專注電機制造60年，服務全球制造業在油田生產中使用最為廣泛的采油設備就是抽油機，而其龐大的耗電量超過了總用電量的四成，其工作中承受的周期性波動的負載，通常負載率較低，這也導致整個抽油機系統不超過 30% 的負載率，存在較為嚴重的電能浪費情況。作為電能到機械能轉換的設備，抽油機電機這一電氣設備承擔了系統的原動力，而電機是否節能又直接影響到整個系統的節能狀況。為提升抽油機系統的效率，達到節能效果，就需要對電機的耗能原理進行分析，針對高能耗的問題進行適當改造來獲得更佳的運行方案。
▲皖南電機：油田專用節能電機
1 電機節能及能耗分析分析
1.1電機能耗機理
電機分為直流電機、交流電機和控制電機。直流電機的電源為直流電，調速過程平滑，有著良好的啟動性和經濟性，多用于對調速和氣動有一定要求的設備。交流電機的電源為交流電，從電源頻率和轉數上又分為同步電機和異步電機。電機轉速為 n 值，在同步電機中，電源頻率和 n 之間的關系固定，在負載變化的情況下也不會發生改變，可對其功率因數進行調節，在空載狀態下實現無功功率的調節。對于異步電機，n 值始終低于電源產生的旋轉磁場轉速，因定子繞組的相數區別可分為單相異步電機和三相異步電機，單相多屬于小型，而多相則有著不同的容量。
電機的損耗主要包括了恒定損耗、負載損耗和雜散損耗。恒定損耗不受負載影響，主要是因不同的設計參數而形成的固有損耗，包括轉速、結構、制造工藝和材料等，可分為鐵心損耗和機械損耗。負載損耗也稱為銅耗，是電流在通過轉子繞組和定子是而出現損耗，繞組電阻和負載電流決定了該值的大小，占總損耗的兩成到七成。雜散損耗是約為總損耗的 10%~15%，是鐵心和導線等金屬部件在轉子、定子的高次諧波下出現的損耗。
1.2高耗低效原因分析
對油田抽油機的使用現狀進行統計分析，造成電機高耗低效的原因主要包括大量老舊電機的使用、不當的電機匹配、特殊的工藝要求。當前存在電機超期服役的情況，有的甚至超過二三十年，這些電機內部存在嚴重的老化，且制造工藝和材料均已淘汰，技術性能無法達到需求，這就使得電機效率遠低于新型高效節能電機。
在電機選配方面，存在不合理的情況，主要表現在以下幾個方面 ：不合理的形式、不合理的容量、不合理的轉速以及不合理的轉矩。因工藝需求，抽油機的周期變化負載導致了不同階段不同轉矩，這就需要對容量裕度進行合理配置。
2 抽油機負載特點
抽油機在工作中，油柱上升中需要大功率，而在下方因自由落體不需要動力，為保持均勻負荷，通過添加平衡塊的方式來實現平衡，電機軸上所承受的總負載轉矩為平衡扭矩加上符合扭矩。在以曲柄轉交和總負載轉矩的關系形成的抽油機負荷曲線圖中，隨著油井的變化， 曲線有所不同，受平衡和井況影響，具有以下特點。
抽油機的負載為波動且具有周期性，以沖次來對波動頻率進行描述，通常情況下，抽油機沖程為每分鐘 6到 12 次，波動周期為 5 到 19 秒。平衡扭矩為正弦曲線，但負荷扭矩呈不規則，總負載轉矩曲線在呈現負功率時，電動機會進入發電制動狀態。在負載扭矩曲線的一個周期內，平均值在最大值的 1/3 處，上下沖程都存在一個死點，在停車后的啟動中，啟動點始終未負載較大的死點。
鑒于抽油機負載的特殊性，如果采取普通異步電機就會造成浪費。抽油機的啟動是從死點附近帶載啟動，有著較大的慣性矩，為保證生產的順利進行，電機的選配過程中就需要以最大扭矩為參考值，但是進入到正常工作后，平均轉矩只是最大扭矩的 1/3，使得電機工作始終處于額定功率的 1/3 狀態，造成浪費。再者，井場存在砂卡結蠟等情況時，為保證啟動過程中不出現燒毀而對電動機進行不斷更換，人為因素導致余量的增加，加劇了浪費程度。對現有的抽油機進行負荷率統計，通常在20% 左右，稍微能維持在 30% 這一相對高位，過低的符合運轉使得電機效率無法提升，功率因數降低。在抽油機負載的周期性波動帶動下，電機轉速也出現波動，加大其損耗。因抽油機的平衡決定了周期性負載，無法做到根治。負功率出現在電網和電機中，在有功電能的吞吐作用下，使得功率因數不斷惡化。
3 節能及改造過程
關于電機節能方面的標準主要有國家標準 GB18613《中小型三相異步電動機能效限定值及能效等級》，現今參考的是 2012年頒布的第三版標準。在該標準中，中小型三相異步電動機效率可分為 1 級、2 級、3 級三個等級， 適用范圍為 2 極、4 極、6 極，額定功率在 0.75~375 kW，50 Hz 三相交流電源供電，1000 V 以下電壓。抽油機電機進行改造過程中可參考此類標準。
對異步電機進行分析，在不變的頻率下，負載轉矩M 也為固定值，存在一個電壓值 U 使其實現最優化，在該電壓下能實現最高效和最小損耗。輸入功率 P1 與電壓變化 f（u）呈反拋物線分布。鑒于抽油機工作負荷的周期性波動，為實現曲線各點的最優化工作，就需要電機的輸入電壓也能隨著負載扭矩的變化而變化。這就需要功率因數控制器來對輸入電壓進行調節，使其與負載波動對應，這類交流調壓裝置在當前技術下較容易實現，提升抽油機節能狀況的優化方式可采取變壓變頻。從抽油機的惡劣工作環境分析，通常不可能采取電力電子節能裝置，過高的成本，造成破壞后不能自助修理，且極易發生設備失竊的可能，導致高新設備的應用受阻。
雖然電力電子節能裝置在實際應用中無法推廣，但是還有一種現實可行的方法，就是對電機定子繞組進行切換。最常見的抽油機電機功率在 7.5~75 kW之間，采取的 Y 系列異步電機，為滿足大轉矩的啟動要求，可在啟動時用三角形接法來實現定子繞組。當處于正常工作狀態下，對每組繞組分成兩部分，形成延邊三角形，以此來降低電壓和輸入功率，實現節能，針對現采用的電機，可采取 1 ∶ 1 和 1 ∶ 2 兩種類型。在換接定子繞組后，降低了電機相電壓和最大扭矩，這就降低了過載能力。需要對過載能力進行考察，因為當最大扭矩還未達到抽油機峰值扭矩時容易導致停車。
抽頭比 K 為 Y 形部分和三角形部分的匝數比，過載能力變比 Kt 為延邊三角形接法和三角形接法時的最大扭矩之比，等效降壓比 Ku 為延邊三角形接法和三角形接法時的等效相電壓之比，改接后的最大轉矩倍數 Km 為延邊三角形接法時的最大轉矩與電機額定轉矩之比。一般情況下的 Y 系列電機中，抽油機的六、八極電機 Km 值為2。定子繞組換接后電機的過載能力，在 1 ∶ 1 類型中，Ku、Kt、Km 分別為 0.71、0.47、0.94，在 1 ：2 類型中， 分別為 0.78、0.56、1.12。
對原電動機進行改進后，保持了原有的啟動力矩和啟動電流，使其啟動特性不變，改造后的電機也能再遠場合正常適用，改造后，負載越小，節電率就會隨之變得越高。改造的過程較少投入且操作簡單，效果明顯， 進行適當改進后也能應用于其他系列電機，適合應用于采油廠的技術改造。
本文來源于《生產質量》。