杏子川采油廠電機改極的可行性研究

陳瑋　衛星

摘要：文章是以2016年杏子川采油廠電機負荷為依據，以改變導線線徑、旋轉磁場極對數為手段，以變極降速為主要目標，達到降低電費支出的目的。文中以杏子川采油廠目前井場主要使用的三種電機為基礎，探討通過增加電機極數實現降低電機轉速。文中主要展示電機改極計算過程的理論推導，并驗算改極后電機的各項性能指標，以期達到變極后電機性能最優、耗材最少、成本最低。

關鍵詞：電機;變極降速;電費

中圖分類號：TM343

文獻標識碼：A

文章編號：2095-6487（2019）01-0013-05

0引言

隨著油田的發展，對油田的開發逐步實現精細化、科學化，對油田的各項管理要求不斷提升，特別是近年來由于油價的低位運行，加快了油田轉型升級的步伐。杏子川采油廠的管理較為規范，寄望于通過提升管理，降低生產成本的潛力已經不大，只有通過其他方面的改進創新，才能實現采油廠的可持續發展。文中希望從電費支出的主要負荷設備，來探討一下節約電費的可能。

1杏子川采油廠生產現場使用的電機現狀

截止2016年底，杏子川采油廠主要電力負荷約為18500kW，其中電機占比約為88%，生產井場電機占比約為63%。杏子川采油廠2016年度電費支出8480萬元，井場電機電費支出約5342萬元。目前杏子川采油廠生產電機主要有三種，分別是Y-132S-4（5.5kW、轉速1440）、Y-132M-4（7.5kW、轉速1440）、Y-160M-4（11kW轉速1460），均為四極，轉速為1440轉左右。近年來杏子川采油廠推廣低速電機，從原理上來說即是采用六極電機，普遍轉速960轉/分鐘，通過降低電機轉速、減少抽油機運轉，降低設備、井下管柱磨損，同時起到降低電費的作用。但是杏子川采油廠低速電機全部為另行采購，采購成本較大，不能大面積推廣，同時采油廠原來四極電機將無用武之地，極大的加重了采油廠生產成本和浪費了現有的資源。為了避免資源浪費，建議對采油廠目前使用的電機進行改極改造，提升資源利用率，降低電機轉速，節約生產成本。

文中希望通過采油廠主要用電設備電機的改極實現電機轉速降低，來減少電費的支出，降低采油廠的運行成本。文中計劃將目前采油廠采用的四極電機，通過改極為六級電機，轉速約能降低1/3，在不考慮設備磨損降低、材料及維修費用的基礎上，與之相對應的直接成本（電費）亦能降低約1/3。文中以杏子川2016年電機電費支出5342萬元為核算依據，通過改極改造，按照60%的有效性計算，每年約能為杏子川采油廠節約1057萬元的直接電費支出。

2電機變極調速的經濟效益分析

文中以采油廠現有的電機型號為基礎，通過增加極數、降低線徑、增加每槽匝數等手段來實現電機變極降速，保持輸出扭矩不變。以下進行簡單的支出與節約分析：

2.1轉速降低能產生的節約

電機改極前，按照1440轉/分鐘，抽油機沖程8個/分鐘計算;電機改極后，轉速960轉/分，抽油機沖程5.3個/分鐘。即電機轉速降低33%，也就意味著電費、設備磨損、井筒磨損等均降低33%，材料損耗等也大幅度減少。

2.2電機改造所需要的支出

杏子川采油廠目前電機全部由供電車間進行維修，維修采用廢舊銅線出差價更換新銅線，維修成本較為固定，若將采油廠主要生產所用電機進行改極改造僅需要對電機轉子更換導線、改變繞組結構即可。近似計算值見表1。

從表1的近似計算值中可以看出，在電機銅線采購是以舊換新的運行模式下，通過改變線徑、極數和匝數的對電機進行變極改造，電機在維修時僅需改變轉子繞組即可，不需增加其他任何額外費用。

3影響電機轉速的因素

日常生活中我們所見的電機種類比較多，但是杏子川采油廠在單井使用的均為三相異步電機，其轉速與頻率的公式為：

n=60f/p

上式中n—電機的轉速（轉/分）;60—每分鐘（秒）;f—電源頻率（50赫茲）;p—電機旋轉磁場的極對數。

從公式中可以看出，從電機本身性能上來看，改變電機轉速只有兩種途徑：一是降低電源頻率，二是增加電機極數。我國規定標準電源頻率為f=50周/秒，如果要降低電源頻率必須使用變頻器來實現，而變頻器集成化程度高、成本較高、維修難度大、對電網影響較大，一般不允許大規模使用。所以降低電機轉速最好的方法就是改變電機的極數。根據公式可以得出在電源頻率不變的情況下，電機磁極對數多，旋轉磁場的轉速就低。在文中將以改變電機極數為方法，對杏子川采油廠目前主要使用的電機進行分析論證。

4電機改極重繞影響因素

4.1定子、轉子槽數配合

為了保證電機改極后具有較好的啟動和運行性能，定子（Z1）和轉子（Z2）之間配合的應滿足國家規定的推薦表。杏子川采油廠目前的電機型號定子均為36槽，轉子為斜槽32槽，符合推薦表，推薦改極槽數。因為定子、轉子配合是一個復雜的技術難題，但是通常也只能根據理論分析和實踐經驗的一些原則來決定。如應滿足下列關系：

Z1-Z2=?0;

Z1-Z2=?1;

Z1-Z2=?±2p;

Z1-Z2=?±1±2p;

Z1-Z2=?±1±2p2P為電機極數，從四極電機繞成六極電機，滿足上表要求。一般來說只要滿足上表要求，又符合推薦表中的推薦配合，大多能獲得滿意的效果。

4.2改變極數對輸出功率的影響

由于電機改變轉速后，其功率也有相應的改變。功率的改變與轉速改變近似成正比關系，所以功率改變又與極數改變近似的成反比關系。電機改極前要對改極后的容量是否適合所配的抽油機需要的功率進行計算。

為了保證杏子川采油廠生產需要，建議杏子川采油廠對5.5kW、7.5kW和11kW的井場電機進行改極試驗。按照理論計算11kW的電機改極后可以實現近似7.31kW功率的六極電機，7.5kW的電機改極后可以實現近似4.93kW功率的六極電機，5.5kW的電機改極后可以實現近似3.71kW功率的六極電機，并且扭矩較改造前基本持平。

根據日常電機運行監測，杏子川采油廠電機運行效率為40%左右，達不到電機理論輸出值的85%，很多電機處于大馬拉小車的現象。究其原因主要是由于啟動扭矩較大，功率小的電機無法正常啟動。而改極后的電機輸出扭矩，從理論上來說，基本與未改極支持持平，甚至略有提升，所以改極后的大部分電機能正常啟動并運轉。

4.3槽數及極數配合

改極電機要考慮繞組的構成是否成立，因為槽數和極數必須匹配。36槽可以實現：36/2p=整數的極數電機要求，即可以實現四極、六極的電機的繞線要求。滿足四極電機改極成六極電機的槽數要求。

4.4機械強度的校核

對于電機來說，在頻率不變的情況下，改變極數必然改變轉速，轉速的改變對電機構件要求的機械強度也必然發生改變，同時對各部分所承受的離心力也必然不同。但是對于杏子川采油廠目前現狀是將高速電機改極為低速電機，電機構件所承受的轉速和離心力都是減弱，不需要進行機械強度效驗。

5電機改極計算

電機改極必然要涉及各部磁通密度產生變化，為使改極后的性能接近原來的性能，必須與原繞組進行換算。

5.1電機改極前后的繞組數據

5.1.1電機改極前繞組數據

目前杏子川采油廠使用的Y-132S-4（5.5kW）和Y-132M-4（7.5kW）、Y-160M-4（11kW）三種型號的電機均為36槽四極單層交叉鏈式繞組。其中Y-132S-4（5.5kW）和Y-132M-4（7.5kW）為（y=8、7，a=1）連接;Y-160M-4（11kW）為（y=8、7，a=2）連接。5.1.2電機改極后繞組數據

電機改極僅為理論計算，具體數據需要進行實地檢測，為了盡可能多的試驗，以求最好的效果，對于電機改極后的繞組接線方式提供五種接線方式，以備選擇最優方案，具體如下。

36槽6極單層鏈式繞組（y=5，a=1）：

繞組數據為：定子槽數Z=36;電機極數2p=6;線圈極距τ=6;線圈組數u=18;每組圈數S=1;極相槽數q=2;總線圈數Q=18;并聯支路a=1;線圈節距y=5。

36槽6極單層鏈式繞組（y=5，a=2）：

繞組數據為：定子槽數Z=36;電機極數2p=6;線圈極距τ=6;線圈組數u=18;每組圈數S=1;極相槽數q=2;總線圈數Q=18;并聯支路a=2;線圈節距y=5。具體接線見附圖b。

36槽6極單層鏈式繞組（y=5，a=3）：

繞組數據為：定子槽數Z=36;電機極數2p=6;線圈極距τ=6;線圈組數u=18;每組圈數S=1;極相槽數q=2;總線圈數Q=18;并聯支路a=3;線圈節距y=5。具體接線見附圖c。

5.2繞組系數計算

5.2.1電機改繞前的繞組系數

根據三相電機節距系數表，查得：當y=7、8，τ=9時，三相電機節距系數Kp=0.985或0.940;

杏子川采油廠電機為普通電機無變速功能，一般采用600相帶，當極相槽數q=2，三相電機繞組分布系數Kd=0.96

故杏子川采油廠目前電機繞組系數Kdp=Kd×Kp=（0.985或0.940）×0.966=0.95151或0.90804

5.2.2電機改繞后的繞組系數

根據三相電機節距系數表，查得：當y=5，τ=6時，三相電機節距系數Kp=0.966;

杏子川采油廠電機為普通電機無變速功能，一般采用600相帶，當極相槽數q=2，三相電機繞組分布系數Kd=0.966

故杏子川采油廠目前電機繞組系數：

Kdp=Kd×Kp=0.966×0.966=0.933156

5.3新繞組每槽導線數

對于正規設計的電機，各部磁通設計比較合理，鐵損控制在較小的合理范圍，具有較好的經濟技術指標。但是電機改極后，往往會破壞這種平衡，很可能使得電機某部分磁通變的稀少，而另外一部位的磁密度高到趨于飽和，因此必須進行效驗。杏子川采油廠目前主要是增加電機極數，故只進行極數增加對磁密的影響分析。

對于增加極數的改繞，將造成極距變窄，即氣隙極面和每極所占的槽齒數減少。因此，如果每極磁通Φ在磁通密度不變的情況下也隨之減少。這時由電動勢基本方程式E=4.44fWΦKdp可見，若設f（頻率）和Kdp（繞組系數）不變，則Φ的減少將導致電機電勢降低，但電源電壓U不變，這時只要增加每相匝數W來保持E值不變。于是，當每極磁通Φ減少2p/2p'倍時，則每槽導線也必須增加2p/2p'（假設電機接線和并聯支路數不變而言）。

此外，考慮到極數增加時，軛部磁密Bc比較寬裕，氣隙磁密Bg值可略增加即取Kg=0.9-0.95，因此每槽導線數可由下式計算：

Sn=（Kg×Sn'×2p×a×Kdp'）/（2p'×a'×Kdp）

其中a、a—改極前、后的并聯支路數

Kdp、Kdp—改極前后的繞組系數

Sn'為改極前的電機每槽導線數，Sn為改極后的每槽導線數

Kg—增減極數引起的氣隙磁密度調整系數。

另外，由于齒部磁密隨氣隙磁密變化，所以，對于極數增加的改繞，只要氣隙磁密能夠滿足，則無需在進行齒部磁密驗算。

通過查表可得Y-132S-4（5.5kW）、Y-132M-4（7.5kW）和Y-160M-4（11kW）型電機，國標每槽導線數分別為47、35、56。

5.3.1Y-132S-4（5.5kW）改極前后每槽導線計算

（1）36槽6極單層鏈式繞組（y=5，a=1）

改極后Sn=（Kg×Sn'×2p×a×Kdp'）/（2p'×a'×Kdp）=68.29

Kg取最大值0.95;Sn為47;2p=6、2p'=4;Kdp'取最大值0.95151、Kdp0.933156;a'=1、a=1;

5.3.2Y-132M-4（7.5kW）改極前后每槽導線計算

（1）36槽6極單層鏈式繞組（y=5，a=1）

改極后Sn=（Kg×Sn'×2p×a×Kdp'）/（2p'×a'×Kdp）=50.24

Kg取最大值0.95;Sn為35;2p=6、2p'=4;Kdp'取最小值0.94、Kdp為0.933156;a'=1、a=1;

5.3.3Y-160M-4（11kW）改極前后每槽導線計算

（1）36槽6極單層鏈式繞組（y=5，a=1）

改極后Sn=（Kg×Sn'×2p×a×Kdp'）/（2p'×a'×Kdp）=40.68

Kg取最大值0.95;Sn為56;2p=6、2p'=4;Kdp'取最大值0.95151、Kdp為0.933156;a'=1、a=1;

5.4電機改極后的導線直徑計算

導線換算是在保持原槽滿率的前提下進行，改極后繞組的導線直徑按照以下公式進行換算：

d=d其中：d'—電機原繞組導線直徑，mm;

Sn、Sn—改極前、后每槽導線數;

a'、a—改極前、后繞組并聯支路數;

5.4.1Y-132S-4（5.5kW）改極前后每槽導線直徑計算

單層鏈式繞線和雙層疊式繞線只是繞線方式不同，每槽導線數一樣，線徑也一樣，故僅計算單層鏈式繞組線徑。以36槽6極單層鏈式繞組（y=5，a=1）來計算：改極后d=d'=0.748或0.790其中：d'=0.9或0.95;Sn'=47;Sn=68;a'=a=1根據漆包線線規表查得，d=0.77mm，截面積為

0.4657mm2

5.4.2Y-132M-4（7.5kW）改極前后每槽導線直徑計算

以36槽6極單層鏈式繞組（y=5，a=1）來計算：改極后d=d'=1.171324

其中：d'=1.06;Sn'=35;Sn=50;a'=a=1

根據漆包線線規表查得，d=1.16mm，截面積為1.057mm2，因我廠采用并繞方式，建議采用線徑代換組合為（0.83、0.80）、（0.86、0.77）、（0.90、0.74）、（0.90、0.72）其中一種，可根據現場型號靈活組合。

5.4.3Y-160M-4（11kW）改極前后每槽導線直徑計算

以36槽6極單層鏈式繞組（y=5，a=1）來計算：改極后d=d'=1.4557884其中：d'=1.3;Sn'=56;Sn=82;a'=a=1根據漆包線線規表查的，d=1.45mm，截面積為1.651mm2，因我廠采用并繞方式，建議采用線徑代換組合為（1.04、1.0）、（1.08、0.96）、（1.12、0.93）、（1.16、0.86）其中一種，可根據現場型號靈活組合。

5.5電機改極后的功率計算

電機極數改變后，輸出功率也會相應改變。在同一個鐵芯上，若從少極變成多極，其每極所占的極面積減少，若磁通密度不變，每極磁通Φ就相應的減少。由電壓方程式可知，為了維持電動機感應電動勢不變，便要增加每極匝數W;而每槽導線數也相應的增加，同時保證槽滿率不致過高，就必須減小導線截面積，從而導致輸出功率也隨之減少。

電機改極后的輸出功率可按照下式估算：

Pn=Pn×（d/d）2或Pn=Pn'×S/S'其中Pn'—電機改繞前的功率，kW;d'、d—電機改繞前、后的線徑，mm;S'、S—電機改繞前、后導線的截面積，mm2;單層鏈式繞線和雙層疊式繞線只是繞線方式不同，每槽導線數一樣，線徑也一樣，故僅計算單層鏈式繞組線徑。

5.5.1Y-132S-4（5.5kW）改極前后功率計算

Pn=Pn'×（d/d'）2=4.02kW

Pn=5.5kW;d=0.9、d=0.77;

5.5.2Y-132M-4（7.5kW）改極前后功率計算

Pn=Pn'×（d/d'）2=4.82kW

Pn=7.5kW;d'=1.06、d=0.85;

5.5.3Y-160M-4（11kW）改極前后功率計算

Pn=Pn'×（d/d'）2=7.31kW

Pn'=11kW;d'=1.3、d=1.06;

6電機改極重繞的磁通密度效驗電機改極各部件磁通密度參考表

6.1電機氣隙磁密

Bg=

其中：U為相電壓，文中中所涉及的到三種型號的電機均為△接法，U=Un=380V;2p電機極數（6）;a為并聯支路數（1-2）;Z為定子槽數（36）;Sn為每槽導線數（70、50、84）;D為定子鐵芯內徑（136、136、170）;L定子鐵芯長度（115、160、155）;Kdp為繞組系數（0.933）。

6.1.1Y-132S-4（5.5kW）改極后氣隙磁密

Bg==0.765≤0.85

6.1.2Y-132M-4（7.5kW）改極前后氣隙磁密

Bg==0.748≤0.85

6.1.3Y-160M-4（11kW）改極前后氣隙磁密Bg==0.754≤0.85

6.2軛部磁密

Bc=，其中：hc為定子鐵芯軛高（采油廠對應的三種電機分別為1.7、1.8、2.3）

6.2.1Y-132S-4（5.5kW）改極后軛部磁密計算

Bc==1.16×13.6×0.765/（6×1.7）=1.18

6.2.2Y-132M-4（7.5kW）改極前后軛部磁密計算

Bc==1.16×13.6×0.748/（6×1.8）=1.09

6.2.3Y-160M-4（11kW）改極前后軛部磁密計算

Bc==1.16×17×0.756/（6×2.3）=1.07

均符合常用允許值，且不超過改極最高值。

7電機改極前后電機扭矩效驗

電機扭矩即電動機的輸出扭矩，為電動機的基本參數之一。電機轉矩，簡單的說，就是轉動的力量的大小。一般來講電動機帶動機械轉動的勁頭就是電動機的轉矩。又稱電機啟動扭矩。

電機扭矩公式為：T=9550P/n此公式為工程上常用的扭矩、功率、轉速三者關系的計算公式。

式中：T—扭矩（單位：N.M）9550-為常數;P—電機的功率（單位：kW）;n—輸出的轉速（單位：轉/分）

7.1Y-132S-4（5.5kW）型電機改極前后扭矩效驗

7.1.1改極前扭矩值

T=9550P/n=9550×5.5/1500=357.1.2改極后扭矩值

T=9550P/n=9550×4.02/1000=38.39

7.2Y-132M-4（7.5kW）型電機改極前后扭矩效驗

7.2.1改極前扭矩值

T=9550P/n=9550×7.5/1500=47.75

7.2.2改極后扭矩值

T=9550P/n=9550×4.82/1000

摘要：文章是以2016年杏子川采油廠電機負荷為依據，以改變導線線徑、旋轉磁場極對數為手段，以變極降速為主要目標，達到降低電費支出的目的。文中以杏子川采油廠目前井場主要使用的三種電機為基礎，探討通過增加電機極數實現降低電機轉速。文中主要展示電機改極計算過程的理論推導，并驗算改極后電機的各項性能指標，以期達到變極后電機性能最優、耗材最少、成本最低。

關鍵詞：電機;變極降速;電費

中圖分類號：TM343

文獻標識碼：A

文章編號：2095-6487（2019）01-0013-05

0引言

隨著油田的發展，對油田的開發逐步實現精細化、科學化，對油田的各項管理要求不斷提升，特別是近年來由于油價的低位運行，加快了油田轉型升級的步伐。杏子川采油廠的管理較為規范，寄望于通過提升管理，降低生產成本的潛力已經不大，只有通過其他方面的改進創新，才能實現采油廠的可持續發展。文中希望從電費支出的主要負荷設備，來探討一下節約電費的可能。

1杏子川采油廠生產現場使用的電機現狀

截止2016年底，杏子川采油廠主要電力負荷約為18500kW，其中電機占比約為88%，生產井場電機占比約為63%。杏子川采油廠2016年度電費支出8480萬元，井場電機電費支出約5342萬元。目前杏子川采油廠生產電機主要有三種，分別是Y-132S-4（5.5kW、轉速1440）、Y-132M-4（7.5kW、轉速1440）、Y-160M-4（11kW轉速1460），均為四極，轉速為1440轉左右。近年來杏子川采油廠推廣低速電機，從原理上來說即是采用六極電機，普遍轉速960轉/分鐘，通過降低電機轉速、減少抽油機運轉，降低設備、井下管柱磨損，同時起到降低電費的作用。但是杏子川采油廠低速電機全部為另行采購，采購成本較大，不能大面積推廣，同時采油廠原來四極電機將無用武之地，極大的加重了采油廠生產成本和浪費了現有的資源。為了避免資源浪費，建議對采油廠目前使用的電機進行改極改造，提升資源利用率，降低電機轉速，節約生產成本。

文中希望通過采油廠主要用電設備電機的改極實現電機轉速降低，來減少電費的支出，降低采油廠的運行成本。文中計劃將目前采油廠采用的四極電機，通過改極為六級電機，轉速約能降低1/3，在不考慮設備磨損降低、材料及維修費用的基礎上，與之相對應的直接成本（電費）亦能降低約1/3。文中以杏子川2016年電機電費支出5342萬元為核算依據，通過改極改造，按照60%的有效性計算，每年約能為杏子川采油廠節約1057萬元的直接電費支出。

2電機變極調速的經濟效益分析

文中以采油廠現有的電機型號為基礎，通過增加極數、降低線徑、增加每槽匝數等手段來實現電機變極降速，保持輸出扭矩不變。以下進行簡單的支出與節約分析：

2.1轉速降低能產生的節約

電機改極前，按照1440轉/分鐘，抽油機沖程8個/分鐘計算;電機改極后，轉速960轉/分，抽油機沖程5.3個/分鐘。即電機轉速降低33%，也就意味著電費、設備磨損、井筒磨損等均降低33%，材料損耗等也大幅度減少。

2.2電機改造所需要的支出

杏子川采油廠目前電機全部由供電車間進行維修，維修采用廢舊銅線出差價更換新銅線，維修成本較為固定，若將采油廠主要生產所用電機進行改極改造僅需要對電機轉子更換導線、改變繞組結構即可。近似計算值見表1。

從表1的近似計算值中可以看出，在電機銅線采購是以舊換新的運行模式下，通過改變線徑、極數和匝數的對電機進行變極改造，電機在維修時僅需改變轉子繞組即可，不需增加其他任何額外費用。

3影響電機轉速的因素

日常生活中我們所見的電機種類比較多，但是杏子川采油廠在單井使用的均為三相異步電機，其轉速與頻率的公式為：

n=60f/p

上式中n—電機的轉速（轉/分）;60—每分鐘（秒）;f—電源頻率（50赫茲）;p—電機旋轉磁場的極對數。

從公式中可以看出，從電機本身性能上來看，改變電機轉速只有兩種途徑：一是降低電源頻率，二是增加電機極數。我國規定標準電源頻率為f=50周/秒，如果要降低電源頻率必須使用變頻器來實現，而變頻器集成化程度高、成本較高、維修難度大、對電網影響較大，一般不允許大規模使用。所以降低電機轉速最好的方法就是改變電機的極數。根據公式可以得出在電源頻率不變的情況下，電機磁極對數多，旋轉磁場的轉速就低。在文中將以改變電機極數為方法，對杏子川采油廠目前主要使用的電機進行分析論證。

4電機改極重繞影響因素

4.1定子、轉子槽數配合

為了保證電機改極后具有較好的啟動和運行性能，定子（Z1）和轉子（Z2）之間配合的應滿足國家規定的推薦表。杏子川采油廠目前的電機型號定子均為36槽，轉子為斜槽32槽，符合推薦表，推薦改極槽數。因為定子、轉子配合是一個復雜的技術難題，但是通常也只能根據理論分析和實踐經驗的一些原則來決定。如應滿足下列關系：

Z1-Z2=?0;

Z1-Z2=?1;

Z1-Z2=?±2p;

Z1-Z2=?±1±2p;

Z1-Z2=?±1±2p2P為電機極數，從四極電機繞成六極電機，滿足上表要求。一般來說只要滿足上表要求，又符合推薦表中的推薦配合，大多能獲得滿意的效果。

4.2改變極數對輸出功率的影響

由于電機改變轉速后，其功率也有相應的改變。功率的改變與轉速改變近似成正比關系，所以功率改變又與極數改變近似的成反比關系。電機改極前要對改極后的容量是否適合所配的抽油機需要的功率進行計算。

為了保證杏子川采油廠生產需要，建議杏子川采油廠對5.5kW、7.5kW和11kW的井場電機進行改極試驗。按照理論計算11kW的電機改極后可以實現近似7.31kW功率的六極電機，7.5kW的電機改極后可以實現近似4.93kW功率的六極電機，5.5kW的電機改極后可以實現近似3.71kW功率的六極電機，并且扭矩較改造前基本持平。

根據日常電機運行監測，杏子川采油廠電機運行效率為40%左右，達不到電機理論輸出值的85%，很多電機處于大馬拉小車的現象。究其原因主要是由于啟動扭矩較大，功率小的電機無法正常啟動。而改極后的電機輸出扭矩，從理論上來說，基本與未改極支持持平，甚至略有提升，所以改極后的大部分電機能正常啟動并運轉。

4.3槽數及極數配合

改極電機要考慮繞組的構成是否成立，因為槽數和極數必須匹配。36槽可以實現：36/2p=整數的極數電機要求，即可以實現四極、六極的電機的繞線要求。滿足四極電機改極成六極電機的槽數要求。

4.4機械強度的校核

對于電機來說，在頻率不變的情況下，改變極數必然改變轉速，轉速的改變對電機構件要求的機械強度也必然發生改變，同時對各部分所承受的離心力也必然不同。但是對于杏子川采油廠目前現狀是將高速電機改極為低速電機，電機構件所承受的轉速和離心力都是減弱，不需要進行機械強度效驗。

5電機改極計算

電機改極必然要涉及各部磁通密度產生變化，為使改極后的性能接近原來的性能，必須與原繞組進行換算。

5.1電機改極前后的繞組數據

5.1.1電機改極前繞組數據

目前杏子川采油廠使用的Y-132S-4（5.5kW）和Y-132M-4（7.5kW）、Y-160M-4（11kW）三種型號的電機均為36槽四極單層交叉鏈式繞組。其中Y-132S-4（5.5kW）和Y-132M-4（7.5kW）為（y=8、7，a=1）連接;Y-160M-4（11kW）為（y=8、7，a=2）連接。5.1.2電機改極后繞組數據

電機改極僅為理論計算，具體數據需要進行實地檢測，為了盡可能多的試驗，以求最好的效果，對于電機改極后的繞組接線方式提供五種接線方式，以備選擇最優方案，具體如下。

36槽6極單層鏈式繞組（y=5，a=1）：

繞組數據為：定子槽數Z=36;電機極數2p=6;線圈極距τ=6;線圈組數u=18;每組圈數S=1;極相槽數q=2;總線圈數Q=18;并聯支路a=1;線圈節距y=5。

36槽6極單層鏈式繞組（y=5，a=2）：

繞組數據為：定子槽數Z=36;電機極數2p=6;線圈極距τ=6;線圈組數u=18;每組圈數S=1;極相槽數q=2;總線圈數Q=18;并聯支路a=2;線圈節距y=5。具體接線見附圖b。

36槽6極單層鏈式繞組（y=5，a=3）：

繞組數據為：定子槽數Z=36;電機極數2p=6;線圈極距τ=6;線圈組數u=18;每組圈數S=1;極相槽數q=2;總線圈數Q=18;并聯支路a=3;線圈節距y=5。具體接線見附圖c。

5.2繞組系數計算

5.2.1電機改繞前的繞組系數

根據三相電機節距系數表，查得：當y=7、8，τ=9時，三相電機節距系數Kp=0.985或0.940;

杏子川采油廠電機為普通電機無變速功能，一般采用600相帶，當極相槽數q=2，三相電機繞組分布系數Kd=0.96

故杏子川采油廠目前電機繞組系數Kdp=Kd×Kp=（0.985或0.940）×0.966=0.95151或0.90804

5.2.2電機改繞后的繞組系數

根據三相電機節距系數表，查得：當y=5，τ=6時，三相電機節距系數Kp=0.966;

杏子川采油廠電機為普通電機無變速功能，一般采用600相帶，當極相槽數q=2，三相電機繞組分布系數Kd=0.966

故杏子川采油廠目前電機繞組系數：

Kdp=Kd×Kp=0.966×0.966=0.933156

5.3新繞組每槽導線數

對于正規設計的電機，各部磁通設計比較合理，鐵損控制在較小的合理范圍，具有較好的經濟技術指標。但是電機改極后，往往會破壞這種平衡，很可能使得電機某部分磁通變的稀少，而另外一部位的磁密度高到趨于飽和，因此必須進行效驗。杏子川采油廠目前主要是增加電機極數，故只進行極數增加對磁密的影響分析。

對于增加極數的改繞，將造成極距變窄，即氣隙極面和每極所占的槽齒數減少。因此，如果每極磁通Φ在磁通密度不變的情況下也隨之減少。這時由電動勢基本方程式E=4.44fWΦKdp可見，若設f（頻率）和Kdp（繞組系數）不變，則Φ的減少將導致電機電勢降低，但電源電壓U不變，這時只要增加每相匝數W來保持E值不變。于是，當每極磁通Φ減少2p/2p'倍時，則每槽導線也必須增加2p/2p'（假設電機接線和并聯支路數不變而言）。

此外，考慮到極數增加時，軛部磁密Bc比較寬裕，氣隙磁密Bg值可略增加即取Kg=0.9-0.95，因此每槽導線數可由下式計算：

Sn=（Kg×Sn'×2p×a×Kdp'）/（2p'×a'×Kdp）

其中a、a—改極前、后的并聯支路數

Kdp、Kdp—改極前后的繞組系數

Sn'為改極前的電機每槽導線數，Sn為改極后的每槽導線數

Kg—增減極數引起的氣隙磁密度調整系數。

另外，由于齒部磁密隨氣隙磁密變化，所以，對于極數增加的改繞，只要氣隙磁密能夠滿足，則無需在進行齒部磁密驗算。

通過查表可得Y-132S-4（5.5kW）、Y-132M-4（7.5kW）和Y-160M-4（11kW）型電機，國標每槽導線數分別為47、35、56。

5.3.1Y-132S-4（5.5kW）改極前后每槽導線計算

（1）36槽6極單層鏈式繞組（y=5，a=1）

改極后Sn=（Kg×Sn'×2p×a×Kdp'）/（2p'×a'×Kdp）=68.29

Kg取最大值0.95;Sn為47;2p=6、2p'=4;Kdp'取最大值0.95151、Kdp0.933156;a'=1、a=1;

5.3.2Y-132M-4（7.5kW）改極前后每槽導線計算

（1）36槽6極單層鏈式繞組（y=5，a=1）

改極后Sn=（Kg×Sn'×2p×a×Kdp'）/（2p'×a'×Kdp）=50.24

Kg取最大值0.95;Sn為35;2p=6、2p'=4;Kdp'取最小值0.94、Kdp為0.933156;a'=1、a=1;

5.3.3Y-160M-4（11kW）改極前后每槽導線計算

（1）36槽6極單層鏈式繞組（y=5，a=1）

改極后Sn=（Kg×Sn'×2p×a×Kdp'）/（2p'×a'×Kdp）=40.68

Kg取最大值0.95;Sn為56;2p=6、2p'=4;Kdp'取最大值0.95151、Kdp為0.933156;a'=1、a=1;

5.4電機改極后的導線直徑計算

導線換算是在保持原槽滿率的前提下進行，改極后繞組的導線直徑按照以下公式進行換算：

d=d其中：d'—電機原繞組導線直徑，mm;

Sn、Sn—改極前、后每槽導線數;

a'、a—改極前、后繞組并聯支路數;

5.4.1Y-132S-4（5.5kW）改極前后每槽導線直徑計算

單層鏈式繞線和雙層疊式繞線只是繞線方式不同，每槽導線數一樣，線徑也一樣，故僅計算單層鏈式繞組線徑。以36槽6極單層鏈式繞組（y=5，a=1）來計算：改極后d=d'=0.748或0.790其中：d'=0.9或0.95;Sn'=47;Sn=68;a'=a=1根據漆包線線規表查得，d=0.77mm，截面積為

0.4657mm2

5.4.2Y-132M-4（7.5kW）改極前后每槽導線直徑計算

以36槽6極單層鏈式繞組（y=5，a=1）來計算：改極后d=d'=1.171324

其中：d'=1.06;Sn'=35;Sn=50;a'=a=1

根據漆包線線規表查得，d=1.16mm，截面積為1.057mm2，因我廠采用并繞方式，建議采用線徑代換組合為（0.83、0.80）、（0.86、0.77）、（0.90、0.74）、（0.90、0.72）其中一種，可根據現場型號靈活組合。

5.4.3Y-160M-4（11kW）改極前后每槽導線直徑計算

以36槽6極單層鏈式繞組（y=5，a=1）來計算：改極后d=d'=1.4557884其中：d'=1.3;Sn'=56;Sn=82;a'=a=1根據漆包線線規表查的，d=1.45mm，截面積為1.651mm2，因我廠采用并繞方式，建議采用線徑代換組合為（1.04、1.0）、（1.08、0.96）、（1.12、0.93）、（1.16、0.86）其中一種，可根據現場型號靈活組合。

5.5電機改極后的功率計算

電機極數改變后，輸出功率也會相應改變。在同一個鐵芯上，若從少極變成多極，其每極所占的極面積減少，若磁通密度不變，每極磁通Φ就相應的減少。由電壓方程式可知，為了維持電動機感應電動勢不變，便要增加每極匝數W;而每槽導線數也相應的增加，同時保證槽滿率不致過高，就必須減小導線截面積，從而導致輸出功率也隨之減少。

電機改極后的輸出功率可按照下式估算：

Pn=Pn×（d/d）2或Pn=Pn'×S/S'其中Pn'—電機改繞前的功率，kW;d'、d—電機改繞前、后的線徑，mm;S'、S—電機改繞前、后導線的截面積，mm2;單層鏈式繞線和雙層疊式繞線只是繞線方式不同，每槽導線數一樣，線徑也一樣，故僅計算單層鏈式繞組線徑。

5.5.1Y-132S-4（5.5kW）改極前后功率計算

Pn=Pn'×（d/d'）2=4.02kW

Pn=5.5kW;d=0.9、d=0.77;

5.5.2Y-132M-4（7.5kW）改極前后功率計算

Pn=Pn'×（d/d'）2=4.82kW

Pn=7.5kW;d'=1.06、d=0.85;

5.5.3Y-160M-4（11kW）改極前后功率計算

Pn=Pn'×（d/d'）2=7.31kW

Pn'=11kW;d'=1.3、d=1.06;

6電機改極重繞的磁通密度效驗電機改極各部件磁通密度參考表

6.1電機氣隙磁密

Bg=

其中：U為相電壓，文中中所涉及的到三種型號的電機均為△接法，U=Un=380V;2p電機極數（6）;a為并聯支路數（1-2）;Z為定子槽數（36）;Sn為每槽導線數（70、50、84）;D為定子鐵芯內徑（136、136、170）;L定子鐵芯長度（115、160、155）;Kdp為繞組系數（0.933）。

6.1.1Y-132S-4（5.5kW）改極后氣隙磁密

Bg==0.765≤0.85

6.1.2Y-132M-4（7.5kW）改極前后氣隙磁密

Bg==0.748≤0.85

6.1.3Y-160M-4（11kW）改極前后氣隙磁密Bg==0.754≤0.85

6.2軛部磁密

Bc=，其中：hc為定子鐵芯軛高（采油廠對應的三種電機分別為1.7、1.8、2.3）

6.2.1Y-132S-4（5.5kW）改極后軛部磁密計算

Bc==1.16×13.6×0.765/（6×1.7）=1.18

6.2.2Y-132M-4（7.5kW）改極前后軛部磁密計算

Bc==1.16×13.6×0.748/（6×1.8）=1.09

6.2.3Y-160M-4（11kW）改極前后軛部磁密計算

Bc==1.16×17×0.756/（6×2.3）=1.07

均符合常用允許值，且不超過改極最高值。

7電機改極前后電機扭矩效驗

電機扭矩即電動機的輸出扭矩，為電動機的基本參數之一。電機轉矩，簡單的說，就是轉動的力量的大小。一般來講電動機帶動機械轉動的勁頭就是電動機的轉矩。又稱電機啟動扭矩。

電機扭矩公式為：T=9550P/n此公式為工程上常用的扭矩、功率、轉速三者關系的計算公式。

式中：T—扭矩（單位：N.M）9550-為常數;P—電機的功率（單位：kW）;n—輸出的轉速（單位：轉/分）

7.1Y-132S-4（5.5kW）型電機改極前后扭矩效驗

7.1.1改極前扭矩值

T=9550P/n=9550×5.5/1500=357.1.2改極后扭矩值

T=9550P/n=9550×4.02/1000=38.39

7.2Y-132M-4（7.5kW）型電機改極前后扭矩效驗

7.2.1改極前扭矩值

T=9550P/n=9550×7.5/1500=47.75

7.2.2改極后扭矩值

T=9550P/n=9550×4.82/1000=46.03

7.3Y-160M-4（11kW）型電機改極前后扭矩效驗

7.3.1改極前扭矩值

T=9550P/n=9550×11/1500=70.03

7.3.2改極后扭矩值

T=9550P/n=9550×7.31/1000=69.8

8結束語

通過計算得出電機扭矩在改極后，基本與改極前持平，甚至超過改極前，故電機改極后，電機的輸出扭矩所受到的影響不大。根據以上驗算，以我廠現有的主要型號的電機為基礎，通過對轉子的改極重繞可以實現電機轉速降低，對我廠降本增效有著極其重要的意義。

參考文獻

[1]孔軍.電動機繞組全彩色圖集-嵌線、布線、接線展開圖[M].北京：化學工業出版社，2013.

[2]潘品英.電機修理計算與應用[M].北京：化學工業出版社，2014.

[3]辜承林、陳喬夫.電機學[M].武漢：華中科技大學出版社，2010.

=46.03

7.3Y-160M-4（11kW）型電機改極前后扭矩效驗

7.3.1改極前扭矩值

T=9550P/n=9550×11/1500=70.03

7.3.2改極后扭矩值

T=9550P/n=9550×7.31/1000=69.8

8結束語

通過計算得出電機扭矩在改極后，基本與改極前持平，甚至超過改極前，故電機改極后，電機的輸出扭矩所受到的影響不大。根據以上驗算，以我廠現有的主要型號的電機為基礎，通過對轉子的改極重繞可以實現電機轉速降低，對我廠降本增效有著極其重要的意義。

參考文獻

[1]孔軍.電動機繞組全彩色圖集-嵌線、布線、接線展開圖[M].北京：化學工業出版社，2013.

[2]潘品英.電機修理計算與應用[M].北京：化學工業出版社，2014.

[3]辜承林、陳喬夫.電機學[M].武漢：華中科技大學出版社，2010.