数字化抽油机用异步电动机的研制与应用

吉效科，许　丽，张　昊，魏会宁，樊亚宁，李　洋(.西南石油大学机电工程学院，四川成都　60500; .长庆油田公司设备管理处，陕西西安　7008; .西安长庆化工集团有限公司，陕西西安　7008; .长庆油田公司第四采油厂，陕西靖边　78500)



数字化抽油机用异步电动机的研制与应用

吉效科1，2，许丽2，张昊2，魏会宁3，樊亚宁4，李洋1
(1.西南石油大学机电工程学院，四川成都610500; 2.长庆油田公司设备管理处，陕西西安710018; 3.西安长庆化工集团有限公司，陕西西安710018; 4.长庆油田公司第四采油厂，陕西靖边718500)

摘要:针对数字化抽油机用普通三相异步电动机配置变频控制柜存在寿命较短、调速范围小、效率较低等问题，开发了数字化抽油机用异步电动机。现场应用表明，该电动机适应频率15～70 Hz的调参范围，使用一件皮带轮即可满足数字化抽油机1.5～5次/min的冲次调节要求，最大转矩、起动转矩、效率、热负荷等性能特性优于普通三相异步电动机，具有很好的推广前景。

关键词:数字化抽油机;异步电动机;频率;温升;应用

0　引言

长庆油田数字化抽油机采用变频控制实现抽油机冲次的自动、实时调节，配置电动机为普通Y系列三相异步电动机。由于普通Y系列三相异步电动机配置变频控制柜存在电动机温升高、绝缘老化加速、电动机寿命短、效率较低等问题，以Y180L-8/11kW的普通三相异步电动机为例，电动机转速419 r/min，对应频率30 Hz、抽油机冲次2.09次/min时，满负荷运行，其实际温升达89.47 K，效率降至79.9%。大规模推广使用造成电动机烧坏频繁，维护费用高，管理难度大，影响油井正常生产。

同时由于普通Y系列三相异步电动机配置变频器时受谐波及温升影响，调速范围较小(一般允许30～50 Hz范围)，抽油机出厂需要配置三件皮带轮实现1.5～5次/min的冲次调节范围，给现场运行管理带来不便。此外，数字化抽油机配置变频调速电动机，其独立散热风扇增加了电耗，同时购置成本成倍增加，存在运行和维护费用高的问题。

为了使得数字化抽油机安全平稳运行，降低综合运行成本，满足油田复杂工况和环境条件的需要，长庆油田组织开发了适合数字化抽油机配套的电动机，并于2013年11月在采油三厂和采油六厂的7型数字化抽油机安装试验，取得了较好的试验效果。

1　技术分析

1.1基本结构

数字化抽油机用异步电动机，由转子部分、定子部分、壳体部分、轴承部分、冷却部分组成。具体构成如图1所示。

图1　数字化抽油机用异步电动机结构示意图

1.2工作原理

电机定子绕组通入三相交流电后，定子绕组随电源频率产生旋转磁场，电机转子感应后产生感应电流，感应电流又使导体受到一个电磁力的作用，导致导体沿磁铁的旋转方向转动起来，与定子磁场形成转矩，转子转速与定子磁场转速产生转差，一般转差率为1.5%～8%。

1.3关键技术及特点

(1)定子铁心开槽用以嵌入电磁导线，转子铁心开槽用以浇铸铝导条。定子部分压装在机座内，转子部分通过前后轴承安装于壳体上，转子铁心与定子铁心之间留有一定的间隙，接线盒安装于机座顶部或侧面，风扇固定安装于转轴后端，转轴旋转时风扇可同步转动，风罩通过固定螺栓安装于机座后端。

(2)定子采用深而窄的矩形开口槽，在定子槽开口处设置冷却风沟，冷却空气经槽楔上部通道流通，绕组采用扁平导体平放布置，并用多组互相绝缘的导体并联。转子槽形为梯形半开口槽。定转子槽配合为48/44，气隙值为0.4～0.6 mm。

(3)为适应抽油机起动转矩大、运行中存在冲击载荷的工况特性，同时为达到提效降耗的目的，在电动机的设计中与普通Y系列异步电动机相比，提高了起动转矩与额定转矩的比值、最大转矩与额定转矩的比值和最大电流与额定电流的比值。

(4)在电磁设计上采取了降低电磁负荷、增加有效材料的方式，将电机的热负荷降低了约30%，保证了电动机在低速状态下(15 Hz)的温升符合标准要求。

(5)数字化抽油机用异步电动机的冷却方式采用IC411自扇风冷结构，可在低速、变频控制状态下平稳运行。

1.4主要技术性能指标

(1)技术性能指标如表1所示。

表1　数字化抽油机用异步电动机、变频电动机、普通Y系列异步电动机技术指标对比

从表1技术指标对比可知，在不同频率工况下，数字化抽油机用异步电动机与变频电动机相比:最大转矩平均提高15.4%，起动转矩平均提高15.1%，效率提高1.9个百分点，热负荷下降26.5%。与普通Y系列异步电动机相比:最大转矩平均提高12.6%，起动转矩平均提高15.4%，效率提高2.9个百分点，热负荷下降37.8%。

(2)温升变化特性如表2所示。

从表2可以看出，数字化抽油机用异步电动机温升随着频率的降低而增加，15 Hz时达71.95 K，低于国标要求的温升80 K;效率随着频率的降低而降低，在15 Hz时为74.5%;频率范围15～70 Hz对应抽油机的冲次范围1.47～6.87次/min，满足数字化抽油机冲次范围1.5～5次/min的需要。

表2　YVZL180L-8型电动机在频率15～70 Hz范围的温升特性

从表3可以看出，同功率的数字化抽油机用异步电动机与普通Y系列三相异步电动机在50 Hz变频状态下相比，电动机温升降低10.1 K，效率提高0.82个百分点。

表3　频率50 Hz时数字化抽油机用异步电动机与普通三相异步电动机的温升对比

2　现场应用与效果评价

首批6台YVZL180L-8/11 kW数字化抽油机用异步电动机于2013年11月底在采油三厂、采油八厂等产建新投的7型数字化抽油机安装试验，2014年长庆油田在产建新投8型数字化抽油机上扩大试验200余台，均取得了较好的试验效果。

(1)节能效果明显。2014年12月在生产现场同一台数字化抽油机同一口油井的工况下，对靖104-252井的YVZL-180L-8型数字化抽油机用异步电动机和Y180L-8型普通三相异步电动机进行了能耗、效率等运行参数测试对比，测试结果如表4所示。

从表4可以看出，数字化抽油机用异步电动机在不同频率状态下运行的效率优于普通Y系列三相异步电动机，系统效率平均提升0.6个百分点，有功节电率平均提升5.2个百分点，无功节电率平均提升6.6个百分点，综合节电率平均提升5.3个百分点。

表4　数字化抽油机用异步电动机与普通三相Y系列异步电动机对比监测计算结果表

(2)运行寿命延长。电动机寿命取决于电动机运行时的温升，以YVZL180L-8/11kW电动机为例，30 Hz时普通Y系列三相异步电动机的温升为89.47 K，已超过标准要求80 K的最高温升，绝缘材料老化加剧，烧坏问题时有发生。YVZL180L-8型数字化抽油机用异步电动机温升为59.42 K，较普通三相异步电动机降低约30 K。

(3)经济效益显著。以YVZL180L-8型与普通Y180L-8型电动机为例，设定均在频率30 Hz工况下，S1工作制运行，从表1、表2可以看出，Y180L-8型电动机除温升超标外，输入功率P输入较YVZL180L-8电动机多150 W，电费按0.62元/ kW·h计算，YVZL180L-8电动机年节约电费约803元，使用YVZL180L-8电动机半年就可收回其较Y180L-8型电动机增加的成本费用。

3　结语

(1)该系列电动机在额定电压和50 Hz频率下达到了JB/T 10391—2008《Y系列(IP44)三相异步电动机技术条件》的要求，其最大转矩、起动转矩、效率、热负荷等性能特性优于Y系列普通电动机。

(2)数字化抽油机用异步电动机温升在15 Hz时达71.95 K，低于《旋转电机定额和性能》(GB 755—2008)要求的温升余量80 K。频率范围15～70 Hz对应抽油机的冲次范围1.47～6.87次/min，很好地满足了数字化抽油机冲次范围1.5～5次/min的需要。

(3)该系列电动机在50 Hz以下工作时，输入功率均小于额定点的输入功率，且保持了恒转矩输出特性，低速运行节能效果更加明显。

【参考文献】

［1］傅丰礼，唐孝镐主编.异步电动机设计手册.机械工业出版社，2006.

［2］刘振兴，李新华，吴雨川主编.电机与拖动.华中科技大学出版社，2008.

［3］吉效科，许丽等.新型数字化抽油机的研制与应用［J］.石油机械，2013，41(10) : 96-98.

［4］曹玉泉，闫丽梅，李梦达等.变频调速异步电动机的转差率［N］.西南交通大学学报，2006，41(1) : 37-38.

［5］杨喜军，张相军，龚幼民.变频调速系统电动机启动特性的研究［J］.《基础自动化》，1999，6(05) : 41-45.

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Development and Application of Asynchronous Motor Used in Digital Pumping Unit

JI Xiao-ke1，2，Xu Li2，ZHANG Hao2，WEI Hui-ning3，FAN Ya-ning4，LI Yang1
(1.College of Mechanical and Electronic Engineering，Southwest Petroleum university，Chengdu 610500，China; 2.Equipmengt Management Departmengt，Changqing Oilfield Company，Xi'an 710018，China; 3.Xi'an changqing chemical group Co.，LTD，Xi'an 710018，China; 4.No.3 Oil Production Plant，Changqing Oilfield Company，Yinchuan 750005，China)

Abstract:In light of the problems with frequency conversion control cabinet of the normal three-phase asynchronous motor used in digital beam pumping unit，such as shorter service life，low speed range，low efficiency，a type of asynchronous motor used in digital beam pumping unit was developed.field application shows that the motor adapts to the frequency range of 15～70 Hz，a pulley can meet the digital pumping unit's speed adjustment of 1.5～5 Times per minute，maximum torque，starting torque，efficiency，heat load and other performance characteristics are superior to ordinary three-phase asynchronous motor，the motor has good promotion prospects.

Key words:Digital Pumping Unit Asynchronous Motor Frequency Temperature rise Application

收稿日期:2015-11-17

作者简介:吉效科(1976—)，男，博士研究生，高级工程师，研究方向为油田设备的管理与技术工作。

中图分类号:TM 343

文献标志码:A

文章编号:1673-6540(2016) 03-0033-004