李春紅，馮子明，李子良，高 宇

高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)負(fù)載特性試驗(yàn)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(zé)任公司采油工程研究院，黑龍江大慶163453；2．東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江大慶163318；3．北京石油機(jī)械廠，北京100083）

高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)由于具有適合交變載荷的軟特性，已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用，但高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)的綜合性能一直沒(méi)有全面試驗(yàn)研究。在試驗(yàn)?zāi)M井上進(jìn)行了Y280S型電動(dòng)機(jī)和Y C H D280L型電動(dòng)機(jī)的對(duì)比試驗(yàn)研究，并測(cè)取多個(gè)瞬態(tài)節(jié)點(diǎn)特性參數(shù)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。結(jié)果表明：高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)并不節(jié)能，中高沖次時(shí)才有較好的降載效果，其啟動(dòng)性能要優(yōu)于低轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)。

高轉(zhuǎn)差率；電動(dòng)機(jī)；性能；試驗(yàn)

高轉(zhuǎn)差異步電動(dòng)機(jī)在電力拖動(dòng)的領(lǐng)域中占有特殊的地位。由于它的“軟特性”，經(jīng)常被用于不穩(wěn)定狀態(tài)的電力拖動(dòng)中，即用在常啟動(dòng)、反向或制動(dòng)、負(fù)載劇烈交變的拖動(dòng)中（例如：鍛擊機(jī)、沖擊機(jī)、鍛冶機(jī)、剪切機(jī)等設(shè)備上）。早在1964年，由美國(guó)工程師哈特首先把高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)應(yīng)用于游梁式抽油機(jī)，當(dāng)時(shí)經(jīng)過(guò)美國(guó)多年的研究和應(yīng)用，認(rèn)為高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)比較適用于具有循環(huán)交變載荷的游梁式抽油機(jī)上，也認(rèn)為具有一定的節(jié)能效果。1989年，孫世明與沈陽(yáng)電機(jī)廠合作，對(duì)比研究了JQ O2型和Y C H 型2種高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)，得出一些定性的結(jié)論：中輕載荷下具有節(jié)能效果，高沖次比低沖次的節(jié)能效果好［1］。2002年，薛承謹(jǐn)利用高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)與抽油機(jī)負(fù)載特性耦合函數(shù)進(jìn)行求解，對(duì)勝利油田的2口井進(jìn)行了計(jì)算，預(yù)測(cè)的懸點(diǎn)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(yàn)研究后認(rèn)為：高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)效率較低，用于游梁式抽油機(jī)上的各種情況都是有利的，超高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)在周期載荷系數(shù)大于1．8的油井情況下有利。轉(zhuǎn)差率高的電機(jī)啟動(dòng)、過(guò)載能力都較好，從節(jié)約能耗、改善光桿載荷特性等方面看，則要依據(jù)具體的油井工況而定。

油田工作者在高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用上做了很多工作，一般認(rèn)為高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)具有適宜于游梁式抽油機(jī)的優(yōu)良匹配性。但是實(shí)際應(yīng)用中測(cè)試的節(jié)電率并不理想，轉(zhuǎn)矩又不易測(cè)取，懸點(diǎn)最大載荷降低率的測(cè)試結(jié)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(yàn)井進(jìn)行低轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)（Y280S-8型，簡(jiǎn)稱(chēng)Y電機(jī)）與高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)（Y C H D280L-1218型，簡(jiǎn)稱(chēng)Y C H D電機(jī)）的同工況多節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究，分析高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)的綜合工作性能，為更好地應(yīng)用高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)提供依據(jù)。

1　試驗(yàn)方法

以大慶采油工程研究院的模擬試驗(yàn)井為平臺(tái)，試驗(yàn)方案如圖1，基本參數(shù)如表1所示。選取電動(dòng)機(jī)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(gè)瞬態(tài)測(cè)試節(jié)點(diǎn)，分別測(cè)取輸入電參數(shù)、電機(jī)軸轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速、皮帶輪輸出軸轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速、減速箱輸出軸轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速、光桿位移和載荷等。測(cè)試儀器包括3169型電動(dòng)機(jī)電參綜合測(cè)試儀、同步速度測(cè)試儀、轉(zhuǎn)矩測(cè)試設(shè)備、動(dòng)力示功儀等，并配以數(shù)據(jù)后處理輔助軟件。

圖1　抽油機(jī)模擬試驗(yàn)井測(cè)試方案

表1　抽油井試驗(yàn)基本參數(shù)

2　試驗(yàn)結(jié)果分析

圖2a、2b、2c分別為9、6、4 min－1沖次的懸點(diǎn)示功圖對(duì)比。抽油機(jī)系統(tǒng)在相同工況下拖動(dòng)裝置更換為Y C H D電機(jī)后，其懸點(diǎn)最大載荷隨著沖次的增加而降低，說(shuō)明轉(zhuǎn)差率對(duì)降低懸點(diǎn)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(diǎn)最大載荷對(duì)比

由表2可知：Y C H D電機(jī)的懸點(diǎn)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(xiàn)性的變化關(guān)系，說(shuō)明低沖次工況下Y C H D電機(jī)的“降載”能力變?nèi)?，即Y C H D電機(jī)在較高沖次的抽汲工況下使用降載效果更好。

圖2　懸點(diǎn)示功圖

抽油機(jī)系統(tǒng)在相同工況下將拖動(dòng)裝置Y電機(jī)更換為Y C H D電機(jī)后，轉(zhuǎn)矩峰值降低率隨沖次的增加而提高，4、6、9 min－1沖次下轉(zhuǎn)矩峰值降低率分別為－5．1%、3．44%、8．48%。如表3。

減速箱轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)對(duì)比如圖3所示。Y C H D電機(jī)的轉(zhuǎn)矩降低率的變化規(guī)律類(lèi)似其懸點(diǎn)載荷的規(guī)律，轉(zhuǎn)矩峰值降低率隨沖次增加而增加；沖次與轉(zhuǎn)矩峰值降低率是非線(xiàn)性正相關(guān)。在4 min－1沖次工況下，轉(zhuǎn)矩峰值反而增加，說(shuō)明Y C H D電機(jī)不適合低沖次工況。即使考慮到有各種試驗(yàn)誤差，對(duì)比懸點(diǎn)載荷降低率，低沖次下Y C H D電機(jī)降低峰值轉(zhuǎn)矩的能力也不會(huì)很大。因此，對(duì)于降低減速箱轉(zhuǎn)矩來(lái)說(shuō)，高轉(zhuǎn)差率電機(jī)更適合在高沖次的抽汲工況下使用。

圖3　減速箱轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)對(duì)比

表3　減速箱最大輸出轉(zhuǎn)矩對(duì)比

電機(jī)輸入功率曲線(xiàn)對(duì)比如圖4所示，可以看出：較高的轉(zhuǎn)差率可以使功率曲線(xiàn)平緩，相當(dāng)于“低通濾波”，即把高頻部分過(guò)濾掉；上下沖程的功率曲線(xiàn)包絡(luò)面積有增加的跡象，即電機(jī)要做較多的功來(lái)驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)系統(tǒng)。因此，從功率曲線(xiàn)看，Y C H D電機(jī)并不節(jié)能，而且沖次越低，Y C H D電機(jī)消耗能量越低。

圖4　電機(jī)輸入功率曲線(xiàn)對(duì)比

表4　平均有功功率對(duì)比

抽油機(jī)井在相同工況下將拖動(dòng)裝置Y電機(jī)更換為Y C H D電機(jī)后，在4、6、9 min－1沖次下都不節(jié)電，節(jié)電率分別為－15．82%、－18．67%、－13．52%。如表4。

表5　平均無(wú)功功率

Y C H D電機(jī)的平均無(wú)功功率相對(duì)Y電機(jī)降低較多，在54%～73%之間。但是無(wú)功消耗的電能很小，只有無(wú)功功率的4%～8%，無(wú)法彌補(bǔ)有功消耗的“逆差量”。如表5。

如圖5所示，Y C H D電機(jī)的啟動(dòng)電流在不同沖次下相對(duì)Y電機(jī)都低，而且Y C H D電機(jī)的啟動(dòng)裕度（啟動(dòng)裕度為堵轉(zhuǎn)電流值比上啟動(dòng)電流值）相對(duì)大許多，Y電機(jī)的啟動(dòng)裕度是1．27，Y C H D電機(jī)為2．08。

圖5　堵轉(zhuǎn)電流

如圖6所示，Y C H D電機(jī)的啟動(dòng)功率在不同沖次下都相對(duì)增加，這是因?yàn)楦呋铍姍C(jī)依靠增加電阻來(lái)增加滑差率，這必然會(huì)引起啟動(dòng)功率增大。但是Y C H D啟動(dòng)功率的“功率啟動(dòng)裕度”是2．72，依然大于Y系列電機(jī)的2．43。說(shuō)明Y C H D電機(jī)比Y電機(jī)具有良好的啟動(dòng)能力。

圖6　堵轉(zhuǎn)功率

3　結(jié)論

1） Y C H D電機(jī)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(shuō)明低沖次工況下Y C H D電機(jī)的“降載”能力變?nèi)?，即Y C H D電機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)矩峰值降低率隨沖次的增加而提高，4、6、9 min－1沖次下轉(zhuǎn)矩峰值降低率分別為－5．1%、3．44%、8．48%。

3） 從功率曲線(xiàn)看，Y C H D電機(jī)并不節(jié)能。

4） Y C H D電機(jī)相對(duì)Y電機(jī)具有良好的啟動(dòng)能力。

［1］ 孫世明，蔡利，張志超．高轉(zhuǎn)差率電機(jī)驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)系統(tǒng)的耗能分析［J］．大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào)，1989（3）：34-41．

［2］ 薛承謹(jǐn)，鮑雨鋒．超高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)游梁抽油機(jī)動(dòng)力學(xué)研究［J］．石油機(jī)械，2002（1）：4-7．

［3］ 張建華，張偉．游梁式抽油機(jī)用異步電動(dòng)機(jī)類(lèi)型選配［J］．內(nèi)蒙古石油化工，2007（6）：62-64．

［4］ 劉承榆．超高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)的節(jié)能機(jī)理［J］．節(jié)能技術(shù)，1991（2）：2-6．

［5］ 郎立術(shù)．游梁式抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)存在問(wèn)題及節(jié)電方法淺析［J］．石油石化節(jié)能，2012（11）：19-21．

［6］ 于會(huì)良．提高游梁式抽油機(jī)節(jié)能效果有效途徑［J］．內(nèi)江科技，2003（5）：36-37．

Experimental Study of Load Characteristic about High Slip Ratio M otor

LI Chunhong1，F(xiàn)ENG 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(xiàng)目（12541099）

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