抽油機用高啟動轉(zhuǎn)矩感應(yīng)電機設(shè)計與研究

謝穎　蔡翔　單雪婷　郭金鵬

摘 要：基于星三角混合連接繞組的特點和設(shè)計方法，以解決油田中使用大功率電機拖動低負載問題為目的對一臺傳統(tǒng)的三相感應(yīng)電機的繞組與鐵心進行了適當?shù)脑O(shè)計改進。利用有限元方法對改造前后的電機磁場和啟動性能進行了分析，結(jié)果顯示改進后電機具有更好的啟動性能且諧波含量更低，驗證了改進方法的正確性。結(jié)合實驗計算了改進后電機的負載特性，其結(jié)果表明該電機在拖動較低負載運行時仍具有較高效率，符合高啟動轉(zhuǎn)矩節(jié)能電機的設(shè)計要求。結(jié)合抽油機實際運行工況，利用有限元仿真在抽油機工況下改進后電機的負載性能。將改進后電機與大機座、高功率電機在制造成本上進行比較，以此驗證該優(yōu)化設(shè)計方案在節(jié)約成本上的突出優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：感應(yīng)電機;星三角混合連接繞組;啟動轉(zhuǎn)矩;負載特性

DOI：10.15938/j.jhust.2019.03.011

中圖分類號： TM343.3

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2019）03-0066-08

Abstract：This paper is based on the characteristics and design methods of the star delta mixed winding in order to solve the problem of low load loading by using high power motor in oil field， and some design and improvement of the winding and core in a traditional threephase induction motor are carried out. The finite element method is used to analyze the magnetic field and the starting performance of the motor before and after the improvement. The results show that the improved motor has better starting performance and lower harmonic. It verifies the correctness of the improved method. The load characteristics of the modified motor are calculated by the experiment. The result shows the motor still has high efficiency when driving the low load and meets the design requirements of the high starting torque energy saving motor. In order to verify the optimization of the design cost savings in the outstanding advantages， the improved motor and the large base， highpower motor in the manufacturing cost comparison.

Keywords：Induction motor; star triangle mixed connection winding; starting torque; load performance

0 引 言

三相感應(yīng)電機具有運行性能優(yōu)異、結(jié)實耐用、可靠性高、調(diào)速范圍廣、控制裝置簡單、制造成本低等優(yōu)點而被廣泛運用在各個工業(yè)生產(chǎn)場合中。雖然感應(yīng)電機具備諸多優(yōu)點，但是在一些特定場合中，仍然存在著一些不足。為了提升感應(yīng)電機的運行性能，國內(nèi)外學者對感應(yīng)電機的改進與優(yōu)化進行大量的研究[1-4]，文[5-6]運用低諧波繞組對感應(yīng)電機進行改進，以達到提高電機運行性能的目的，文[7-8]通過改進鼠籠型感應(yīng)電機的轉(zhuǎn)子槽型來提高電機的啟動轉(zhuǎn)矩。還有更換電機所使用的硅鋼片、采用銅轉(zhuǎn)子以及使用磁性槽楔來提升感應(yīng)電機運行效率[9-11]。此外改變繞組連接方式也是提高電動機運行性能方法之一，星三角混合連接繞組具有諧波磁勢含量低、低損耗等特點，能夠有效提升電機性能，文[12-13]介紹了星三角混合連接繞組特點與優(yōu)勢及其對電機效率的影響。油田的工作環(huán)境決定了特殊的負載條件，在抽油機用感應(yīng)電機的場合，常使用大功率電機以滿足高啟動轉(zhuǎn)矩的要求，而在正常運行時不可避免的出現(xiàn)大功率電機帶動較低負載的情況，即常說的“大馬拉小車”，以至

電機運行時效率過低，造成不必要的能源浪費[14-17]。為了解決上述問題，本文利用與傳統(tǒng)60°相帶繞組不同的星三角混合連接繞組對感應(yīng)電機進行設(shè)計改造，使其在啟動時具備較高的啟動轉(zhuǎn)矩，而負載運行時仍能以較高效率拖動低負載。利用有限元對改進前后電機磁場進行對比計算來驗證星三角混合連接繞組的特點，通過對比來驗證改進后電機具備更好的啟動性能，結(jié)合實驗驗證電機在低負載運行時仍具有較高效率。最后將改進后的電機與滿足油田工況的大機座、高功率的電機進行節(jié)材對比。

1 星三角混合連接繞組

星三角混合連接繞組就是將普通的60°相帶的三相繞組分成兩套三相繞組，這兩套三相繞組在空間相位上相差30°電角度，電流在時間相位上也相差30°，其中一套采用星形接法，另一套采用角形接法。星三角混合連接繞組存在兩種連接方式：一種為星三角串聯(lián)繞組，如圖1（a）所示;另一種為星三角并聯(lián)繞組，如圖1（b）所示，由于星三角并聯(lián)接法容易產(chǎn)生繞組內(nèi)部環(huán)流問題，本文采用的是星三角串聯(lián)接法。

從圖1中可以看出星三角串聯(lián)繞組的連接方式使得星形部分繞組中的相電流在時間上滯后于三角形部分相應(yīng)的繞組中相電流30°電角度，并且使得星接相電流有效值為角接的3倍。因此，在繞組設(shè)計時，需要保證角接繞組部分中的線圈匝數(shù)為星形的3倍，同時星接部分的導(dǎo)線截面積為角接部分的1/3倍，這樣可以保證星、三角兩個部分繞組的電流密度相同，并且每槽中磁、熱負荷大小一致。由于三相繞組磁勢中，諧波的次數(shù)為：

γ=6k±1（1）

其中k=0，1，2，…，由于星接繞組和角接繞組存在著空間上30°電角度的相位差，兩部分的相電流在時間上同樣存在著30°電角度的相位差，當三相合成磁場建立，對于k=0，2，4，6，…時，γ=1，11，13，…等次數(shù)的諧波，在星三角兩個繞組部分中是同相位的，會導(dǎo)致這些次諧波相互疊加，加強了基波磁場。而對于k=1，3，5，7…時，相對應(yīng)的次數(shù)的諧波在星三角兩個繞組中存在著180°的相位差，因此這些次諧波會得到相互抵消和削弱，即5，7，17，19…次諧波可以得到極大的削弱，從而改善了氣隙磁場的波形，并使由諧波所引起的附加損耗下降。

2 高啟動轉(zhuǎn)矩感應(yīng)電機的設(shè)計

2.1 繞組設(shè)計方案

與常規(guī)繞組不同，由于星三角混合連接繞組分為星接部分與角接部分兩套繞組，星接和角接兩套繞組時間和空間上均相差30°電角度，兩部分產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場共同作用合成電機磁場，因此應(yīng)當考慮兩部分繞組對整個計算的影響。為了簡化運算，將兩部分繞組的各個系數(shù)進行等效，星三角混合連接繞組的等效分布因數(shù)以及每相等效串聯(lián)匝數(shù)為[18]：

當αy=αΔ=3，NΔ=3Ny時，由之前結(jié)果可得，星接部分和角接部分的總安匝數(shù)相等，5、7次諧波得到極大的削弱甚至是消除，其他6k+1（k=奇數(shù)時）次諧波也得到了極大地削弱， 特別當q為偶數(shù)時根據(jù)式（2），6k+1等次諧波能夠得到有效的消除[19]。

因此在繞組設(shè)計中，NΔ，Ny，αy，αΔ，q等參數(shù)的選擇對諧波含量以及諧波的大小有著重要的影響，綜上選擇αy=αΔ=3，NΔ=3Ny這樣的配比最為理想。但在實際生產(chǎn)中，在有些情況下由于多種原因很難保證槽內(nèi)安匝數(shù)，則可以根據(jù)所要求削弱的諧波次數(shù)綜合考慮其他因素來選擇合適的匝數(shù)和并聯(lián)支路數(shù)。因此本文采取αy=αΔ=3，NΔ=3N的配比，以一臺Y200l26的三相感應(yīng)電機為例，對繞組進行改進。

2.2 樣機參數(shù)及實驗平臺

改進前后樣機基本數(shù)據(jù)尺寸如表1所示，將定子繞組由之前的雙層疊繞組改為星三角混合連接繞組，繞組具體連接示意圖如圖2所示，其中星接部分匝數(shù)為9，角接部分匝數(shù)為16。并且由于改接后線負荷有所增加，適當更改繞組線徑大小以此增大繞組對電流的承受能力，將原來的1～1.12和1～1.18改為2～1.5和2～1.12。將鐵心長度也進行適當增加，由之前的185mm增加為245mm。除此之外其他部分均不變，完全利用Y系列電機成套的生產(chǎn)模具和材料。

本文針對改進后電機運行性能進行了實驗，圖3為實驗測試平臺和實驗儀器。圖4為測試軟件以及渦流測功機控制器。通過MAGTROL渦流測功機作為負載與被測樣機直接相連，利用MTESE測試平臺軟件及其DSP6001控制器控制測功機轉(zhuǎn)矩，根據(jù)負載變化結(jié)合功率分析儀測量電機電流，效率，功率因數(shù)等數(shù)據(jù)。

3 改進前后電機對比分析

3.1 繞組系數(shù)對比

星三角混合連接繞組的實質(zhì)是有若干個同心線圈的型式連接而成，可以合理選擇匝數(shù)和并聯(lián)支路數(shù)來消除特定次數(shù)諧波使得磁動勢為更加理想的正弦波。由于未改造之前的Y200l26電機的繞組接法為雙層疊繞組，可由式（14）得到雙層疊繞組的基波和各次諧波繞組系數(shù)[20]：

3.2 改進前后電機磁場計算

本文建立了電機的模型如圖5，分別對改進前后電機在額定負載工況下進行仿真計算，得到的磁場計算結(jié)果如圖6所示。圖7、8為三種情況下氣隙磁密波形以及其諧波分析對比。

根據(jù)圖7、8可以看出，星三角混合連接繞組除基波增大外，還使得17、19等次諧波得到了有效的削弱，波形得到了改善，氣隙磁密波更加貼近正弦波。改進后電機由于鐵心加長，基波增加，雖然某些次諧波也有所增加，但是極大的提升了氣隙磁密，符合電機高啟動轉(zhuǎn)矩的要求。

3.3 電機啟動性能計算

電機的啟動性能主要包括啟動電流倍數(shù)和啟動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)，由之前磁場計算結(jié)果可以看出經(jīng)過星三角混合連接繞組改進的電機氣隙磁密有所提升，磁密波形得到了改善，電機啟動轉(zhuǎn)矩勢必會得到提高。在額定負載的情況下，分別對Y200l26電機在改進前后兩種情況下的啟動過程進行仿真，結(jié)果如表3和圖9、10所示：

通過對比轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速仿真圖及表3，可以看出，改進后的電機啟動時間短、啟動轉(zhuǎn)矩大，符合高啟動轉(zhuǎn)矩節(jié)能電機設(shè)計的要求。盡管啟動電流有所增大，但通過繞組的線徑的適當改造可確保在啟動電流增大的前提下，電機也可以安全穩(wěn)定的運行。

3.4 電機負載性能計算

在額定負載的工況下，改進后電機的額定點性能如表4所示，改進后電機較改進前并無太明顯的提升，但是在油田這種特殊的工作環(huán)境下，電機所帶動的負載多為周期性變化負載，除了在電機啟動時需要帶動較大的負載外，電機運行時所需要的轉(zhuǎn)矩遠遠小于電機啟動時的轉(zhuǎn)矩，功率僅為額定功率的30%～40%，相當于輕載，與大功率電機帶動低負載的運行不同，改進后電機功率較小，啟動結(jié)束后仍能以較高的效率帶動同樣大小負載。

機械特性能夠反映電機負載能力，根據(jù)計算改進電機的機械特性如圖11所示，其中最大轉(zhuǎn)矩點位于860rpm處，額定運行點位于980rpm處。根據(jù)對比結(jié)果可以看出，改進后電機無論是最大轉(zhuǎn)矩還是啟動轉(zhuǎn)矩均高于改進前電機，符合高啟動轉(zhuǎn)矩電機的設(shè)計目的。電機在不同功率下的效率和功率因數(shù)如圖12、13所示。根據(jù)實驗和計算的對比結(jié)果可以得出星三角混合連接繞在15～30kW之間都能保持較高的效率運行。

3.5 抽油機工況下改進電機負載性能

在抽油機系統(tǒng)中，主要包括的傳動環(huán)節(jié)包括減速箱，曲柄及四連桿機構(gòu)、平衡塊及抽油桿等部分如圖3所示。由于存在上下沖程以及考慮到油井深淺和油液面高低，抽油機的負載始終處于動態(tài)變化當中。上沖程中電動機可能處于重載狀態(tài)，而在下沖程中，電動機可能處于輕載或者發(fā)電狀態(tài)。因此在實際計算電動機負載時應(yīng)當考慮到各個傳動部件對系統(tǒng)影響，具體的計算方式使將先不考慮平衡塊所產(chǎn)生的力矩，將上下沖程的力矩等效到懸點，之后在考慮平衡塊的作用，平衡塊在上沖程過程中向下運動，產(chǎn)生的力矩能抵消一部分阻力矩;而在平衡塊在下沖程的過程中向上運動，產(chǎn)生的為阻力矩。最后綜合懸點等效力矩和平衡塊等效力矩，可以得出，整個系統(tǒng)在一個沖次的力矩變化。在僅考慮一個沖次的時間范圍內(nèi)，假設(shè)上下沖程各0.5s，并且油井中油動液面為400m，泵深800m的條件下，上沖程懸點等效為2800Nm，下沖程懸點等效力矩為-2750Nm，平衡塊等效力矩為500Nm，減速器傳動比為100?？紤]起動過程，對負載條件進行了仿真，結(jié)果如圖14、15、16所示。

仿真結(jié)果較符合抽油機工作實際負載情況，該過程由于包含啟動過程，上下沖程時間較長，在電機啟動后，實際一個沖次的時間要小于包含起動過程的時間。在僅考慮上沖程的條件下，對改進前后的Y200L26電動機進行仿真計算，得出的上沖程轉(zhuǎn)矩對比如圖17，轉(zhuǎn)速對比如圖18所示。在一定的負載條件下改進后的電機具有較高的啟動轉(zhuǎn)矩并且啟動時間較短，而改進前電機則需要長時間的啟動過程才能進入穩(wěn)定運行狀態(tài)。

3.6 改進電機節(jié)材計算

改進后電機啟動轉(zhuǎn)矩較大，能夠較好的滿足油田等特殊工況要求。由于改進后電機啟動性能完全優(yōu)于同機座號電機，因此將改進后電機與更大機座號電機的啟動性能進行比較，由于油田電機多采用六極或者八極，所以將改進后電機與Y225m6、Y250m6以及Y280s6各型號電機的啟動性能進行計算比較，結(jié)果如表5所示。

由表5可以改進后Y200l26電機啟動轉(zhuǎn)矩優(yōu)于30kW的Y225m6電機，與45kW的Y280s6電機啟動轉(zhuǎn)矩相當，而在啟動電流方面，雖然改進后的Y200l26的啟動電流相比原電機有所增大，但遠小于Y280s6。綜上，可以看出改進后電機的啟動性能優(yōu)異。在實際生產(chǎn)中，除了感應(yīng)電機性能外，電機價格也是影響電機使用的重要因素，電機價格受到電機成本影響。電機生產(chǎn)的成本估算根據(jù)硅鋼片的重量，繞組銅線用量，鋁用量，絕緣用量，軸重量，鑄件量及其風扇和風扇罩等其他部分的用量以及總共工時決定。工時一定的條件下，根據(jù)機械工業(yè)部中準價格表，各個電機的成本價格如表6所示。根據(jù)表中內(nèi)容可以看出改進后電機成本價格遠遠低于45kW電機，此外改進電機僅需要變更繞組和適當增加鐵心長度，無需重新開模，便于實際生產(chǎn)。

4 結(jié) 論

根據(jù)上述的結(jié)果本文得出如下的結(jié)論：

1）星三角混合連接繞組連接方式與傳統(tǒng)60°相帶繞組相比，具有增強基波、削弱諧波的作用。經(jīng)計算星三角串聯(lián)繞組的基波繞組系數(shù)更大，5、7次諧波繞組系數(shù)較小。

2）改進后Y200l26電機極大地提升了氣隙磁密中，雖然有些次諧波有所增加，但是基波得到了增強，削弱了17、19等特定的諧波，改善了氣隙磁密的波形，符合高啟動轉(zhuǎn)矩電機設(shè)計要求。

3）根據(jù)計算結(jié)果表明改進后電機啟動能力得到了較大的提升，改進后22kW電機的啟動性能與同系列45kW電機和更大機座號電機相當，啟動性能優(yōu)異。負載運行時改進前后電機性能變化不大，但結(jié)合油田實際運行時負載條件，改進后電機在輕載運行時仍能夠滿足高效率運行。

4）根據(jù)本文設(shè)計方法改進后電機在油田等特殊工況下可以取代更大機座號電機，相比大機座高功率電機大大降低了功率的消耗，改造方法簡單，并且在電機生產(chǎn)中節(jié)約材料，極大降低了電機成本，在實際生產(chǎn)有十分重要的意義。

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（編輯：關(guān) 毅）