高转差率电动机负载特性试验研究

李春红，冯子明，李子良，高 宇

高转差率电动机负载特性试验研究

李春红1，冯子明2，李子良3，高 宇1

（1．大庆油田有限责任公司采油工程研究院，黑龙江大庆163453；2．东北石油大学机械科学与工程学院，黑龙江大庆163318；3．北京石油机械厂，北京100083）

高转差率电动机由于具有适合交变载荷的软特性，已经获得广泛应用，但高转差率电动机的综合性能一直没有全面试验研究。在试验模拟井上进行了Y280S型电动机和Y C H D280L型电动机的对比试验研究，并测取多个瞬态节点特性参数的试验数据。结果表明：高转差率电动机并不节能，中高冲次时才有较好的降载效果，其启动性能要优于低转差率电动机。

高转差率；电动机；性能；试验

高转差异步电动机在电力拖动的领域中占有特殊的地位。由于它的“软特性”，经常被用于不稳定状态的电力拖动中，即用在常启动、反向或制动、负载剧烈交变的拖动中（例如：锻击机、冲击机、锻冶机、剪切机等设备上）。早在1964年，由美国工程师哈特首先把高转差率电动机应用于游梁式抽油机，当时经过美国多年的研究和应用，认为高转差率电动机比较适用于具有循环交变载荷的游梁式抽油机上，也认为具有一定的节能效果。1989年，孙世明与沈阳电机厂合作，对比研究了JQ O2型和Y C H 型2种高转差率电动机，得出一些定性的结论：中轻载荷下具有节能效果，高冲次比低冲次的节能效果好［1］。2002年，薛承谨利用高转差率电动机与抽油机负载特性耦合函数进行求解，对胜利油田的2口井进行了计算，预测的悬点最大载荷误差小于6%［2］。2007年，中原油田的张建华等人［3］试验研究后认为：高转差率电动机效率较低，用于游梁式抽油机上的各种情况都是有利的，超高转差率电动机在周期载荷系数大于1．8的油井情况下有利。转差率高的电机启动、过载能力都较好，从节约能耗、改善光杆载荷特性等方面看，则要依据具体的油井工况而定。

油田工作者在高转差率电动机的应用上做了很多工作，一般认为高转差率电动机具有适宜于游梁式抽油机的优良匹配性。但是实际应用中测试的节电率并不理想，转矩又不易测取，悬点最大载荷降低率的测试结果也不理想［4-6］。因此，本文基于大庆采油工程研究院的1 000 m深模拟试验井进行低转差率电动机（Y280S-8型，简称Y电机）与高转差率电动机（Y C H D280L-1218型，简称Y C H D电机）的同工况多节点试验研究，分析高转差率电动机的综合工作性能，为更好地应用高转差率电动机提供依据。

1　试验方法

以大庆采油工程研究院的模拟试验井为平台，试验方案如图1，基本参数如表1所示。选取电动机输入端、输出轴及大皮带轮输出轴、减速箱输出轴和光杆为5个瞬态测试节点，分别测取输入电参数、电机轴转矩和转速、皮带轮输出轴转矩和转速、减速箱输出轴转矩和转速、光杆位移和载荷等。测试仪器包括3169型电动机电参综合测试仪、同步速度测试仪、转矩测试设备、动力示功仪等，并配以数据后处理辅助软件。

图1　抽油机模拟试验井测试方案

表1　抽油井试验基本参数

2　试验结果分析

图2a、2b、2c分别为9、6、4 min－1冲次的悬点示功图对比。抽油机系统在相同工况下拖动装置更换为Y C H D电机后，其悬点最大载荷随着冲次的增加而降低，说明转差率对降低悬点载荷是有益的。如表2所示，9、6、4 min－1情况下最大载荷降低率分别为7．08%、6．34%、2．73%。

表2　悬点最大载荷对比

由表2可知：Y C H D电机的悬点最大载荷降低率随冲次增加而增加；冲次与载荷降低率是非线性的变化关系，说明低冲次工况下Y C H D电机的“降载”能力变弱，即Y C H D电机在较高冲次的抽汲工况下使用降载效果更好。

图2　悬点示功图

抽油机系统在相同工况下将拖动装置Y电机更换为Y C H D电机后，转矩峰值降低率随冲次的增加而提高，4、6、9 min－1冲次下转矩峰值降低率分别为－5．1%、3．44%、8．48%。如表3。

减速箱转矩曲线对比如图3所示。Y C H D电机的转矩降低率的变化规律类似其悬点载荷的规律，转矩峰值降低率随冲次增加而增加；冲次与转矩峰值降低率是非线性正相关。在4 min－1冲次工况下，转矩峰值反而增加，说明Y C H D电机不适合低冲次工况。即使考虑到有各种试验误差，对比悬点载荷降低率，低冲次下Y C H D电机降低峰值转矩的能力也不会很大。因此，对于降低减速箱转矩来说，高转差率电机更适合在高冲次的抽汲工况下使用。

图3　减速箱转矩曲线对比

表3　减速箱最大输出转矩对比

电机输入功率曲线对比如图4所示，可以看出：较高的转差率可以使功率曲线平缓，相当于“低通滤波”，即把高频部分过滤掉；上下冲程的功率曲线包络面积有增加的迹象，即电机要做较多的功来驱动抽油机系统。因此，从功率曲线看，Y C H D电机并不节能，而且冲次越低，Y C H D电机消耗能量越低。

图4　电机输入功率曲线对比

表4　平均有功功率对比

抽油机井在相同工况下将拖动装置Y电机更换为Y C H D电机后，在4、6、9 min－1冲次下都不节电，节电率分别为－15．82%、－18．67%、－13．52%。如表4。

表5　平均无功功率

Y C H D电机的平均无功功率相对Y电机降低较多，在54%～73%之间。但是无功消耗的电能很小，只有无功功率的4%～8%，无法弥补有功消耗的“逆差量”。如表5。

如图5所示，Y C H D电机的启动电流在不同冲次下相对Y电机都低，而且Y C H D电机的启动裕度（启动裕度为堵转电流值比上启动电流值）相对大许多，Y电机的启动裕度是1．27，Y C H D电机为2．08。

图5　堵转电流

如图6所示，Y C H D电机的启动功率在不同冲次下都相对增加，这是因为高滑差电机依靠增加电阻来增加滑差率，这必然会引起启动功率增大。但是Y C H D启动功率的“功率启动裕度”是2．72，依然大于Y系列电机的2．43。说明Y C H D电机比Y电机具有良好的启动能力。

图6　堵转功率

3　结论

1） Y C H D电机在9、6、4 min－1冲次下最大载荷降低率分别为7．08%、6．34%、2．73%。说明低冲次工况下Y C H D电机的“降载”能力变弱，即Y C H D电机在较高冲次的抽汲工况下使用，降载效果更好。

2） Y C H D电机的转矩峰值降低率随冲次的增加而提高，4、6、9 min－1冲次下转矩峰值降低率分别为－5．1%、3．44%、8．48%。

3） 从功率曲线看，Y C H D电机并不节能。

4） Y C H D电机相对Y电机具有良好的启动能力。

［1］ 孙世明，蔡利，张志超．高转差率电机驱动抽油机系统的耗能分析［J］．大庆石油学院学报，1989（3）：34-41．

［2］ 薛承谨，鲍雨锋．超高转差率电动机驱动游梁抽油机动力学研究［J］．石油机械，2002（1）：4-7．

［3］ 张建华，张伟．游梁式抽油机用异步电动机类型选配［J］．内蒙古石油化工，2007（6）：62-64．

［4］ 刘承榆．超高转差率电动机驱动抽油机的节能机理［J］．节能技术，1991（2）：2-6．

［5］ 郎立术．游梁式抽油机电动机存在问题及节电方法浅析［J］．石油石化节能，2012（11）：19-21．

［6］ 于会良．提高游梁式抽油机节能效果有效途径［J］．内江科技，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

黑龙江省教育厅科技研究项目（12541099）

李春红（1979-），女，黑龙江庆安人，工程师，硕士，主要从事机械采油节能技术研究。