電勢（4）永磁同步電機功率因數與負載率、反電勢的關系④隨負載率的增大，電壓變化對功率因數的影響逐漸減弱，當負載率大于40%時，電壓變化對功率因數的影響很小。⑤在定子電壓一定時，電機的負載率越低功率因數越低。⑥電機空載臨界反電勢近似等于空載反電勢，隨著負載的增加臨界反電勢逐漸下降，在抽油機的工況狀態下下降約2.5%U。3功率因數與電機反電勢對在用2年以上的1356臺永磁同步電動機作了跟蹤調查和統計，永磁同步電機的軸和軸承的故障率較高——斷軸32起，軸承損壞113起。其原因是：30kW永磁同步電機的軸徑為60mm，軸承2313；而替換的Y系列45kW、55kW電機的軸徑是75mm，軸承2314——2317。因此，永磁同步電機的軸徑和軸承比同功率的異步電機應適當加大1——2個規格，才能滿足在抽油機上的使用要求。4斷軸問題第三部分標準條文說明解釋1范圍本標準規定了抽油機用永磁同步電動機（以下簡稱永磁電動機）的型式基本參數與尺寸、技術要求、試驗方法、檢驗規則，標志、包裝、運輸和貯存等的要求，以及電動機的現場安裝與使用規范。本標準適用于永磁電動機。本標準適用于油田企業永磁電動機的選型、采購、檢驗、驗收、入庫以及使用等。GB755旋轉電動機定額和性能GB997電動機結構及安裝型式代號GB/T1032三相異步電動機試驗方法GB1993旋轉電動機冷卻方法GB/T4772.1旋轉電動機尺寸和輸出功率等級

第一部分

機座號56~400和凸緣號22~1080GB/T4942.1旋轉電動機外殼防護等級（IP代碼）GB10068旋轉電動機振動測定方法及限值GB10069.1旋轉電動機

噪聲測定方法及限值

第一部分：旋轉電動機噪聲測定方法GB/T22711高效三相永磁同步電動機技術條件（機座號132~280）JB/T9615.1交流低壓電動機散嵌繞組匝間絕緣試驗方法JB/T9615.2交流低壓電動機散嵌繞組匝間絕緣試驗限值JB/T9616Y系列（IP44）三相異步電動機技術條件（機座號80~315）JB/T10391《Y系列(IP44)三相異步電動機技術條件(機座號80~355)2規范性引用文件3型式基本參數與尺寸機座號結構及安裝代號132~225B3、B5、B35、V1250~315B3、B35、V13.1電動機的結構及安裝型式應符合GB997中IMB5、IMB35、IMB3、IMVI的規定并按表1的規定制造。表1電動機的結構及安裝型式對應表3型式基本參數與尺寸3.2電動機的外殼防護等級符合GB/T4942.1中IP44的規定。3.3電動機的冷卻方法符合GB1993中IC411的規定。3.4電動機的定額是以連續工作制（SI）為基準的連續定額。3.5電動機的額定頻率為50Hz，額定電壓為380V、660V、1140V。3.6電動機應額定輸出功率范圍如下，單位為kW：5.5，7.5，11，15，18.5，22，30，37，45，55。3.7電動機的機座號與轉速及功率的對應關系應符合表2的規定。3.8電動機的尺寸及公差應符合GB/T22711的規定。

機座號同步轉速

r/min15001000750500375功

率

kW132S5.5————7.5————117.5———15117.5——18.5————221511——3018.5，2211，15——225S37，453018.5，22，3011—453022，3015，18.5—5530，37302211，15280S—45373018.5，22—5545，5537，4522315S——5545—表2機座號與轉速及功率對應關系3型式基本參數與尺寸4.1在下列的海拔高度、環境空氣溫度以及環境空氣相對濕度條件下，電動機應能額定運行：a)海拔高度不超過1000m；b)環境空氣最高溫度隨季節而變化，不低于―25℃，但不超過45℃；c)最濕月月平均最高相對濕度為90%，同時該月月平均最低溫度不高于25℃。注：如電動機指定在海拔超過1000m或環境溫度高于45℃的條件下使用時，應按GB755標準規定執行。4.2電動機運行期間電源電壓的頻率對額定值的偏差應按GB755的規定。4技術要求4.3電動機在功率、電壓及頻率為額定時，其效率、空載損耗的保證值應符合表3的規定。4.4電動機在電壓和頻率為額定值時，其功率因數在額定負載時應不低于0.95，在1/2額定負載時應不低于0.92，在1/4額定負載時應不低于0.88。4.5在額定電壓下，電動機的堵轉轉矩與額定轉矩之比的保證值應不低于表4的規定。4技術要求功率kW同步轉速

r/min1500100075050037515001000750500375空載損耗

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—150.460.550.58——92.592.092.091.8—18.50.520.550.580.700.7293.593.293.093.092.8220.550.590.630.760.8993.893.593.093.092.8300.720.840.891.04—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3效率和空載損耗保證值4技術要求表4堵轉轉矩與額定轉矩之比的保證值功率kW同步轉速

r/min15001000750500375堵轉轉距/額定轉矩7.5332.72.2—11332.72.2—15332.72.22.118.5332.72.22.12232.82.72.22.13032.82.72.2—3732.82.72.2—4532.82.72.2—5532.82.72.2—4技術要求4.6在額定電壓下，電動機牽入轉矩與額定轉矩之比的保證值應不低于1.5。4.7在額定電壓下，電動機失步轉矩與額定轉矩之比的保證值應不低于2.4。4.8在額定電壓下，電動機堵轉電流對額定電流之比應不大于8.5。4技術要求4.9永磁電動機空載反電勢范圍及測試方法4.9.1永磁電動機空載反電勢的范圍應符合表5規定。電壓等級（V）空載反電勢范圍（V）380380-405660660-70311401140-1214表5永磁電動機空載反電勢的范圍4技術要求4.9.2永磁電動機反電勢測定方法a)將被測電動機拖至額定同步轉速作為發電動機空載運行，分別測量電動機繞組三相出線端電壓，取其平均值作為空載反電動勢；b)用電流拐點法測試電動機反電勢。實際冷態下，電動機在額定電壓、額定頻率下空載穩定運行后，調整輸入電壓繪制電流曲線，根據曲線找出電流拐點，此時對應的電動機端輸入電壓即為該電動機的空載反電勢。4.10永磁電動機的軸徑不低于表6的規定。4技術要求4技術要求表6永磁電動機軸徑限定值機座號同步轉速

r/min15001000750500375軸徑mm132S424242——424242——484848——484848——555555——555555——6060606060225S65—65656565656565657575757575280S80808080808080808080315S80808080804技術要求4.11電動機電氣性能保證值的容差應符合GB755的規定。4.12當海拔高度和環境空氣溫度符合本標準4.1的規定時，電動機定子繞組的溫升限值（電阻法）應不超過下列規定。a)B級絕緣為80K；b)F級絕緣為105K；c)軸承的允許溫度（溫度計法）應不超過95℃。4.13電動機在熱狀態和逐漸增加轉矩的情況下，應能承受4.7所規定的失步轉矩值（計及容差），歷時15S而無轉速突變、轉停及發生有害變形，此時，電動機和頻率應維持在額定值。4.14電動機在空載情況下，應能承受提高轉速至額定值的120%，歷時2min而不發生有害變形。4技術要求4.15電動機定子繞組對機殼的熱態對地絕緣電阻應不低于下列公式所求得的數值。R=U/（1000+0.01P）式中：R——電動機定子繞組對機殼的熱態絕緣電阻，MΩ；U——電動機額定電壓，V；P——電動機額定輸出功率，kW。4.16電動機定子繞組應能承受1min的耐電壓試驗而不發生擊穿。試驗電壓頻率為50Hz，并盡可能為正弦波形。其電壓有效值按GB755規定值進行。4技術要求4.17電動機定子繞組應能承受匝間沖擊耐電壓試驗而不被擊穿。試驗沖擊電壓峰值按JB/T9615.2的規定。4.18電動機在空載時測得的振動速度有效值應符合GB10068的規定。4.19電動機在空載時測得的A計權聲功率級的噪聲數值應符合GB/T10069.1的規定4.20當三相電源平衡時，電動機的三相空載電流中任何一相與三相平均值的偏差不大于三相平均值的10%。4.21電動機氣隙不均勻度應符合JB9616的規定。4.22電動機有一個圓柱形軸伸，雙方另有協議時允許電動機制成兩個軸伸，第二軸伸應能傳遞額定輸出，但只能用聯軸器傳動。5試驗方法5.1電氣性能試驗按GB/T22711、GB/T1032標準中規定進行。5.2噪聲試驗按GB/T1009.1標準規定進行。5.3振動試驗按GB10068標準規定進行。5.4繞組匝間耐電壓試驗按JB/T9615.1標準規定進行。5.5牽入轉矩和失步轉矩的測定按GB/T22711標準規定進行。5.6空載特性：在空載穩定運行狀態下分別測取被測電動機的