抽油機(jī)用高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩感應(yīng)電機(jī)設(shè)計(jì)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(diǎn)和設(shè)計(jì)方法，以解決油田中使用大功率電機(jī)拖動(dòng)低負(fù)載問(wèn)題為目的對(duì)一臺(tái)傳統(tǒng)的三相感應(yīng)電機(jī)的繞組與鐵心進(jìn)行了適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)改進(jìn)。利用有限元方法對(duì)改造前后的電機(jī)磁場(chǎng)和啟動(dòng)性能進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示改進(jìn)后電機(jī)具有更好的啟動(dòng)性能且諧波含量更低，驗(yàn)證了改進(jìn)方法的正確性。結(jié)合實(shí)驗(yàn)計(jì)算了改進(jìn)后電機(jī)的負(fù)載特性，其結(jié)果表明該電機(jī)在拖動(dòng)較低負(fù)載運(yùn)行時(shí)仍具有較高效率，符合高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩節(jié)能電機(jī)的設(shè)計(jì)要求。結(jié)合抽油機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況，利用有限元仿真在抽油機(jī)工況下改進(jìn)后電機(jī)的負(fù)載性能。將改進(jìn)后電機(jī)與大機(jī)座、高功率電機(jī)在制造成本上進(jìn)行比較，以此驗(yàn)證該優(yōu)化設(shè)計(jì)方案在節(jié)約成本上的突出優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：感應(yīng)電機(jī);星三角混合連接繞組;啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩;負(fù)載特性

DOI：10.15938/j.jhust.2019.03.011

中圖分類號(hào)： TM343.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 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(jī)具有運(yùn)行性能優(yōu)異、結(jié)實(shí)耐用、可靠性高、調(diào)速范圍廣、控制裝置簡(jiǎn)單、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛運(yùn)用在各個(gè)工業(yè)生產(chǎn)場(chǎng)合中。雖然感應(yīng)電機(jī)具備諸多優(yōu)點(diǎn)，但是在一些特定場(chǎng)合中，仍然存在著一些不足。為了提升感應(yīng)電機(jī)的運(yùn)行性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)感應(yīng)電機(jī)的改進(jìn)與優(yōu)化進(jìn)行大量的研究[1-4]，文[5-6]運(yùn)用低諧波繞組對(duì)感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，以達(dá)到提高電機(jī)運(yùn)行性能的目的，文[7-8]通過(guò)改進(jìn)鼠籠型感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子槽型來(lái)提高電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。還有更換電機(jī)所使用的硅鋼片、采用銅轉(zhuǎn)子以及使用磁性槽楔來(lái)提升感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行效率[9-11]。此外改變繞組連接方式也是提高電動(dòng)機(jī)運(yùn)行性能方法之一，星三角混合連接繞組具有諧波磁勢(shì)含量低、低損耗等特點(diǎn)，能夠有效提升電機(jī)性能，文[12-13]介紹了星三角混合連接繞組特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)及其對(duì)電機(jī)效率的影響。油田的工作環(huán)境決定了特殊的負(fù)載條件，在抽油機(jī)用感應(yīng)電機(jī)的場(chǎng)合，常使用大功率電機(jī)以滿足高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的要求，而在正常運(yùn)行時(shí)不可避免的出現(xiàn)大功率電機(jī)帶動(dòng)較低負(fù)載的情況，即常說(shuō)的“大馬拉小車”，以至

電機(jī)運(yùn)行時(shí)效率過(guò)低，造成不必要的能源浪費(fèi)[14-17]。為了解決上述問(wèn)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(duì)感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)改造，使其在啟動(dòng)時(shí)具備較高的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，而負(fù)載運(yùn)行時(shí)仍能以較高效率拖動(dòng)低負(fù)載。利用有限元對(duì)改進(jìn)前后電機(jī)磁場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比計(jì)算來(lái)驗(yàn)證星三角混合連接繞組的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)比來(lái)驗(yàn)證改進(jìn)后電機(jī)具備更好的啟動(dòng)性能，結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證電機(jī)在低負(fù)載運(yùn)行時(shí)仍具有較高效率。最后將改進(jìn)后的電機(jī)與滿足油田工況的大機(jī)座、高功率的電機(jī)進(jìn)行節(jié)材對(duì)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(shí)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(wèn)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(shí)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(jì)時(shí)，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(shí)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(gè)部分繞組的電流密度相同，并且每槽中磁、熱負(fù)荷大小一致。由于三相繞組磁勢(shì)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(shí)間上同樣存在著30°電角度的相位差，當(dāng)三相合成磁場(chǎng)建立，對(duì)于k=0，2，4，6，…時(shí)，γ=1，11，13，…等次數(shù)的諧波，在星三角兩個(gè)繞組部分中是同相位的，會(huì)導(dǎo)致這些次諧波相互疊加，加強(qiáng)了基波磁場(chǎng)。而對(duì)于k=1，3，5，7…時(shí)，相對(duì)應(yīng)的次數(shù)的諧波在星三角兩個(gè)繞組中存在著180°的相位差，因此這些次諧波會(huì)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(chǎng)的波形，并使由諧波所引起的附加損耗下降。

2 高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩感應(yīng)電機(jī)的設(shè)計(jì)

2.1 繞組設(shè)計(jì)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(shí)間和空間上均相差30°電角度，兩部分產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)共同作用合成電機(jī)磁場(chǎng)，因此應(yīng)當(dāng)考慮兩部分繞組對(duì)整個(gè)計(jì)算的影響。為了簡(jiǎn)化運(yùn)算，將兩部分繞組的各個(gè)系數(shù)進(jìn)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(dāng)αy=αΔ=3，NΔ=3Ny時(shí)，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(shí)）次諧波也得到了極大地削弱， 特別當(dāng)q為偶數(shù)時(shí)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(jì)中，NΔ，Ny，αy，αΔ，q等參數(shù)的選擇對(duì)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(shí)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(lái)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(tái)Y200l26的三相感應(yīng)電機(jī)為例，對(duì)繞組進(jìn)行改進(jìn)。

2.2 樣機(jī)參數(shù)及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

改進(jìn)前后樣機(jī)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(fù)荷有所增加，適當(dāng)更改繞組線徑大小以此增大繞組對(duì)電流的承受能力，將原來(lái)的1～1.12和1～1.18改為2～1.5和2～1.12。將鐵心長(zhǎng)度也進(jìn)行適當(dāng)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(jī)成套的生產(chǎn)模具和材料。

本文針對(duì)改進(jìn)后電機(jī)運(yùn)行性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，圖3為實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)儀器。圖4為測(cè)試軟件以及渦流測(cè)功機(jī)控制器。通過(guò)MAGTROL渦流測(cè)功機(jī)作為負(fù)載與被測(cè)樣機(jī)直接相連，利用MTESE測(cè)試平臺(tái)軟件及其DSP6001控制器控制測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)矩，根據(jù)負(fù)載變化結(jié)合功率分析儀測(cè)量電機(jī)電流，效率，功率因數(shù)等數(shù)據(jù)。

3 改進(jìn)前后電機(jī)對(duì)比分析

3.1 繞組系數(shù)對(duì)比

星三角混合連接繞組的實(shí)質(zhì)是有若干個(gè)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(lái)消除特定次數(shù)諧波使得磁動(dòng)勢(shì)為更加理想的正弦波。由于未改造之前的Y200l26電機(jī)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(jìn)前后電機(jī)磁場(chǎng)計(jì)算

本文建立了電機(jī)的模型如圖5，分別對(duì)改進(jìn)前后電機(jī)在額定負(fù)載工況下進(jìn)行仿真計(jì)算，得到的磁場(chǎng)計(jì)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(duì)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(jìn)后電機(jī)由于鐵心加長(zhǎng)，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(jī)高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的要求。

3.3 電機(jī)啟動(dòng)性能計(jì)算

電機(jī)的啟動(dòng)性能主要包括啟動(dòng)電流倍數(shù)和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)，由之前磁場(chǎng)計(jì)算結(jié)果可以看出經(jīng)過(guò)星三角混合連接繞組改進(jìn)的電機(jī)氣隙磁密有所提升，磁密波形得到了改善，電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩勢(shì)必會(huì)得到提高。在額定負(fù)載的情況下，分別對(duì)Y200l26電機(jī)在改進(jìn)前后兩種情況下的啟動(dòng)過(guò)程進(jìn)行仿真，結(jié)果如表3和圖9、10所示：

通過(guò)對(duì)比轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速仿真圖及表3，可以看出，改進(jìn)后的電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間短、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，符合高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩節(jié)能電機(jī)設(shè)計(jì)的要求。盡管啟動(dòng)電流有所增大，但通過(guò)繞組的線徑的適當(dāng)改造可確保在啟動(dòng)電流增大的前提下，電機(jī)也可以安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

3.4 電機(jī)負(fù)載性能計(jì)算

在額定負(fù)載的工況下，改進(jìn)后電機(jī)的額定點(diǎn)性能如表4所示，改進(jìn)后電機(jī)較改進(jìn)前并無(wú)太明顯的提升，但是在油田這種特殊的工作環(huán)境下，電機(jī)所帶動(dòng)的負(fù)載多為周期性變化負(fù)載，除了在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)需要帶動(dòng)較大的負(fù)載外，電機(jī)運(yùn)行時(shí)所需要的轉(zhuǎn)矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩，功率僅為額定功率的30%～40%，相當(dāng)于輕載，與大功率電機(jī)帶動(dòng)低負(fù)載的運(yùn)行不同，改進(jìn)后電機(jī)功率較小，啟動(dòng)結(jié)束后仍能以較高的效率帶動(dòng)同樣大小負(fù)載。

機(jī)械特性能夠反映電機(jī)負(fù)載能力，根據(jù)計(jì)算改進(jìn)電機(jī)的機(jī)械特性如圖11所示，其中最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)位于860rpm處，額定運(yùn)行點(diǎn)位于980rpm處。根據(jù)對(duì)比結(jié)果可以看出，改進(jìn)后電機(jī)無(wú)論是最大轉(zhuǎn)矩還是啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩均高于改進(jìn)前電機(jī)，符合高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩電機(jī)的設(shè)計(jì)目的。電機(jī)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(shí)驗(yàn)和計(jì)算的對(duì)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(yùn)行。

3.5 抽油機(jī)工況下改進(jìn)電機(jī)負(fù)載性能

在抽油機(jī)系統(tǒng)中，主要包括的傳動(dòng)環(huán)節(jié)包括減速箱，曲柄及四連桿機(jī)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(jī)的負(fù)載始終處于動(dòng)態(tài)變化當(dāng)中。上沖程中電動(dòng)機(jī)可能處于重載狀態(tài)，而在下沖程中，電動(dòng)機(jī)可能處于輕載或者發(fā)電狀態(tài)。因此在實(shí)際計(jì)算電動(dòng)機(jī)負(fù)載時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮到各個(gè)傳動(dòng)部件對(duì)系統(tǒng)影響，具體的計(jì)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(diǎn)，之后在考慮平衡塊的作用，平衡塊在上沖程過(guò)程中向下運(yùn)動(dòng)，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(guò)程中向上運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生的為阻力矩。最后綜合懸點(diǎn)等效力矩和平衡塊等效力矩，可以得出，整個(gè)系統(tǒng)在一個(gè)沖次的力矩變化。在僅考慮一個(gè)沖次的時(shí)間范圍內(nèi)，假設(shè)上下沖程各0.5s，并且油井中油動(dòng)液面為400m，泵深800m的條件下，上沖程懸點(diǎn)等效為2800Nm，下沖程懸點(diǎn)等效力矩為-2750Nm，平衡塊等效力矩為500Nm，減速器傳動(dòng)比為100。考慮起動(dòng)過(guò)程，對(duì)負(fù)載條件進(jìn)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(jī)工作實(shí)際負(fù)載情況，該過(guò)程由于包含啟動(dòng)過(guò)程，上下沖程時(shí)間較長(zhǎng)，在電機(jī)啟動(dòng)后，實(shí)際一個(gè)沖次的時(shí)間要小于包含起動(dòng)過(guò)程的時(shí)間。在僅考慮上沖程的條件下，對(duì)改進(jìn)前后的Y200L26電動(dòng)機(jī)進(jìn)行仿真計(jì)算，得出的上沖程轉(zhuǎn)矩對(duì)比如圖17，轉(zhuǎn)速對(duì)比如圖18所示。在一定的負(fù)載條件下改進(jìn)后的電機(jī)具有較高的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩并且啟動(dòng)時(shí)間較短，而改進(jìn)前電機(jī)則需要長(zhǎng)時(shí)間的啟動(dòng)過(guò)程才能進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

3.6 改進(jìn)電機(jī)節(jié)材計(jì)算

改進(jìn)后電機(jī)啟動(dòng)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(jìn)后電機(jī)啟動(dòng)性能完全優(yōu)于同機(jī)座號(hào)電機(jī)，因此將改進(jìn)后電機(jī)與更大機(jī)座號(hào)電機(jī)的啟動(dòng)性能進(jìn)行比較，由于油田電機(jī)多采用六極或者八極，所以將改進(jìn)后電機(jī)與Y225m6、Y250m6以及Y280s6各型號(hào)電機(jī)的啟動(dòng)性能進(jìn)行計(jì)算比較，結(jié)果如表5所示。

由表5可以改進(jìn)后Y200l26電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩優(yōu)于30kW的Y225m6電機(jī)，與45kW的Y280s6電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩相當(dāng)，而在啟動(dòng)電流方面，雖然改進(jìn)后的Y200l26的啟動(dòng)電流相比原電機(jī)有所增大，但遠(yuǎn)小于Y280s6。綜上，可以看出改進(jìn)后電機(jī)的啟動(dòng)性能優(yōu)異。在實(shí)際生產(chǎn)中，除了感應(yīng)電機(jī)性能外，電機(jī)價(jià)格也是影響電機(jī)使用的重要因素，電機(jī)價(jià)格受到電機(jī)成本影響。電機(jī)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(fēng)扇和風(fēng)扇罩等其他部分的用量以及總共工時(shí)決定。工時(shí)一定的條件下，根據(jù)機(jī)械工業(yè)部中準(zhǔn)價(jià)格表，各個(gè)電機(jī)的成本價(jià)格如表6所示。根據(jù)表中內(nèi)容可以看出改進(jìn)后電機(jī)成本價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于45kW電機(jī)，此外改進(jìn)電機(jī)僅需要變更繞組和適當(dāng)增加鐵心長(zhǎng)度，無(wú)需重新開模，便于實(shí)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(qiáng)基波、削弱諧波的作用。經(jīng)計(jì)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(jìn)后Y200l26電機(jī)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(qiáng)，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(dòng)轉(zhuǎn)矩電機(jī)設(shè)計(jì)要求。

3）根據(jù)計(jì)算結(jié)果表明改進(jìn)后電機(jī)啟動(dòng)能力得到了較大的提升，改進(jìn)后22kW電機(jī)的啟動(dòng)性能與同系列45kW電機(jī)和更大機(jī)座號(hào)電機(jī)相當(dāng)，啟動(dòng)性能優(yōu)異。負(fù)載運(yùn)行時(shí)改進(jìn)前后電機(jī)性能變化不大，但結(jié)合油田實(shí)際運(yùn)行時(shí)負(fù)載條件，改進(jìn)后電機(jī)在輕載運(yùn)行時(shí)仍能夠滿足高效率運(yùn)行。

4）根據(jù)本文設(shè)計(jì)方法改進(jìn)后電機(jī)在油田等特殊工況下可以取代更大機(jī)座號(hào)電機(jī)，相比大機(jī)座高功率電機(jī)大大降低了功率的消耗，改造方法簡(jiǎn)單，并且在電機(jī)生產(chǎn)中節(jié)約材料，極大降低了電機(jī)成本，在實(shí)際生產(chǎn)有十分重要的意義。

參 考 文 獻(xiàn)：

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（編輯：關(guān) 毅）