抽油机用稀土永磁电机起动性能分析

江朝忠

中国石化胜利石油管理局有限公司胜利宾馆 山东东营 257000

摘要：本文针对油田抽油机用异步起动稀土永磁电动机在研制过程中出现的起动困难问题，从异步起动永磁电动机结构和原理入手，分析了异步起动永磁同步电动机的电磁关系和与起动相关的理论问题，提出了抽油机用稀土永磁三相同步电动机起动性能的方法，并进行了试验验证。

关键词： PMSM；永磁同步电机；异步电机；功率因数；起动性能

引  言

因生产需要，油井所配抽油机电动机额定功率一般为油井负载功率的三倍左右，正常工作情况下抽油机电动机处于轻载状态（约30％左右负载率），此时异步电动机的功率因数极低（0.65），效率也极低（约65％）。胜发分公司总负荷12000KVA，有抽油机171台，电动机负荷为总负荷的80％以上，年耗电量950万度。现有稀土永磁三相同步电机97台，每月单井稀土永磁三相同步电机/台平均耗电量2400度，异步电动机/台每月耗电3300度，与三相异步电动机对比，年节电量约104.7万度。见3.3.3图表：

1抽油机用稀土永磁同步电动机相关技术概述

1.1.抽油机用稀土永磁同步电动机采用无滑差、内置式、切向并联磁极结构（图1）

在此结构中，相邻两磁极的永磁体并联提供每极磁通；为减少漏磁，磁极和电动机轴之间加装隔磁环。其优点是一个极距下的磁通由相邻两个磁极并联提供，可得到更大的每极磁通。

1.2.基本原理

运行原理是当定子三相绕组通入三相交流电流后产生同步旋转磁场。该磁场以同步转速在气隙空间旋转，其方向取决于三相电流的相序。转子的永磁体产生大小和极性不变，极对数和旋转磁场极对数相同的磁场。根据同性相斥、异性相互的原理，当转子的磁极与电枢旋转磁场的异性磁极对齐时，转子磁极将被电枢旋转磁场吸引而产生电磁吸引力，并进而产生电磁转矩，拖动转子随旋转磁场转动。因而转子的转速n的大小及方向和旋转磁场转速n1的大小及方向相同，两者相对定子“同步”旋转。 

图1   典型PMSM的结构示意图

1.3.起动过程中的磁场

在不考虑磁饱和的情况下,定子绕组中原频率为f和(1-2s)f的电流折算到d-q-o坐标系统中频率变为sf,它们同转子绕组中频率为sf的电流一起可视为电源电压单独作用的结果,而定子绕组中原频率为(1-s)f的电流折算频率为0,可视为永磁体磁动势单独作用的结果。在起动过程中任一转差率s下，转子的转速为(1-s)n1，定子旋转磁场与转子导条存在相对运动，在转子导条内产生频率为sf的电流。由于转子磁路不对称，转子电流产生的磁路可分解为两个旋转磁场，它们相对于转子的转速相同、转向相反，都是sn1，相对于定子的转速分别为n1和(1-2s)n1，分别在定子绕组中产生频率为f和(1-2s)f的电流，定子绕组中(1-2s)f频率的电流产生的磁场在转子产生频率为sf的电流。

1.4. PMSM起动过程中的电磁转矩

PMSM起动过程中的总平均转矩由异步起动转矩Ta、磁阻负序分量转矩Tb和发电制动转矩Tg组成。定子和转子中都有转速为(1-s)n1的旋转磁场，它们相互作用，产生恒定的发电制动转矩Tg。这时的PMSM相当于一台同步发电机，所产生的转矩作用在定子上，与转子的转向相同，但定子静止，故作用在转子上一个反作用转矩，起制动作用。在起动过程中,PMSM转子上的永磁体产生的发电制动转矩Tg始终是负转矩,使起动过程平均转矩减小,且在sgm处产生一个明显凹坑,当凹坑较深使Tmin小于负载转矩TL时,系统难以带载起动。此外,当s→0时,由永磁体产生的脉动转矩Tm将使PMSM在牵入同步前产生振荡,影响其起动性能。

1.5.起动过程

在起动过程中,永磁制动转矩起阻碍作用,与同功率感应电动机相比负载起动较困难,因此,准确计算永磁同步电动机的起动性能参数显得尤为重要。在堵转时，定子绕组产生的旋转磁场与转子绕组产生的旋转磁场转速相同、转向一致，产生恒定的转矩；此外，转子永磁体产生的静止磁场与定子绕组产生的旋转磁场相互作用，产生脉动转矩。二者叠加在一起，使得堵转时的转矩波动很大，如图3。起动过程可分为两个阶段。第一个阶段为转速线性上升的阶段。第二个阶段为牵入同步阶段。

图2  永磁同步电动机的平均转矩

2提高稀土永磁同步电机性能的相关理论

严格来讲，PMSM的交、直轴磁阻不相等，从磁路的角度看应为凸极电机。PMSM的起动转矩由异步转矩和发电制动转矩组成，要提高起动转矩，必须提高异步转矩、减小和抑制发电制动转矩。图3为PMSM保持其他结构参数不变时，起动转矩倍数Tst*和起动电流倍数Ist*随定子每槽导体数Ns的变化曲线。图4为保持其他结构参数不变时，起动转矩倍数Tst*和起动电流倍数Ist*随转子槽深hs的变化曲线。可以看出起动电流倍数和起动转矩倍数随每槽导体数的增加而迅速减小，转子槽面积的大小对起动转矩影响也很大，要提高起动转矩，必须合理设计定、转子绕组。

                               

图3  某永磁同步电动机堵转时的转矩采样曲线

                     

图2-1起动转矩倍数、起动电流倍数，图2-2起动转矩倍数、起动电流倍数与定子每槽导体数的关系与转子槽深的关系。

3现场出现的问题、

PMSM电机在现场实验过程中遇到了以下问题：6极PMSM起动过程中振动较为明显，但起动电流为同容量的异步电动机的90％左右，起动过程较为迅速；8极PMSM起动时振动明显比6极电机小，起动电流与同容量6极PMSM相差不大。10极PMSM制成后不能异步起动，通电后电动机只有嗡嗡的响声和转子的往复运动，起动电流为正常起动电流的3倍左右。

3.1.原因分析

（1）定子绕组设计

定子绕组串联匝数和并联支路数搭配不合理也容易造成PMSM起动性能的下降。

（2）转子电路设计

当PMSM的定转子槽配合不当时，就会出现附加转矩，产生的振动和噪声增加，效率下降。在设计转子槽和导条时，主要考虑起动性能、牵入同步性能和转子齿、轭部磁密，由于转子槽通常窄而浅，转子齿、轭部磁密裕度较大，在设计转子槽和端环时，并兼顾起动转矩和牵入转矩的需要。

（3）磁钢结构

无论何种磁极结构，都需要能放置足够的永磁体。在保证永磁体放置空间的前提下，尽量选择结构简单、机械性能好、隔磁效果好的磁极结构。

3.2.提高抽油机用稀土永磁起动性能的方法

根据理论分析和计算，决定选用如下的改造设计方案：定子绕组采用双层叠绕组，短节距，两路并联联接，减少并联绕线根数；磁钢尺寸不变，磁钢槽深度变浅（更接近表面式）；减小转子的表面电阻，增大转子表面的起动电流。在转子铁芯表面中心开3mm×12mm(宽×深)的槽，其中嵌放相应宽度和深度的铜排，形成一个类似的鼠笼，提高异步起动转矩。

3.3.义109-3现场试验验证

通过起动试验、空载试验、调压试验及电动机反电势测试对比：稀土永磁三相同步电机起动力矩大、过载能力强、装机功率低，负载率从20%提高到35%，变压器可以减少1-3个容量段，功率因数提高到0.9以上，最高可达到或接近于1.节约了无功功率。在油井上负荷起动时起动电流与空载起动电流相差也不大，达到同步时间等方面的数据参数，可以看出经过PMSM起动电流大大降低，牵入同步时间缩短。

表2钳形电流表（DM6266、胜利仪器）现场测试对比

表3单井电度表现场测试对比

4结 论

通过稀土永磁同步电动机进行现场数据测量和试验，造成轴承损坏率高的原因。一是由于稀土永磁同步电动机是在Y系列电机的基础上，在转子上加入稀土永磁体而成的，其大部分结构与Y系列电机相同，制造、实验、安装也基本与Y系列电机一样，因此，其轴承损坏与永磁同步电动机的特殊部分有关，电机转子磁场分布不均匀、转子不平衡增加电机振动缩短轴承寿命；二是轴承自身质量差，游隙太大，造成磁场受力不均匀，加快轴承损坏程度，严重时会发生“扫膛”、轴承卡子破碎造成电机抱轴而烧毁。三是由于稀土永磁同步电动机效率高、功率因数高、定子电流小、发热少、出力大，使轴承处于长期超负荷运转状态，导致了电机轴承的损坏。我个人认为，节能降耗是一项全面的、复杂的工作，只从某一方面进行是不能起到很好的效果的，要全面开展节能降耗，从系统方面全面分析，找出各种消耗根源，再制订相应措施加以控制。

参考文献：

[1]电工手册--------上海科学技术出版社1990.1 

[2]新编电动机绕线修理----上海科学技术出版社 2009.4

[3]中小型电机修理手册----上海科学技术出版社 1991.7

[4]稀土永磁同步电动机的起动特性 - 华中理工大学

作者简介：江朝忠，男，毕业于山东大学电气工程及自动化专业，现从事综合保障消防设施、设备，生产运行、安全管理工作。