吉效科，許　麗，張　昊，魏會寧，樊亞寧，李　洋(.西南石油大學(xué)機電工程學(xué)院，四川成都　60500; .長慶油田公司設(shè)備管理處，陜西西安　7008; .西安長慶化工集團有限公司，陜西西安　7008; .長慶油田公司第四采油廠，陜西靖邊　78500)

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數(shù)字化抽油機用異步電動機的研制與應(yīng)用

吉效科1，2，許麗2，張昊2，魏會寧3，樊亞寧4，李洋1
(1.西南石油大學(xué)機電工程學(xué)院，四川成都610500; 2.長慶油田公司設(shè)備管理處，陜西西安710018; 3.西安長慶化工集團有限公司，陜西西安710018; 4.長慶油田公司第四采油廠，陜西靖邊718500)

摘要:針對數(shù)字化抽油機用普通三相異步電動機配置變頻控制柜存在壽命較短、調(diào)速范圍小、效率較低等問題，開發(fā)了數(shù)字化抽油機用異步電動機?，F(xiàn)場應(yīng)用表明，該電動機適應(yīng)頻率15～70 Hz的調(diào)參范圍，使用一件皮帶輪即可滿足數(shù)字化抽油機1.5～5次/min的沖次調(diào)節(jié)要求，最大轉(zhuǎn)矩、起動轉(zhuǎn)矩、效率、熱負荷等性能特性優(yōu)于普通三相異步電動機，具有很好的推廣前景。

關(guān)鍵詞:數(shù)字化抽油機;異步電動機;頻率;溫升;應(yīng)用

0　引言

長慶油田數(shù)字化抽油機采用變頻控制實現(xiàn)抽油機沖次的自動、實時調(diào)節(jié)，配置電動機為普通Y系列三相異步電動機。由于普通Y系列三相異步電動機配置變頻控制柜存在電動機溫升高、絕緣老化加速、電動機壽命短、效率較低等問題，以Y180L-8/11kW的普通三相異步電動機為例，電動機轉(zhuǎn)速419 r/min，對應(yīng)頻率30 Hz、抽油機沖次2.09次/min時，滿負荷運行，其實際溫升達89.47 K，效率降至79.9%。大規(guī)模推廣使用造成電動機燒壞頻繁，維護費用高，管理難度大，影響油井正常生產(chǎn)。

同時由于普通Y系列三相異步電動機配置變頻器時受諧波及溫升影響，調(diào)速范圍較小(一般允許30～50 Hz范圍)，抽油機出廠需要配置三件皮帶輪實現(xiàn)1.5～5次/min的沖次調(diào)節(jié)范圍，給現(xiàn)場運行管理帶來不便。此外，數(shù)字化抽油機配置變頻調(diào)速電動機，其獨立散熱風(fēng)扇增加了電耗，同時購置成本成倍增加，存在運行和維護費用高的問題。

為了使得數(shù)字化抽油機安全平穩(wěn)運行，降低綜合運行成本，滿足油田復(fù)雜工況和環(huán)境條件的需要，長慶油田組織開發(fā)了適合數(shù)字化抽油機配套的電動機，并于2013年11月在采油三廠和采油六廠的7型數(shù)字化抽油機安裝試驗，取得了較好的試驗效果。

1　技術(shù)分析

1.1基本結(jié)構(gòu)

數(shù)字化抽油機用異步電動機，由轉(zhuǎn)子部分、定子部分、殼體部分、軸承部分、冷卻部分組成。具體構(gòu)成如圖1所示。

圖1　數(shù)字化抽油機用異步電動機結(jié)構(gòu)示意圖

1.2工作原理

電機定子繞組通入三相交流電后，定子繞組隨電源頻率產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，電機轉(zhuǎn)子感應(yīng)后產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流又使導(dǎo)體受到一個電磁力的作用，導(dǎo)致導(dǎo)體沿磁鐵的旋轉(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)動起來，與定子磁場形成轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子磁場轉(zhuǎn)速產(chǎn)生轉(zhuǎn)差，一般轉(zhuǎn)差率為1.5%～8%。

1.3關(guān)鍵技術(shù)及特點

(1)定子鐵心開槽用以嵌入電磁導(dǎo)線，轉(zhuǎn)子鐵心開槽用以澆鑄鋁導(dǎo)條。定子部分壓裝在機座內(nèi)，轉(zhuǎn)子部分通過前后軸承安裝于殼體上，轉(zhuǎn)子鐵心與定子鐵心之間留有一定的間隙，接線盒安裝于機座頂部或側(cè)面，風(fēng)扇固定安裝于轉(zhuǎn)軸后端，轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時風(fēng)扇可同步轉(zhuǎn)動，風(fēng)罩通過固定螺栓安裝于機座后端。

(2)定子采用深而窄的矩形開口槽，在定子槽開口處設(shè)置冷卻風(fēng)溝，冷卻空氣經(jīng)槽楔上部通道流通，繞組采用扁平導(dǎo)體平放布置，并用多組互相絕緣的導(dǎo)體并聯(lián)。轉(zhuǎn)子槽形為梯形半開口槽。定轉(zhuǎn)子槽配合為48/44，氣隙值為0.4～0.6 mm。

(3)為適應(yīng)抽油機起動轉(zhuǎn)矩大、運行中存在沖擊載荷的工況特性，同時為達到提效降耗的目的，在電動機的設(shè)計中與普通Y系列異步電動機相比，提高了起動轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩的比值、最大轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩的比值和最大電流與額定電流的比值。

(4)在電磁設(shè)計上采取了降低電磁負荷、增加有效材料的方式，將電機的熱負荷降低了約30%，保證了電動機在低速狀態(tài)下(15 Hz)的溫升符合標(biāo)準要求。

(5)數(shù)字化抽油機用異步電動機的冷卻方式采用IC411自扇風(fēng)冷結(jié)構(gòu)，可在低速、變頻控制狀態(tài)下平穩(wěn)運行。

1.4主要技術(shù)性能指標(biāo)

(1)技術(shù)性能指標(biāo)如表1所示。

表1　數(shù)字化抽油機用異步電動機、變頻電動機、普通Y系列異步電動機技術(shù)指標(biāo)對比

從表1技術(shù)指標(biāo)對比可知，在不同頻率工況下，數(shù)字化抽油機用異步電動機與變頻電動機相比:最大轉(zhuǎn)矩平均提高15.4%，起動轉(zhuǎn)矩平均提高15.1%，效率提高1.9個百分點，熱負荷下降26.5%。與普通Y系列異步電動機相比:最大轉(zhuǎn)矩平均提高12.6%，起動轉(zhuǎn)矩平均提高15.4%，效率提高2.9個百分點，熱負荷下降37.8%。

(2)溫升變化特性如表2所示。

從表2可以看出，數(shù)字化抽油機用異步電動機溫升隨著頻率的降低而增加，15 Hz時達71.95 K，低于國標(biāo)要求的溫升80 K;效率隨著頻率的降低而降低，在15 Hz時為74.5%;頻率范圍15～70 Hz對應(yīng)抽油機的沖次范圍1.47～6.87次/min，滿足數(shù)字化抽油機沖次范圍1.5～5次/min的需要。

表2　YVZL180L-8型電動機在頻率15～70 Hz范圍的溫升特性

從表3可以看出，同功率的數(shù)字化抽油機用異步電動機與普通Y系列三相異步電動機在50 Hz變頻狀態(tài)下相比，電動機溫升降低10.1 K，效率提高0.82個百分點。

表3　頻率50 Hz時數(shù)字化抽油機用異步電動機與普通三相異步電動機的溫升對比

2　現(xiàn)場應(yīng)用與效果評價

首批6臺YVZL180L-8/11 kW數(shù)字化抽油機用異步電動機于2013年11月底在采油三廠、采油八廠等產(chǎn)建新投的7型數(shù)字化抽油機安裝試驗，2014年長慶油田在產(chǎn)建新投8型數(shù)字化抽油機上擴大試驗200余臺，均取得了較好的試驗效果。

(1)節(jié)能效果明顯。2014年12月在生產(chǎn)現(xiàn)場同一臺數(shù)字化抽油機同一口油井的工況下，對靖104-252井的YVZL-180L-8型數(shù)字化抽油機用異步電動機和Y180L-8型普通三相異步電動機進行了能耗、效率等運行參數(shù)測試對比，測試結(jié)果如表4所示。

從表4可以看出，數(shù)字化抽油機用異步電動機在不同頻率狀態(tài)下運行的效率優(yōu)于普通Y系列三相異步電動機，系統(tǒng)效率平均提升0.6個百分點，有功節(jié)電率平均提升5.2個百分點，無功節(jié)電率平均提升6.6個百分點，綜合節(jié)電率平均提升5.3個百分點。

表4　數(shù)字化抽油機用異步電動機與普通三相Y系列異步電動機對比監(jiān)測計算結(jié)果表

(2)運行壽命延長。電動機壽命取決于電動機運行時的溫升，以YVZL180L-8/11kW電動機為例，30 Hz時普通Y系列三相異步電動機的溫升為89.47 K，已超過標(biāo)準要求80 K的最高溫升，絕緣材料老化加劇，燒壞問題時有發(fā)生。YVZL180L-8型數(shù)字化抽油機用異步電動機溫升為59.42 K，較普通三相異步電動機降低約30 K。

(3)經(jīng)濟效益顯著。以YVZL180L-8型與普通Y180L-8型電動機為例，設(shè)定均在頻率30 Hz工況下，S1工作制運行，從表1、表2可以看出，Y180L-8型電動機除溫升超標(biāo)外，輸入功率P輸入較YVZL180L-8電動機多150 W，電費按0.62元/ kW·h計算，YVZL180L-8電動機年節(jié)約電費約803元，使用YVZL180L-8電動機半年就可收回其較Y180L-8型電動機增加的成本費用。

3　結(jié)語

(1)該系列電動機在額定電壓和50 Hz頻率下達到了JB/T 10391—2008《Y系列(IP44)三相異步電動機技術(shù)條件》的要求，其最大轉(zhuǎn)矩、起動轉(zhuǎn)矩、效率、熱負荷等性能特性優(yōu)于Y系列普通電動機。

(2)數(shù)字化抽油機用異步電動機溫升在15 Hz時達71.95 K，低于《旋轉(zhuǎn)電機定額和性能》(GB 755—2008)要求的溫升余量80 K。頻率范圍15～70 Hz對應(yīng)抽油機的沖次范圍1.47～6.87次/min，很好地滿足了數(shù)字化抽油機沖次范圍1.5～5次/min的需要。

(3)該系列電動機在50 Hz以下工作時，輸入功率均小于額定點的輸入功率，且保持了恒轉(zhuǎn)矩輸出特性，低速運行節(jié)能效果更加明顯。

【參考文獻】

［1］傅豐禮，唐孝鎬主編.異步電動機設(shè)計手冊.機械工業(yè)出版社，2006.

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Development and Application of Asynchronous Motor Used in Digital Pumping Unit

JI Xiao-ke1，2，Xu Li2，ZHANG Hao2，WEI Hui-ning3，F(xiàn)AN Ya-ning4，LI Yang1
(1.College of Mechanical and Electronic Engineering，Southwest Petroleum university，Chengdu 610500，China; 2.Equipmengt Management Departmengt，Changqing Oilfield Company，Xi'an 710018，China; 3.Xi'an changqing chemical group Co.，LTD，Xi'an 710018，China; 4.No.3 Oil Production Plant，Changqing Oilfield Company，Yinchuan 750005，China)

Abstract:In light of the problems with frequency conversion control cabinet of the normal three-phase asynchronous motor used in digital beam pumping unit，such as shorter service life，low speed range，low efficiency，a type of asynchronous motor used in digital beam pumping unit was developed.field application shows that the motor adapts to the frequency range of 15～70 Hz，a pulley can meet the digital pumping unit's speed adjustment of 1.5～5 Times per minute，maximum torque，starting torque，efficiency，heat load and other performance characteristics are superior to ordinary three-phase asynchronous motor，the motor has good promotion prospects.

Key words:Digital Pumping Unit Asynchronous Motor Frequency Temperature rise Application

收稿日期:2015-11-17

作者簡介:吉效科(1976—)，男，博士研究生，高級工程師，研究方向為油田設(shè)備的管理與技術(shù)工作。

中圖分類號:TM 343

文獻標(biāo)志碼:A

文章編號:1673-6540(2016) 03-0033-004