郭代春， 楊建云， 賀勝?gòu)?qiáng)， 李躍珂

(河南豫通電機(jī)股份公司，河南新鄉(xiāng) 453731)

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)油田現(xiàn)擁有10萬(wàn)多口井，在用抽油機(jī)電機(jī)保有量達(dá)10萬(wàn)臺(tái)以上，裝機(jī)總?cè)萘坑?50萬(wàn)kW，每年耗電量達(dá)百億kwh。抽油機(jī)的運(yùn)行效率特別低，在我國(guó)平均效率為25.96%，而國(guó)外平均水平為30.05%，年節(jié)能潛力可達(dá)幾十億kwh。除了抽油機(jī)外，油田還有大量的水泵、輸油泵和潛水泵等設(shè)備，總耗電量超過(guò)油田總用電量的80%。由此可見(jiàn)，石油行業(yè)是推廣電機(jī)節(jié)能的重點(diǎn)行業(yè)。

游梁式抽油機(jī)是我國(guó)石油開(kāi)采中采用最普遍的機(jī)械裝置，其拖動(dòng)電機(jī)的負(fù)載特點(diǎn)是要求有很大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，而在運(yùn)行時(shí)，其負(fù)載轉(zhuǎn)矩并不大。為適應(yīng)這樣的負(fù)載，選配電機(jī)時(shí)，一般要求起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為實(shí)際負(fù)載轉(zhuǎn)矩的3～4倍以上。此外，抽油機(jī)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的負(fù)載周期性波動(dòng)，提升時(shí)電機(jī)加載，從電網(wǎng)吸收功率;下行時(shí)電機(jī)則為輕載，甚至可能工作于發(fā)電狀態(tài)，向電網(wǎng)送出電能。這樣，就造就了實(shí)際中存在兩個(gè)問(wèn)題:一是“大馬拉小車”，電機(jī)負(fù)載率低(平均負(fù)載功率僅約20%，個(gè)別甚至不足10%)，功率因數(shù)低(有的不足0.2);二是電網(wǎng)波動(dòng)較大，引起損耗增大，電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量差。這些問(wèn)題的存在，不僅增加了原油成本，極大地浪費(fèi)了電力資源，也嚴(yán)重影響著電網(wǎng)運(yùn)行安全。

抽油機(jī)電機(jī)的過(guò)低負(fù)載率，使得油田抽油機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行效率低下，造成電能嚴(yán)重浪費(fèi)。為解決該問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外曾提出很多技術(shù)方案，例如:高轉(zhuǎn)差電機(jī)、永磁電機(jī)、雙定子電機(jī)、變極電機(jī)，也有采用晶閘管調(diào)降壓運(yùn)行、變頻電源、無(wú)功補(bǔ)償裝置等。但這些技術(shù)方案或性能改進(jìn)不大，或成本高，或控制轉(zhuǎn)換復(fù)雜、可靠性差，并不能真正滿足我國(guó)油田的需要，實(shí)際上也很難推廣使用。因此，新鄉(xiāng)市電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)研究中心(河南豫通電機(jī)股份公司研究中心)，成功研制出了YCS抽油機(jī)專用三功率高效節(jié)能電機(jī)。

以 YCS280M-8-45 kW，380 V 50 Hz為例(Y——異步電機(jī);C——抽油機(jī)用;S——三功率;280——機(jī)座號(hào);M——鐵心長(zhǎng)度代號(hào);8——極數(shù))進(jìn)行分析。

1 基本工作原理

根據(jù)游梁式抽油機(jī)野外作業(yè)的生產(chǎn)方式分析，將油量的液面分為上層、中層、底層或更低層幾種，對(duì)同一臺(tái)電機(jī)的功率匹配分為PN、0.75PN、0.6PN或0.5PN的三檔或四檔。一般情況下，根據(jù)實(shí)際使用要求選擇高、中、低三檔。通過(guò)三相異步電機(jī)額定功率對(duì)應(yīng)的每一相總繞組的線匝數(shù)，分配出三檔繞組線匝數(shù)的抽頭比，分別形成PN為“△”、0.75PN為小“Y”大“△”，以及0.5PN為大“Y”小“△”的混合繞組接線方法(見(jiàn)圖1)，達(dá)到滿足三檔功率的要求且三檔功率情況下，電機(jī)的基本性能比較相近，以滿足抽油機(jī)系統(tǒng)使用方便、操作簡(jiǎn)易、節(jié)約能源的要求。

圖1 接線圖

2 電機(jī)的設(shè)計(jì)原理

新鄉(xiāng)市電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)研究中心(河南豫通電機(jī)股份公司研究中心)利用最新的交流電機(jī)繞組理論，采用諧波、復(fù)合繞組新技術(shù)和變功率新技術(shù)相結(jié)合的路線，采用新的“去匝”技術(shù)，提出并設(shè)計(jì)了全新的抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)用三功率電機(jī)。三功率電機(jī)，顧名思義就是一臺(tái)電機(jī)同時(shí)具有三種功率，按實(shí)際運(yùn)行需要，選擇不同的功率。該新型電機(jī)的核心技術(shù)在于定子繞組的設(shè)計(jì)。定子繞組仍設(shè)計(jì)為單繞組結(jié)構(gòu)，但一套繞組可實(shí)現(xiàn)三種功率，其中一種功率(高功率)專用于抽油機(jī)的起動(dòng)，具有較高的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，可有效解決起動(dòng)所需要的“大馬”問(wèn)題;另兩種功率(中功率、低功率)則專用于抽油機(jī)的正常運(yùn)行。

2.1 電磁設(shè)計(jì)

諧波、復(fù)合繞組(見(jiàn)圖2)能很好地抑制和削弱電機(jī)的高次諧波，提高繞組的利用系數(shù)，改善了電磁性能。縮短線圈端部的長(zhǎng)度，不僅有效解決電機(jī)裝配的問(wèn)題，還使定子端部電抗減少，發(fā)熱量減小，缺點(diǎn)是功率因數(shù)降低，下線困難。采用DW470－50低耗冷軋硅鋼片，降低了鐵耗，同時(shí)定子繞組采用Y-Δ接法。但定轉(zhuǎn)子的槽配合、定轉(zhuǎn)子槽型尺寸均與Y系列電機(jī)的一樣。

圖2 8P－45 kW接線原理圖

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

YCS280M－8電機(jī)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為了便于系列化和降低成本，力求做到與普通Y系列電機(jī)的基本參數(shù)、技術(shù)要求、試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則、標(biāo)志和包裝等一致，在保持一致的前提下，只改動(dòng)一部分零件的參數(shù)、尺寸，卻使電機(jī)性能有很大改進(jìn)。

機(jī)座、端蓋、軸承內(nèi)外蓋、定轉(zhuǎn)子沖片、接線盒、風(fēng)罩等均與Y系列電機(jī)通用，提高了生產(chǎn)組織的標(biāo)準(zhǔn)化水平和綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，轉(zhuǎn)軸采用后磨軸工藝，與抽油機(jī)油桿配套所用的皮帶輪帶有1∶10的錐度，在設(shè)計(jì)軸時(shí)應(yīng)設(shè)計(jì)為錐形軸伸。

電機(jī)具有四組出線(見(jiàn)圖3所示引線接頭接法)，十二個(gè)接線端子。為保證接線方便和安全，對(duì)原Y280接線盒結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，一是加大了空腔尺寸，保證接線螺栓與接線盒、蓋的電氣間隙和爬電距離;二是依據(jù)進(jìn)線電纜的截面積，在原盒座出線孔的基礎(chǔ)上由一個(gè)出線孔增加為四個(gè)電纜出口;三是去掉連接片，接線板改為十二柱接線板，材料為塑料4342(JB/T7770)。

圖3 引線接頭接法

為了降低電機(jī)的噪聲及振動(dòng)，考慮到電機(jī)的起動(dòng)時(shí)間短，運(yùn)行的負(fù)載小，軸伸端的軸承由Y系列的單列圓柱滾子軸承改為單列球軸承;為了減小風(fēng)扇的風(fēng)磨損耗和重量，以及空氣動(dòng)力引起的噪聲，設(shè)計(jì)時(shí)采用小直徑的塑料風(fēng)扇。

YCS280M－8電機(jī)采用普通臥式安裝方式，且安裝尺寸與普通Y系列電機(jī)一樣，防護(hù)等級(jí)IP54，絕緣等級(jí)F級(jí)，溫升按B級(jí)考核，電磁線、絕緣等的材料均按優(yōu)質(zhì)材料設(shè)計(jì)和制造。

3 試驗(yàn)結(jié)果

樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果

4 節(jié)能計(jì)算

每臺(tái)抽油機(jī)按照三功率檔電機(jī)與單速一種額定功率的電機(jī)按照每天24 h、每年200 d、負(fù)載持續(xù)率 90%工作，在效率 92.57%、功率因數(shù)0.826 9的條件下，計(jì)算年耗電量，并比較年節(jié)約電能情況。

(1)單種額定功率45 kW:45×24×200×90% ×92.57% ×0.826 9=148 805.68 kWh。

(2)三功率檔按照PN為8 h工作、0.75PN為8 h工作、0.5PN為8 h工作時(shí)間計(jì)入:45×8×200×90% ×92.57% ×0.826 9+33.75 ×8 ×200×90% ×93.09% ×0.789+22.5×8×200×90% ×92.81% ×0.695 9=106 223.64 kWh。

同一臺(tái)抽油機(jī)采用三功率檔電機(jī)比普通單功率電機(jī)每年可節(jié)約電量達(dá)425 82.04 kWh，解決了“大馬拉小車”的耗能現(xiàn)象。

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹的電機(jī)是河南豫通電機(jī)股份公司應(yīng)大慶油田需求研發(fā)的單速三功率檔節(jié)能型電機(jī)，與普通電機(jī)相比，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，運(yùn)行效率和功率因數(shù)高，接線控制方便，只需12個(gè)引線接頭，成本較低、可靠性好，空載電流顯著下降，因而具有更好的節(jié)能效果，深受用戶青睞。

［1］趙家禮，安順合.實(shí)用電工計(jì)算手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1995.

［2］湘潭電機(jī)廠.交流電機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.長(zhǎng)沙:湖南人民出版社出版，1978.

［3］陳世坤.電機(jī)設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社出版，1982.

［4］許實(shí)章.電機(jī)繞組理論和設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社出版，2002.