高轉差率電動機負載特性試驗研究

李春紅，馮子明，李子良，高 宇

高轉差率電動機負載特性試驗研究

李春紅1，馮子明2，李子良3，高 宇1

（1．大慶油田有限責任公司采油工程研究院，黑龍江大慶163453；2．東北石油大學機械科學與工程學院，黑龍江大慶163318；3．北京石油機械廠，北京100083）

高轉差率電動機由于具有適合交變載荷的軟特性，已經獲得廣泛應用，但高轉差率電動機的綜合性能一直沒有全面試驗研究。在試驗模擬井上進行了Y280S型電動機和Y C H D280L型電動機的對比試驗研究，并測取多個瞬態節點特性參數的試驗數據。結果表明：高轉差率電動機并不節能，中高沖次時才有較好的降載效果，其啟動性能要優于低轉差率電動機。

高轉差率；電動機；性能；試驗

高轉差異步電動機在電力拖動的領域中占有特殊的地位。由于它的“軟特性”，經常被用于不穩定狀態的電力拖動中，即用在常啟動、反向或制動、負載劇烈交變的拖動中（例如：鍛擊機、沖擊機、鍛冶機、剪切機等設備上）。早在1964年，由美國工程師哈特首先把高轉差率電動機應用于游梁式抽油機，當時經過美國多年的研究和應用，認為高轉差率電動機比較適用于具有循環交變載荷的游梁式抽油機上，也認為具有一定的節能效果。1989年，孫世明與沈陽電機廠合作，對比研究了JQ O2型和Y C H 型2種高轉差率電動機，得出一些定性的結論：中輕載荷下具有節能效果，高沖次比低沖次的節能效果好［1］。2002年，薛承謹利用高轉差率電動機與抽油機負載特性耦合函數進行求解，對勝利油田的2口井進行了計算，預測的懸點最大載荷誤差小于6%［2］。2007年，中原油田的張建華等人［3］試驗研究后認為：高轉差率電動機效率較低，用于游梁式抽油機上的各種情況都是有利的，超高轉差率電動機在周期載荷系數大于1．8的油井情況下有利。轉差率高的電機啟動、過載能力都較好，從節約能耗、改善光桿載荷特性等方面看，則要依據具體的油井工況而定。

油田工作者在高轉差率電動機的應用上做了很多工作，一般認為高轉差率電動機具有適宜于游梁式抽油機的優良匹配性。但是實際應用中測試的節電率并不理想，轉矩又不易測取，懸點最大載荷降低率的測試結果也不理想［4-6］。因此，本文基于大慶采油工程研究院的1 000 m深模擬試驗井進行低轉差率電動機（Y280S-8型，簡稱Y電機）與高轉差率電動機（Y C H D280L-1218型，簡稱Y C H D電機）的同工況多節點試驗研究，分析高轉差率電動機的綜合工作性能，為更好地應用高轉差率電動機提供依據。

1　試驗方法

以大慶采油工程研究院的模擬試驗井為平臺，試驗方案如圖1，基本參數如表1所示。選取電動機輸入端、輸出軸及大皮帶輪輸出軸、減速箱輸出軸和光桿為5個瞬態測試節點，分別測取輸入電參數、電機軸轉矩和轉速、皮帶輪輸出軸轉矩和轉速、減速箱輸出軸轉矩和轉速、光桿位移和載荷等。測試儀器包括3169型電動機電參綜合測試儀、同步速度測試儀、轉矩測試設備、動力示功儀等，并配以數據后處理輔助軟件。

圖1　抽油機模擬試驗井測試方案

表1　抽油井試驗基本參數

2　試驗結果分析

圖2a、2b、2c分別為9、6、4 min－1沖次的懸點示功圖對比。抽油機系統在相同工況下拖動裝置更換為Y C H D電機后，其懸點最大載荷隨著沖次的增加而降低，說明轉差率對降低懸點載荷是有益的。如表2所示，9、6、4 min－1情況下最大載荷降低率分別為7．08%、6．34%、2．73%。

表2　懸點最大載荷對比

由表2可知：Y C H D電機的懸點最大載荷降低率隨沖次增加而增加；沖次與載荷降低率是非線性的變化關系，說明低沖次工況下Y C H D電機的“降載”能力變弱，即Y C H D電機在較高沖次的抽汲工況下使用降載效果更好。

圖2　懸點示功圖

抽油機系統在相同工況下將拖動裝置Y電機更換為Y C H D電機后，轉矩峰值降低率隨沖次的增加而提高，4、6、9 min－1沖次下轉矩峰值降低率分別為－5．1%、3．44%、8．48%。如表3。

減速箱轉矩曲線對比如圖3所示。Y C H D電機的轉矩降低率的變化規律類似其懸點載荷的規律，轉矩峰值降低率隨沖次增加而增加；沖次與轉矩峰值降低率是非線性正相關。在4 min－1沖次工況下，轉矩峰值反而增加，說明Y C H D電機不適合低沖次工況。即使考慮到有各種試驗誤差，對比懸點載荷降低率，低沖次下Y C H D電機降低峰值轉矩的能力也不會很大。因此，對于降低減速箱轉矩來說，高轉差率電機更適合在高沖次的抽汲工況下使用。

圖3　減速箱轉矩曲線對比

表3　減速箱最大輸出轉矩對比

電機輸入功率曲線對比如圖4所示，可以看出：較高的轉差率可以使功率曲線平緩，相當于“低通濾波”，即把高頻部分過濾掉；上下沖程的功率曲線包絡面積有增加的跡象，即電機要做較多的功來驅動抽油機系統。因此，從功率曲線看，Y C H D電機并不節能，而且沖次越低，Y C H D電機消耗能量越低。

圖4　電機輸入功率曲線對比

表4　平均有功功率對比

抽油機井在相同工況下將拖動裝置Y電機更換為Y C H D電機后，在4、6、9 min－1沖次下都不節電，節電率分別為－15．82%、－18．67%、－13．52%。如表4。

表5　平均無功功率

Y C H D電機的平均無功功率相對Y電機降低較多，在54%～73%之間。但是無功消耗的電能很小，只有無功功率的4%～8%，無法彌補有功消耗的“逆差量”。如表5。

如圖5所示，Y C H D電機的啟動電流在不同沖次下相對Y電機都低，而且Y C H D電機的啟動裕度（啟動裕度為堵轉電流值比上啟動電流值）相對大許多，Y電機的啟動裕度是1．27，Y C H D電機為2．08。

圖5　堵轉電流

如圖6所示，Y C H D電機的啟動功率在不同沖次下都相對增加，這是因為高滑差電機依靠增加電阻來增加滑差率，這必然會引起啟動功率增大。但是Y C H D啟動功率的“功率啟動裕度”是2．72，依然大于Y系列電機的2．43。說明Y C H D電機比Y電機具有良好的啟動能力。

圖6　堵轉功率

3　結論

1） Y C H D電機在9、6、4 min－1沖次下最大載荷降低率分別為7．08%、6．34%、2．73%。說明低沖次工況下Y C H D電機的“降載”能力變弱，即Y C H D電機在較高沖次的抽汲工況下使用，降載效果更好。

2） Y C H D電機的轉矩峰值降低率隨沖次的增加而提高，4、6、9 min－1沖次下轉矩峰值降低率分別為－5．1%、3．44%、8．48%。

3） 從功率曲線看，Y C H D電機并不節能。

4） Y C H D電機相對Y電機具有良好的啟動能力。

［1］ 孫世明，蔡利，張志超．高轉差率電機驅動抽油機系統的耗能分析［J］．大慶石油學院學報，1989（3）：34-41．

［2］ 薛承謹，鮑雨鋒．超高轉差率電動機驅動游梁抽油機動力學研究［J］．石油機械，2002（1）：4-7．

［3］ 張建華，張偉．游梁式抽油機用異步電動機類型選配［J］．內蒙古石油化工，2007（6）：62-64．

［4］ 劉承榆．超高轉差率電動機驅動抽油機的節能機理［J］．節能技術，1991（2）：2-6．

［5］ 郎立術．游梁式抽油機電動機存在問題及節電方法淺析［J］．石油石化節能，2012（11）：19-21．

［6］ 于會良．提高游梁式抽油機節能效果有效途徑［J］．內江科技，2003（5）：36-37．

Experimental Study of Load Characteristic about High Slip Ratio M otor

LI Chunhong1，FENG Ziming2，LI Ziliang3，GAO Yu1
（1.Petroleu m Engineering Research Institute，D aqing Oilfield Com pany Ltd.，D aqing163453，China；2.School of M echanical Science and Engineering，N ortheast Petroleu m Uniuersity，D aqing163318，China；3.Beijing Petroleu mm achinery Factory，Beijing100083，China）

At present，the high slip ratio m otor has achieved find wide use because it has soft-characteristic performance fitting alternating load．But the co m bination property of high slip ratio m otor had been not studied in detail and experiment at all．T he contrast test about Y280S m otor and Y C H D280L m otor were conducted on experimental sim ulation oil well，the transient m ulti-node characteristic parameters were achieved，and the experimental results indicated that the high slip ratio m otor isn’t saved-energy and only has load shedding effect at middle or high frequency of stroke，but its starting performance was superior to the low slip ratio m otor．

high slip ratio；electric m otor；performance；testing

T E933．107

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．01．011

1001-3482（2015）01-0044-04

2014-07-09

黑龍江省教育廳科技研究項目（12541099）

李春紅（1979-），女，黑龍江慶安人，工程師，碩士，主要從事機械采油節能技術研究。