白 山，陳 沖，孫乙銘

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，沈陽(yáng)110870)

0 引 言

蒸汽驅(qū)是目前普遍使用的提高稠油采收率技術(shù)，它是將蒸汽注入到一口或多口井中，將地下黏度較大的稠油加熱降黏，然后在蒸汽蒸餾的作用下，把原油驅(qū)向鄰近多口生產(chǎn)井采出［1］。潛油電泵所處位置溫度可達(dá)220℃～230℃，這種高溫的工作環(huán)境，無(wú)論是對(duì)電機(jī)的絕緣強(qiáng)度，還是對(duì)電機(jī)材料的導(dǎo)電導(dǎo)磁性能均有著巨大的影響，而這種影響也直接地影響著電機(jī)的各相運(yùn)行性能。目前，針對(duì)高溫潛油電機(jī)的研究，主要集中在電機(jī)的耐高溫能力與減少電機(jī)的溫升兩個(gè)方面，如:高溫電機(jī)絕緣強(qiáng)度的優(yōu)化以提高耐高溫能力［2］，機(jī)械結(jié)構(gòu)配合與潤(rùn)滑的優(yōu)化設(shè)計(jì)以減少機(jī)械損耗［3］，分析溫升的最高點(diǎn)以有針對(duì)性的加強(qiáng)絕緣優(yōu)化［4］等。而針對(duì)高溫潛油電機(jī)性能變化的分析研究較少。當(dāng)下，在高溫潛油電機(jī)的設(shè)計(jì)制造過(guò)程中，亦是主要考慮絕緣強(qiáng)度和溫升兩個(gè)主要因素，對(duì)高溫電機(jī)的實(shí)際使用，采用的方法主要是降低功率使用的方法。而這種使用方法不能有效發(fā)揮電機(jī)的性能而達(dá)到物盡其用。因此，本文的研究在理論與實(shí)際方面均具有重要意義。

本文結(jié)合工程實(shí)際，修正了潛油電機(jī)的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了全新的116 型高溫潛油電機(jī)。依據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的基本原理與電機(jī)設(shè)計(jì)的基本知識(shí)，結(jié)合電機(jī)繞組組成材料的高溫特性與變化，建立相對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)電機(jī)定轉(zhuǎn)子繞組電阻隨溫度的變化，利用計(jì)算機(jī)軟件，計(jì)算分析不同環(huán)境溫度下電機(jī)的性能，從而得出電阻變化對(duì)電機(jī)性能的影響，進(jìn)一步通過(guò)SPWM 變頻調(diào)速系統(tǒng)，對(duì)電阻變化對(duì)電機(jī)高溫變頻性能進(jìn)行仿真分析。

1 電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)尺寸

1.1 電機(jī)殼體尺寸

電動(dòng)機(jī)外徑為116 mm 以滿足套管的使用，材料選用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。

1.2 潛油電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

表1 四臺(tái)模型電機(jī)主要參數(shù)設(shè)置

1.3 高溫潛油電機(jī)主要性能參數(shù)

高溫潛油電機(jī)主要參數(shù)如表2 所示。

表2 高溫潛油電機(jī)主要性能參數(shù)

1.4 耐高溫絕緣材料的選擇

根據(jù)材料學(xué)知道，材料壽命與溫度存在關(guān)系:lg t=a+b/T，這表明材料熱壽命t 對(duì)數(shù)與熱力學(xué)溫度T 呈倒數(shù)關(guān)系，由此可知，溫度升高可加速絕緣材料的老化。鑒于我們所設(shè)計(jì)的高溫潛油電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)境及電機(jī)本身溫度的上升，經(jīng)綜合論證，選用聚酰亞胺及其復(fù)合制品。電機(jī)一次絕緣處理選用絕緣漆為Z30 - 14 聚酰亞胺復(fù)合絕緣漆。經(jīng)過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)各材料之間相容性良好，絕緣材料總體耐熱指標(biāo)達(dá)180℃，電機(jī)可在150℃以上高溫油井中長(zhǎng)期運(yùn)行。

2 原理與假設(shè)

2.1 電阻溫度系數(shù)

電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)材料為銅鋁等金屬導(dǎo)體、絕緣材料與硅鋼等導(dǎo)磁材料。這些材料在高溫環(huán)境下，其相關(guān)的性能參數(shù)具有一定程度的變化。這些變化直接影響著電機(jī)的性能參數(shù)。

隨著溫度的升高，銅合金的電阻率會(huì)發(fā)生明顯的變化。不同參雜的銅合金電阻率隨溫度的變化不同，一般電阻材料(如康銅等)的電阻隨溫度變化特性曲線接近于一條直線［5］。而高溫電機(jī)工作的環(huán)境溫度相對(duì)于材料本身而言屬于低溫段，因此，電機(jī)定轉(zhuǎn)子導(dǎo)線的電阻率隨溫度的變化可以近似地認(rèn)為是線性變化［6］。這種特性可用一個(gè)電阻溫度系數(shù)α來(lái)表示，它等于溫度每變化1℃所產(chǎn)生的電阻值變化。即:

由大量實(shí)驗(yàn)測(cè)量表明，銅電阻的電阻溫度系數(shù)αCu=0.003 93aR/°C。根據(jù)上式經(jīng)推導(dǎo)可得:

2.2 計(jì)算前的假設(shè)條件

在異步電動(dòng)機(jī)的理論與實(shí)踐分析中，等效電路法是最為常用的一種分析方法。本文的計(jì)算與分析主要根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)T 型等效電路圖對(duì)電機(jī)高溫性能進(jìn)行計(jì)算［7］。

圖1 異步電機(jī)T 型等效電路

根據(jù)等效電路圖，得出各項(xiàng)參數(shù)的計(jì)算公式如下:

本文仿真計(jì)算以電阻隨溫度變化條件下潛油電機(jī)高溫性能的計(jì)算為主，考慮高溫條件下對(duì)電機(jī)性能影響因素較多，特作出前提假設(shè)如下:

(1)電機(jī)能夠在高溫環(huán)境下正常穩(wěn)定工作，機(jī)械及雜散損耗與常規(guī)溫度下額定工作時(shí)相同;

(2)電機(jī)在高溫環(huán)境下是一個(gè)等溫體，各部分溫度相同且為環(huán)境溫度;

(3)電機(jī)導(dǎo)磁材料不受溫度影響，各處飽和程度與各向同性常數(shù)不變，導(dǎo)磁率、矯頑力、鐵耗不隨溫度變化;

(4)電機(jī)各個(gè)部分材料不隨溫度變化發(fā)生形變，材料的受熱膨脹影響忽略不計(jì)。

(5)電機(jī)定轉(zhuǎn)子電阻為集中參數(shù)，繞組分布情況以相應(yīng)常數(shù)考慮，不隨溫度變化。

根據(jù)上述假設(shè)，依據(jù)電機(jī)學(xué)與電機(jī)設(shè)計(jì)關(guān)于異步電動(dòng)機(jī)的分析方法與性能計(jì)算公式，建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)電阻隨溫度變化條件下電機(jī)的高溫性能進(jìn)行計(jì)算［8］。本文計(jì)算以電機(jī)設(shè)計(jì)中的異步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)算例的相應(yīng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)參數(shù)為基礎(chǔ)，建立數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行計(jì)算，相應(yīng)基本參數(shù)如下:額定輸出功率56 kW，額定電壓1 357 V，相數(shù)m=3，極對(duì)數(shù)p=1。

在建立數(shù)學(xué)模型對(duì)電阻溫度變化對(duì)高溫異步電機(jī)性能進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，本文利用Simulink 軟件，根據(jù)SPWM 原理及實(shí)現(xiàn)方法，采用自然采樣法，建立異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)。通過(guò)此變頻調(diào)速系統(tǒng)，結(jié)合數(shù)學(xué)模型中相應(yīng)的電機(jī)高溫參數(shù)，對(duì)電阻溫度變化對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的高溫變頻性能的影響進(jìn)行仿真。仿真系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 SPWM 變頻調(diào)速系統(tǒng)

3 結(jié)果與分析

根據(jù)上述的原理與假設(shè)，利用MATLAB 計(jì)算機(jī)軟件，建立模型，編寫程序，計(jì)算分析得出數(shù)據(jù)結(jié)論。

由圖3 至圖5 可知，異步電動(dòng)機(jī)高溫效率隨溫度的升高有著較大的下降，由81. 5% 下降至73.8%，下降7.7%;額定轉(zhuǎn)速由2 885 r/min 下降至2 760 r/min;最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)從3.52 下降至2.7，各項(xiàng)性能參數(shù)均有較大的下降。

由于定轉(zhuǎn)子繞組金屬材料的電阻率隨溫度增加呈線性增加，定轉(zhuǎn)子電阻相應(yīng)地呈線性增加;電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，定轉(zhuǎn)子電流標(biāo)么值的變化不大，導(dǎo)致定轉(zhuǎn)子銅耗增加，總損耗增加，效率下降。因?yàn)殡姍C(jī)效率的下降，額定輸出功率會(huì)有相應(yīng)幅度的下降，在負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變的情況下，電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速會(huì)具有相應(yīng)的下降。同時(shí)，由于定轉(zhuǎn)子電阻隨溫度升高，導(dǎo)致電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)也發(fā)生相應(yīng)的下降，使電機(jī)的過(guò)載能力不足，穩(wěn)定性變差。圖6 為不同電壓等級(jí)、相同功率等參數(shù)的異步電機(jī)在高溫時(shí)的效率曲線。從圖6 可以看出，提高電壓等級(jí)后，電機(jī)高溫效率提高了3% ～5%。由此，增加高溫潛油電機(jī)設(shè)計(jì)的電壓等級(jí)，可以較大程度地降低電阻隨溫度變化對(duì)電機(jī)效率的影響，提高潛油電機(jī)高溫時(shí)的效率。

圖3 效率隨溫度變化曲

圖4 額定轉(zhuǎn)速隨溫度變化曲線

圖5 最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)隨溫度變化曲線

圖6 不同電壓等級(jí)效率曲線圖

電機(jī)的導(dǎo)磁材料性能隨溫度的升高發(fā)生一定的變化。如前所述，導(dǎo)磁材料的飽和磁化強(qiáng)度會(huì)隨溫度的升高而減小，從而導(dǎo)致電機(jī)齒部等局部飽和程度升高，各處漏抗增加，產(chǎn)生相同主磁通的勵(lì)磁電流強(qiáng)度增加，無(wú)功損耗增加，電機(jī)的功率因數(shù)會(huì)相應(yīng)地的下降。由于導(dǎo)磁材料的各向同性常數(shù)降低，電機(jī)的軛部齒部電抗增加，也同時(shí)會(huì)使電機(jī)的功率因數(shù)下降。同時(shí)，在高溫電機(jī)的溫度范圍內(nèi)，導(dǎo)磁材料的導(dǎo)磁率會(huì)隨溫度的升高而增加，使電抗降低，功率因數(shù)提高。導(dǎo)磁材料的鐵耗隨溫度的升高有著相應(yīng)的下降，在一定程度上可以改善電機(jī)的效率下降趨勢(shì)。

在實(shí)際工作中，由于電機(jī)的內(nèi)部損耗所產(chǎn)生的熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)、輻射和對(duì)流三種方式向外傳遞，使得電機(jī)并不是一個(gè)等溫體，內(nèi)部的溫度分布不均勻。由于電機(jī)定轉(zhuǎn)子繞組導(dǎo)線的銅耗是主要的發(fā)熱源，絕緣層等存在對(duì)熱量的散失具有阻隔作用，使得導(dǎo)線部分的溫度相對(duì)環(huán)境溫度較高。因此，在實(shí)際工作時(shí)，實(shí)際的溫度會(huì)更高，性能會(huì)沿著曲線有進(jìn)一步的下降。由于實(shí)際的電機(jī)繞組是分布的，這種局部溫度的升高對(duì)電機(jī)性能的影響會(huì)相對(duì)較大;同時(shí)，由于材料的熱膨脹作用，電機(jī)的接觸距離減小，相應(yīng)的機(jī)械損耗增加，使電機(jī)的效率下降。而溫度的升高使得導(dǎo)磁材料的磁滯伸縮系數(shù)增加，在磁場(chǎng)的作用下，電機(jī)的槽型等尺寸會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，對(duì)電機(jī)的槽漏抗具有一定的影響。

根據(jù)SPWM 變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真分析結(jié)果如圖7、圖8 所示。從圖7、圖8 可以看出，由于定轉(zhuǎn)子電阻隨溫度的增加，起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩均有所降低。

圖7 不同溫度下起動(dòng)時(shí)的定子相電流

圖8 不同溫度下起動(dòng)轉(zhuǎn)矩曲線

300℃下考慮提高輸入電壓的SPWM 變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真分析結(jié)果，如圖9、圖10 所示。

圖9 不同電壓下起動(dòng)時(shí)的定子相電流

圖10 不同電壓下起動(dòng)轉(zhuǎn)矩曲線

從圖9、圖10 中可以看出，通過(guò)提高電壓等級(jí)，電機(jī)起動(dòng)時(shí)的定子相電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩可以和電機(jī)在175℃環(huán)境時(shí)性能接近。由此可以得出，增加高溫潛油電機(jī)設(shè)計(jì)的電壓等級(jí)，可以較大程度提高潛油電機(jī)高溫時(shí)的性能。

同時(shí)，通過(guò)SPWM 變頻調(diào)速系統(tǒng)改變頻率可以得出，電阻隨溫度變化對(duì)高溫異步電動(dòng)機(jī)效率的影響，在低頻時(shí)較小且隨頻率的下降影響有所減弱。在設(shè)計(jì)高溫異步電動(dòng)機(jī)時(shí)，可以適當(dāng)?shù)乜紤]降低電機(jī)的設(shè)計(jì)頻率以提高異步電動(dòng)機(jī)在高溫時(shí)的性能。

通過(guò)原理分析及其仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在保證電氣參數(shù)不變的前提下，額定電壓U 提高，額定電流I 降低，繞組銅耗有所減少，電機(jī)效率有所提高。通過(guò)提高電機(jī)的輸入電壓能夠更好地發(fā)揮高溫潛油電機(jī)的性能，樣機(jī)試驗(yàn)很好地證明了這一結(jié)論。

4 總結(jié)與展望

通過(guò)上述計(jì)算與分析，可以得出以下結(jié)論:

(1)異步電動(dòng)機(jī)隨溫度的升高，定轉(zhuǎn)子的銅耗有很大的增加，由于熱膨脹作用的影響，電機(jī)的機(jī)械損耗增加，導(dǎo)致電機(jī)的總損耗增加。

(2)由于總損耗的增加，電機(jī)高溫時(shí)的效率有較大幅度的下降，且下降的曲線近似一條直線。由于效率的降低，電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速也呈現(xiàn)線性下降，且下降的幅度與效率相當(dāng)。

(3)電機(jī)在高溫時(shí)的過(guò)載轉(zhuǎn)矩倍數(shù)有大幅度的下降，電機(jī)的過(guò)載能力減弱。

(4)電機(jī)定轉(zhuǎn)子電阻隨溫度升高而增加，電機(jī)的起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩有較大幅度的下降。

(5)異步電動(dòng)機(jī)高溫時(shí)的變頻調(diào)速性能并沒(méi)有較大幅度的下降，且隨著頻率的下降，定轉(zhuǎn)子電阻隨高溫度升高對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的效率的影響有所降低，電機(jī)的效率與常溫時(shí)基本相當(dāng)。

根據(jù)以上結(jié)論，在設(shè)計(jì)高溫潛油電機(jī)時(shí)，可以考慮以下幾點(diǎn):

(a)在設(shè)計(jì)電機(jī)繞組時(shí)，考慮選用電阻率適中，但電阻溫度系數(shù)較小的銅鋁等合金材料，以減小高溫銅耗。

(b)在設(shè)計(jì)電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)時(shí)，適當(dāng)?shù)卦黾与姍C(jī)的機(jī)械配合，以減小由于熱膨脹引起的機(jī)械損耗。

(c)在設(shè)計(jì)高溫潛油電機(jī)時(shí)，可以適當(dāng)?shù)靥岣唠妷旱燃?jí)，盡可能地減小定轉(zhuǎn)子電流，減小定轉(zhuǎn)子銅耗。

(d)在設(shè)計(jì)高溫潛油電機(jī)時(shí)，可以考慮適當(dāng)?shù)亟档碗姍C(jī)的設(shè)計(jì)頻率，在一定程度上提高電機(jī)在高溫時(shí)的效率。

本文主要計(jì)算了電阻溫度變化對(duì)潛油電機(jī)高溫性能的影響，并結(jié)合導(dǎo)磁材料的高溫特性，定性地分析了其對(duì)高溫潛油電機(jī)性能的影響。根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果，對(duì)高溫潛油電機(jī)的設(shè)計(jì)提出了一些建議。由于導(dǎo)磁材料的高溫特性缺乏計(jì)算分析，在未來(lái)的研究過(guò)程中，將主要針對(duì)導(dǎo)磁材料的高溫特性對(duì)電機(jī)性能的影響進(jìn)行場(chǎng)路耦合分析，進(jìn)一步對(duì)高溫潛油電機(jī)的性能變化并做出仿真分析。

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