（机械设计及理论专业论文）抽油机工况下电机效率理论分析及实验研究.pdf

0t i 摘要 论文题目：抽油机工况下电机效率理论分析及实验研究 学科专业：机械设计及理论 研究生：宋涛 导师：刘宏昭教授 穆安乐副教授 l i i ii ii ii iii ll l l li iiil y 1814 4 3 0 签名：家盔 签名： 童：f 耋堡墨一 签名：毒睁 摘要 游梁式抽油机是我国原油开采的主要设备，但抽油机用驱动电机的大马拉小车的问题 比较严重，导致采油系统的效率比较低。抽油机的效率问题是当前研究的热点，本文根据 抽油机的载荷特性，选用高转差电机提高抽油机运行效率。完成了抽油机工况下动态载荷 的模拟加载的理论分析及高转差电机的测试。主要工作有： 研究了异步电机的有关理论基础，通过分析异步电动机t 型等值电路，建立起模拟 加载试验台系统的数学模型。利用该数学模型，用m 砌a b 和v c + + 混合编程，开发出试 验台电机参数计算的软件系统，通过异步电动机的额定值和机械传动装置的参数进行了加 载试验台系统中异步电机效率和负载率的仿真计算。该方法简单实用，且计算结果具有较 高的精度。 比较了高转差电机与普通异步电机机械特性与外特性的差别，从理论与实验两方面 证明了高转差电动机可以提高抽油机运行效率，分析了基于高转差电机的c j - r 装置的工 作原理。 对游梁式抽油机机构进行了运动学建模和计算，得出抽油机悬点位移、速度、加速度 等运动参数及曲线。然后对抽油机机构进行了动力学分析，根据游梁式抽油机实测地面示 功图，获得了实际的动态载荷序列抽油机减速器输出轴的扭矩序列，为该模拟加载系 统提供了实际的载荷数据。 参与完成了加载实验装置研发。利用该装置完成了对超高转差电机的效率特性测试， 测试结果与理论计算吻合。通过对游梁式抽油机减速器扭矩的模拟动态加载，证明了系统 数学模型及计算结果的正确性和测试系统的实用性。 关键词t 游梁式抽油机；异步电动机；效率；负载率；模拟加载 1 j 户 a b s t r a c t s u b j e c t ：m o t o r se f f i c i e n c y a n a l y s i sa n de x p e r i m e n t r e s e a r c hf o rd r i v i n go fb e a m - p u m p i n gu n i t m a j o r ：m e c h a n i c a ld e s i g n & t h e o r y a u t h o r ：s o n g t a o s u p e r v i s o r ：l i uh o n g z h a o p r o f e s s o r ) m u a n l e ( a s s o c i a t ep r o f e s s o r ) a b s t r a c t s i g n a t u r e s i g n a t u 怕丝幽幽 s i g n a t u r e 丛厶左 b e a m - p u m p i n gu n i t sa r ct h em a i ne q u i p m e n t so fp e t r o l e u me x p l o i t a t i o ni no u rc o u n t , b u t t h ep o w e r w 越s t eo fd r i v i n gm o t o ru s e di nb e a m - p u m pu n i ti sl a r g e , w h i c hl e a dt ol o we f f i c i e n c yo fo i lp r o d u c t i o n s y s t e m n o w a d a y s ，t h eb e a m - p u m p i n gu n i t se f f i c i e n c yi saf o c u so f r e s e a r c ha c c o r d i n g t ol o a dc h a r a c t e r i s t i c o fb e a m - p u m pu n i t , t h eh i g hs l i pm o t o ri su s e df o ro p t i m u mi t se f f i c i e n c y 1 r i 他t h e o r ya n a l y s i so fa n a l o g y i o a d i l l ga n de f f i c i e n c yt e s to fh i g hs l i pm o t o rf o rd r i v i n go fb e a m - p u m pu n i ta r ec o m p l e t e d 1 1 地m a i n c o n t e n t so f t h es t u d ya r ea sf o l l o w s ： c o r r e l a t i v et h e o r e t i c a lb a s i so ft h ea s y n c h r o n o u sm o t o ri ss t u d i e d , b y 撒m i y 五n gt h et - t y p ee q u i v a l e n t c i r c u i t ；am a t h e m a t i cm o d e lo fa n a l o g yl o a d m gt e s t - b e ds y s t e mi se s t a b l i s h e d b a s e do nt h em a t h e m a t i c m o d e l 。a n du s i n gv c + + a n dm a t l a b ，t h es o f t w a r eo ft h ea s y n c h r o n o u sm o t o re f f i c i e n c ya n a l y s i si sd e v e l o p e d n 舱m o t o r se f f i c i e n c ya n dl o a d i n gr a t i oo fa n a l o gl o a d i n gt e s t - b e d 毗c a l c u l a t e du s m gt h er a t i n gv a l u e sa n d p a r a m e t e r so f t h i ss y s t e m , a n dh a sh i g h e rp r e c i s i o n t h em e c h a n i s mc h a r a c t e r i s t i ca n de x t e r n a lc h a r a c t e r i s t i co ft h eh i g hs u pm o t o ra n dc o m m o n a s y n c h r o n o u sm o t o ra r ec o m p a r l e d i ti sv e r i f i e df r o mt h e o r ya n de x p e r i m e n tt h a tt h eb e a m - p u m ps y s t e m s e f f i c i e n c yc 缸b e t e s t e db yu s i n gh i g hs l i pm o t o r 1 1 圮w o r k i n gp r i n c i p l eo f c i te q u i p m e n tb a s e do nh i ：曲s l i p m o t o ri sa i l a l y z e d 。 k i n e m a t i c sm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nf o rt h el i n k a g em e c h a n i s mo fb e a mp u m p i n gu n i ta r ec a r r i e do u t 1 f 1 塘d i s p l a c e m e n t ，v e l o c i t y ，a c c e l e r a t i o ni nt h eh a n g i n g - - p o i n ta n d t h ec o r r e s p o n d i n gc u r v e si nam o t i o n p e r i o da o b t a i n e d 1 f 1 碡d y n a m i ca n a l y s i so ft h em e c h a n i s mi sp e r f o r m e d ，t h er e a ld y n a m i cl o a d i n g 船- r i e s - - o u t p u ts l l a n st o r q u es e r i e so f g e a rr e d u c e ra 托o b t a i n e db yu s i n gt h eo b s e r v e dd y n a m o m e t e r c a r d sa n d t h em e c h a n i s m p a r a m e t e r s , w h i c hs e r v e da sr e a ll o a d i n gd a t af o ra n a l o g yl o a d i i l gt e s t 1 1 他a n a l o g yl o a d i n gt e s t - b e di sd e v e l o p e d m a k i n gu s eo ft h i se q u i p m e n t , t h ee f f i c i e n c yt e s to fh i g h s l i pm o t o ri sp e r f o r m e d , e x p e r i m e n ta n dc a l c u l 撕o i l 躺a g r e e m e n lt h ec o r r e c t n e s so f t h em a t h e m a t i c a l m o d e la n dt h ep r a c t i c a b i l i t yo f t h et e = m g s y s t e ma r ed e m o n s t r a t e db ya n a l y s i so f t e s t i n gd a t a k e yw o r d s ：b e a m - p u m p i n gu n i t s ； w j n c h r o n o u sm o t o r ；,e f f i c i e n c y ；l o a d i n gr a t i o ；a n a l o gl o a d m g 。 l l i 、h r pj，r j 一 目录 目录 l 绪论1 1 1 弓i 言l 1 2 课题研究的背景及意义1 1 3 抽油机及电机效率研究现状综述：2 1 3 1 游梁式抽油机节能方式研究现状2 1 3 2 异步电机效率的研究现状。4 1 4 本文主要工作。6 2 异步电机效率计算及运用高转差电机优化抽油机效率7 2 1 异步电机的等值电路。7 2 1 1 异步电机t 形等值电路7 。2 1 2 异步电机t 形等值电路的简化。8 2 2 异步电机的工作特性。9 2 3 异步电机数学模型建立及效率计算1 0 2 4 运用高转差电机优化抽油机运行效率。：1 3 2 a 1 高转差率电机机械特性及外特性1 4 2 4 2 抽油机效率优化1 6 2 5c j t 系列抽油机节能拖动装置介绍。：1 7 2 5 1c j t 装置控制部分特点18 2 5 2c j t 装置的转矩接线型式18 2 5 3c j t 装置外形及图片1 9 2 6d 、| 右2 0 3 模拟加载试验台数学模型建立及软件开发2 1 3 1 模拟加载试验台的能量流程。2 l 3 1 1 电机的能量传输数学模型。2 2 3 1 2 建立机械传动系统的数学模型。2 3 3 1 3 试验台系统的数学模型。2 5 3 2 电机效率曲线的软件开发2 6 3 2 1 软件简介2 6 3 2 2v i s u a lc _ h 与m a n a b 混合编程的方法2 6 3 2 3m a u a b 编译环境的设置2 7 3 2 4 创建动态链接库2 7 3 3 电机效率曲线仿真软件应用举例2 9 3 4d 、l 3 3 4 游梁式抽油机运动学和动力学分析3 4 v 0一一 西安理工大学硕士学位论文 4 1 抽油机分类及原理3 4 4 2 游梁式抽油机的运动分析。3 4 4 2 1 几何分析3 4 4 2 2 运动分析3 6 4 3 游梁式抽油机的运动学仿真分析实例3 7 4 4 减速器扭矩计算与平衡3 8 4 5 减速器扭矩计算仿真结果。3 9 4 6d 、结z m 5 抽油机拖动系统模拟加载实验研究4 l 5 1 弓i 言z 1 1 5 2 模拟加载实验系统4 1 5 2 1 模拟加载试验台系统工作原理和结构4 1 5 2 2 模拟加载试验台系统结构。4 1 5 2 3 驱动装置的选取4 2 5 2 4 负载装置的选择4 3 5 2 5 转矩转速传感器的选择。4 4 5 2 6 系统采用的二次仪表“ 5 2 7 传动系统的设计。4 5 5 2 8 测控系统的软件4 5 5 3 超高转差电机实验分析4 5 5 3 1 磁粉制动器加载分析。4 5 5 3 2 超高转差电机输出系统分析。4 8 5 3 3 超高转差电机外特性曲线的测定4 9 5 4 抽油机工况下的模拟载荷加载实验5 2 5 4 1 动态载荷的等效转换5 2 5 4 2 抽油机效率负载率曲线分析。5 4 5 5d 、结5 5 6 全文工作总结及展望5 7 致谢5 8 参考文献：5 9 攻读硕士期间发表的论文6 1 户11i 第一章绪论 1 绪论 1 1 引言 随着当今世界工业经济的迅猛发展，对能源特别是石油的需求也在急剧上升，在未来 的2 0 3 0 年中，石油在能源结构中仍然占据着主导的地位。近年来，世界各国都在为拥有 更多的石油而努力。各国也在不断的勘探、开发国内的石油资源，并采取有效措施提高石 油开采的效率，以期用最小的经济成本获得最大的石油产量。 目前我国有近1 0 万口油井应用有杆抽油系统，约占采油井数的8 9 ，美国为8 5 ， 俄罗斯为7 5 左右。常规游梁式抽油机是机械采油应用最广泛的抽油设备，其结构简单、 制造容易、可靠性高、耐久性好、维修方便、适应现场工况等优点，在机械采油中占有举 足轻重的地位，在今后相当长的时间内仍是油田的首选设备。但是其工作效率低，抽油机 的运行效率特别低，在我国平均运行效率为2 5 9 6 ，国外平均水平为3 2 电机装机总容 量在3 5 0 0 m w ，年电量逾百亿k w h ，占油田总耗电量的2 0 州0 ，为油田电耗的第二 位，仅次于注水，因此，抽油机是各油田耗电主要设备之一。目前，我国各大油田相继进 入中高开发期，井底压力降低，逐步丧失自喷能力。为保证原油稳产、高产，必须增大油 井的排液量，从而使机械采油系统的能耗急剧增加。机械采油系统的能耗己经成为影响采 油成本的主要原因之一。 游梁式抽油机效率不理想的根本原因是其载荷特性和普通电机工作特性不匹配，游梁 抽油机承受一种带有冲击性的周期交变载荷，启动转矩大，在1 个周期( 1 个冲次) 内载荷 波动很大。这种负载要求驱动电机的功率应有足够的余量，以保证带载启动时能够克服抽 油机较大的惯性扭矩；在运行时应有足够的过载能力，以克服交变载荷的最大扭矩。由于 游梁抽油机在运行过程中，大多数情况下，电机都处于轻载状态，负荷率很低，电机的运 行效率和功率因数也都很低，于是，便产生电机功率选择过大的问题，这一也是造成搿大 马拉小车 的主要原因。目前我国近1 0 万台抽油机井的电机平均负载率为2 0 - - 3 0 ， 部分电机负载率更低，造成能源和设备的极大浪费。 1 2 课题研究的背景及意义 油田进入中后期开采后，大多数油井采用机械采油方式开采，其中游梁式抽油机是 最主要的采油设备。游梁式抽油机具有结构简单、易损件少、故障率低、维修简单等优点， 但也存在启动困难、平衡效果差、系统效率低的缺点。为了使抽油机顺利启动，常按抽油 机最大负荷来选配电机。而抽油机正常运行时，平均负荷只有最大负荷的3 0 左右，从 而形成了搿大马拉小车”的现象。由于抽油机负荷的特殊性，在用普通异步电机了为满足 生产需要，使“大马拉小车一现象成为必然。电机和抽油机负荷运行中的不匹配，使电机 西安理工大学硕士学位论文 一直在低效率下运行，造成了能源的浪费。因此，对原有异步电机实施节能改造，使其能 够满足抽油机工作环境的需要，就显得十分必要。 电机是石油生产的主要动力，其耗电量占原油生产用电的比重很大。其中机械采油系 统、注水系统和油气集输系统的总耗电量约占油气生产耗电量的8 0 以上，是名副其实 的电老虎，其中绝大多数采用普通三相异步电机，因此电机的节能是油田节电的主要领域。 提高电机运行效率是节约电能不容忽视的重要措施。1 9 8 3 年原国家标准局发布了 g b 3 4 8 5 评价企业合理用电技术导则 3 9 1 ，该标准对电能转化为机械能的合理化提出了 原则要求。需要说明的是三相异步电机的现场测试一直是困扰人们的问题。电机究竟带动 了多少负载，必须在运行中测定电机的输出转矩和转速，实验似乎可以做到这一点，但在 大大小小、各种各样的工厂中，对众多的运行机械却难以实现。不了解电机输出功率，就 没办法与输入功率进行比较，没办法进一步分析电机的实际运行效率。1 9 9 0 年国家技术 监督局发布了三相异步电机经济运行【捌标准，这个标准从损耗与负载率的关系导出 效率与负载率关系，从而可通过用电机的固有参数与输入功率进行计算，了解电机的运行 状态1 3 1 1 。因此，根据负载大小合理选择电机的额定功率，对节能有很大的意义。 在石油机械系统中，抽油机是一种工作载荷变化很大的设备，不仅在一个工作周期内 的载荷变化很大，而且在不同的周期，其工作载荷也相差很大。为了在室内进行抽油机的 载荷模拟仿真，首先必须研究一种动态载荷模拟加载方式，使其既能达到加载的准确性， 又能满足加载的实时性。另一方面，在研究和选用电机时，也需要对电机在真实动态载荷 作用下的性能进行测试和分析。 本课题研究意义在于研究机械采油中节能降耗的理论并找出节能抽油机的技术关键， 克服常规抽油机本身存在的不足，挖掘设备潜力、降低生产成本、提高经济效益，这不仅 在理论上是对常规抽油机的一个突破，而且又有所创新、有所发展，因而具有较大的实际 意义，对稳产增效、节能降耗，发展油田生产具有重要的应用价值。 1 3 抽油机及电机效率研究现状综述 1 3 1 游梁式抽油机节能方式研究现状 有杆泵式机械采油使用范围广，投放数量多、且游梁式抽油机存在能耗大，效率低的 问题，随着油田进一步的开发和电价的不断上调，采油成本在不断提高，如何降低游梁式 抽油机的能耗，已引起国内外众多石油机械学者的高度重视，开展抽油机节能技术的研究， 对于我国右油工业的发展具有重要的现实意义和深远影响。 。 从纯粹机械的角度来看，各种研究抽油机节能的途径归纳起来可分为两种： 一是通过改变抽油机的机构直接降低抽油机的扭矩因数，以降低抽油机的工作扭矩及 其波动，实现节能，如：前置式抽油机，偏置式抽油机，偏轮式抽油机，异型抽油机等。 2 1 鼍 第一章绪论 二是通过改变抽油机的平衡方式，以降低减速器输出轴的扭矩，达到节能的目的，如 大轮式抽油机，二次平衡抽油机等。 从电气的角度来着，可以通过更换或改造抽油机的驱动装置来改变异步电动机的硬机 械特性，降低抽油机的启动能耗。要想提高抽油机井系统的效率，必须围绕以下几个方面： a 提高电动机的功率因数、负载率和降低电机损耗，控制电机按能量需要自动给定， 提高有功功率，减少无功消耗；b 根据井下工况，及时调整抽油机的工作制度，使抽油机 的抽汲参数趋于合理；c 提高泵的充满度，减少漏失，提高泵效。 由上面的分析可知要想实现抽油机系统节能，必须机械电气相结合，下面是油田目前 常用的几种节能方式，我们对其进行分析和对比： 1 ) 采用电容补偿 电容补偿是我国最早使用的一种节能方法，它有两种方式，就地补偿和集中补偿。就 地补偿，是在电机端直接并联适当容量的电容，通过并联电容可以提高功率因数，减少无 功损耗，从而降低线路有功损耗，改善用电设备的电压质量，但是不能降低电动机本身的 有功损耗，这种补偿方式的缺点是投资大，成本高。集中补偿，不是每台电机都并联电容 进行补偿，而是在总电源端集中进行补偿，特点是投资少，但只能减少外部供电线路的线 损，对内部线路的线损无能为力，效果不如就地补偿方式，并且也不能降低电动机本身的 有功损耗。目前这种方法仍在使用，主要作用是提高电机的功率因数，使供电系统满足抽 油机用户的要求。 2 ) 稀土永磁同步电机【1 7 1 这种电机的转子由磁钢、稀土材料和启动鼠笼组成。转子损耗比普通异步电机小得 多，因此电机本身的效率比普通y 系列电机高约5 ，功率因数达到0 9 。但其额定运行时 机械特性比y 系列电机还硬，因此不能改善机、杆、泵系统配合，起不到系统节能的作用。 它的启动电流比y 系列电机还大，启动过程中，电机转矩有振荡。由于永磁材料价格昂贵， 相同功率的稀土永磁电动机比y 系列电动机成本高的多，致使该电机价格远超过感应电 机，难以大量推广使用。、 3 ) 电磁滑差电机【1 9 】 电磁滑差电机是9 0 年代初由胜利油田纯梁采油厂研制的。这种电机实质上是在普通 电机轴与负载轴之间增加一个电磁离合器，其传递扭矩随电磁离合器的励磁电流的大小而 变化，励磁电流是根据电机电流进行反馈控制的。在冲击载荷时，离合器滑差增大，而电 机本身不会发热，可空载启动。这种电机可使系统达到较好的配合，但系统节能除去励磁 系统的能耗，已所剩无几，只是降低了抽油杆和抽油泵的故障率，延长了检泵周期。另外 电磁离合器和励磁控制系统的成本也比较高。 4 ) 双功率电机i l o j 石油大学与胜利油田合作进行了双功率电机试验。双功率电机与普通y 系列电机的区 别在于定子绕组不同，定子绕组是两个可以并联运行的绕组。机座与普通y 系列电机相同。 3 *，；，n 西安理工大学硕士学位论文 电机在各种情况下都有较高的负荷率，解决了“大马拉小车 的问题。电机运行效率和功 率因数都有较大的提高，原有电机的改造成本也低。缺点是不能解决系统配合的问题，起 不到系统节能的作用，现场安装难度大使用不太方便。 5 ) 变频调速电机1 4 j 这种方案是在普通电机电源上加变频器，降低了电机的容量，负载率得到较大提高， 变频器的输入功率因数接近1 ，并且改变了上、下冲程的速比，也改善了抽油系统的配 合。这种方案无论从电机本身还是从系统配合上都达到了节能目的。美中不足的是，发电 时不能回馈，要通过电阻把发电能量放掉。另外，一次投入大，现场管理难度大，而且变 频器本身也有功率损耗( 约3 ) ，变频器的谐波对电网有影响，并会使电机附加损耗增大。 6 ) 超高转差电机1 5 j 国外最先提出一种超高转差电机作为抽油机的配套电机。我国于8 0 年代初开始研制 超高转差电动机。这种电动机的特点是转子电阻较大，通过增加转子电阻，从而提高电机 的起动转矩，降低安装容量。其机械特性软，遇到换向冲击载荷时，转速下降，靠曲柄惯 性作用，减速器和电动机的扭矩变化趋于平缓，峰值扭矩明显降低，进而改善了机、杆、 泵的配合，提高了泵的充满系数，增加产液量，达到系统节能的目的。这种电机目前在油 田推广使用较多，总体节能效果是好的。 1 3 2 异步电机效率的研究现状 鉴于电机是量大而广的用电设备，因此其效率的现场测试方法也受到了相当的关注。 使用者了解电机的效率往往是通过铭牌数据，但是由于铭牌上的效率值为额定负载时的数 据，而实际运行时的负载往往不同于额定负载。因为效率是由电机的输出功率与输入功率 的比值来衡量，而输入功率为电量，从电源输入端相对较容易地测定，关键在于如何测定 电机轴端的输出功率。传统的电机效率现场测试方法有下列几种。 1 铭牌法1 8 】 这是一种最简单的效率估计方法，即假定不同负载时电机的效率都等于铭牌所示的效 率，但实际上效率随负载变化而变化，尤其对于小功率、多极数的电机，效率随负载变化 甚大。另外如果电机经过维修，其铭牌数据更不能代表实际的状态，因此这种方法所得效 率的误差很大，在最坏的情况下，在半载与满载之间，效率误差可以超过1 0 。 2 转差率方法1 1 2 1 这种方法是假定电机实际负载与额定负载的比例和实际转差率与额定负载时转差率 的比值成正比。此方法只需在现场测量转差率和输入电功率，因此较为简单，但是由于对 电机基本性能要求的标准中，容许电机的实际转差率与额定转差率有2 0 的偏离，因此 铭牌所示的转差率可能与实际电机的数值有较大的偏差，从而给这种方法也带来了一定的 误差 4 第一章绪论 3 电流方法【7 】 电流方法是假定负载与所测得的电机电流和额定负载电流的比例成正比，由于电机电 流中包含空载电流，这部分电流分量不会随负载的减小而相应减小，因此给这种方法带来 较大的误差，从而使得往往在低负载时过高地估计负载值。应该指出，对于一般通用的异 步电机其铭牌电流值与实际满载电流可能有1 0 的偏差，从而使这种方法的准确性受到 较大的影响。 4 统计方法【1 0 】 统计方法是建立在经验公式基础上，以使仅需测量少量数据，即可求得电机的效率。 这种方法往往对应某一特定系列或某一范围的产品己积累了相当多的试验数据，然后经过 统计处理后，用于经验公式中。统计方法比较简单，并对在数据统计范围内的产品有一定 的准确性，但对于不同设计或不在统计范围内的产品则误差就可能较大。 5 等效电路法踟 电机效率的评估可以通过等效电路的计算求得，其中共有6 个阻抗，这些参数可通过 两个空载试验和电阻测试求得。借助于该等效电路可求得不同转速情况下的输入功率、输 出功率以及效率。等效电路法可达一定的准确度，但需进行改变电压下的空载试验这在一 般现场条件下具有一定的困难。 6 损耗分析法唧 损耗分析法要求通过获得5 项损耗，即定子铜耗、转子铜耗、铁耗、负载杂耗和风摩 损耗后求得总损耗，然后获得效率。此方法相当于i e e e1 1 2 - _ e 1 标准。由于在现场条件 下不易测得这些损耗值，因此往往将此方法与前述统计方法结合，通过对电压、电流、输 入功率、绕组电阻和转速的测定，结合采用一些经验数据，然后求得5 项损耗的数值，从 而求得效率。应用这种方法国外己有一些仪器投入应用，可以测量已经安装在现场的电机 的效率。 7 基于遗传算法的效率现场测试方法【n l 一 遗传算法在电机效率现场试验时，是以损耗分析法为基础，但不需进行空载试验。首 先在停机时测得定子绕组相电阻嵋，然后在电机运行时，测量其不同负载时的定子线电压 k 、线电流五、输入功率异和转速n 。该方法可通过这些数据来确定等效电路参数和电机 的效率。 对电机效率现场测试方法的比较，除了准确性之外，尚应考虑现场实施的可行性和经 济性。例如某些电机运行现场，不允许将电机与被驱动机械在机械连接上分解，也没有可 改变电压的电源，因此就不可能进行空载试验来确定铁耗和风摩损耗，于是一些精度尚可 的测试方法，如等效电路法和损耗分析法就实施困难，为此通常将这些方法与统计方法结 合，对一些损耗或参数采取一些统计数据，从而产生一些混合的方法，既能方便操作，又 能达到一定的程度。 西安理工大学硕士学位论文 1 4 本文主要工作 由于游梁式抽油机在运行过程中，大多数情况下，电机都处于轻载状态，负荷率很低， 电机的运行效率和功率因数也都很低，于是，便产生电机功率选择过大的问题。关于游梁 式抽油机在运行过程中电机效率的问题，虽已有许多研究工作，但由于电机的测试大部分 需要现场测试，会给效率的研究带来许多的复杂性和困难。针对上述问题，本课题以机电 传动系统中的异步电机为主要研究对象，从理论上建立机电传动系统的数学模型，通过外 加载荷和电机的额定数据就可以计算出异步电机的效率、负载率及外特性，使电机特性的 计算大为简化。另一方面，在对电机效率特性研究的基础上，本文利用基于磁粉制动器的 动态载荷模拟加载系统，对抽油机拖动装置中常用的y c c h 超高转差率电机的机械特性 和外特性进行了实验研究。得到了高转差电机在比较宽的负载率下效率变化规律和数据， 为实际中抽油机和电动机的合理匹配，达到经济节能、改善抽油机动力性能并提高系统工 作寿命提供了基础。 本文的主要研究内容包括： ( 1 ) 介绍了本文的选题背景和意义，分析综述了抽油机节能及异步电机效率研究的 现状。 ( 2 ) 论述了异步电机有关的理论基础，重点讨论了异步电机的等值电路，通过分析 t 一型等值电路建立了电机的数学模型，可以快速的计算出电机效率和负载率。 ( 3 ) 分析了高转差电机与普通三相异步电机机械特性与外特性的差别，提出运用高 转差电机提高抽油机运行效率。 ( 4 ) 通过分析异步电机的卜型等值电路计算电机的损耗与效率，以模拟加载试 验系统为研究对象，建立了该系统外加载荷与电机效率、负载率之间的数学模型。 ( 5 ) 基于上述模型，研究了异步电机效率与负载率关系的仿真计算方法。用m a n a b 和v i s u a lc + + 混合编程开发出电机效率计算的软件系统。 ( 6 ) 对游梁式抽油机机构进行运动学分析，得到了一个运动周期内抽油机各个部件 的位移、速度和加速度。通过对某种典型游梁式抽油机的实测地面示功图以及该抽油机的 相关参数分析计算出抽油机中异步电机的负载扭矩。 ( 7 ) 在模拟加载试验装置上进行了实验研究，对超高转差电机的效率负载率的外特 性进行了测试，实测与理论计算吻合；并对超高转差电机在抽油机实际载荷工况下进行了 特性测试。 6 第二章异步电机效率计算及运用高转差电机优化抽油机效率 2 异步电机效率计算及运用高转差电机优化抽油机效率 本章分析异步电机负载运行时的电磁过程，得出相应的t 形等值电路图，并用等效 电路去分析功率与转矩，导出相应的异步电机数学模型，以此计算电机的效率与负载率。 通过分析抽油机的运行效率和负载特性，以及比较普通异步电机和高转差电机的机械 特性曲线和外特性曲线，说明使用高转差电机可以优化抽油机效率。 2 1 异步电机的等值电路 长期以来，人们在异步电机的设计、试验和运行过程中，一般多采用较准确的t 形 等值电路来分析问题；下文中也将通过异步电机t 型等值电路图来分析电机的功率与转 矩，从而得出异步电机的工作特性。 2 1 1 异步电机t 形等值电路 由异步电机负载运行时的电压方程式可画出定、转子等值电路【l 捌，如图2 1 所示。 经过绕组计算和频率折算后，可以得到异步电机t 形等值电路如图2 - 2 所示。折算的原则 是折算前后保持电机内部电磁状态不变，即折算后转子磁势e 、各种损耗、有功功率、 无功功率等均保持不变。 图2 1 异步电机负载运行时等值电路 f i g 2 - 1e q u i v a l e n tc i r c u i to fl o a d e da s y n c h r o n o u sm o t o r “，定子的相电压( v )五，定子相电流( a )置，定子电阻( q ) 五l 定子漏抗( q )置。转子漏抗( q ) s t 电机转差率 五l 定子电势( v )丘t 转子电势( v )是，转子电阻( q ) 厶t 转子相电流( a ) 7 西安理工大学硕士学位论文 图2 - 2 异步电机t 形等值电路 h g 2 - 2t - t y p ee q u i v a l e n tc i r c u i to fa s y n c h r o n o u sm o t o r 冠：励磁电阻( q )砭；折算到定子回路的等效转子电阻( q ) 二l ：励磁电抗( q ) 在异步电机t 形等值电路中，当异步电机以转速n 运行时，从电源输入的功率为号， 在正常运行时异步电机的转速接近同步转速，转子电流频率很低，故转子铁耗可以忽略， 因此电机铁耗只有定子铁耗；输入功率p i 扣除定子铜耗、定子铁耗之后的功率，借助于气 隙中旋转磁场由定子传递给转子，转子上这一功率是通过电磁感应而获得的，故称之为电 磁功率；电磁功率扣除转子铜耗后，就是模拟电阻( 1 一s ) s 上的电功率，它代表总机械 功率，总机械功率在扣除机械损耗、附加损耗之后，才是转轴输出的机械功率。 2 1 2 异步电机t 形等值电路的简化 异步电机的t 形等值电路是一个复联电路，计算起来比较复杂。因此，工程计算往 往把励磁支路移至等值电路的输入端点上而得到简化等值电路，使电路演变为一个简单的 并联电路，让计算简化，这种电路称为简化等值电路【4 3 5 1 1 ，如图2 - 3 所示。 8 图2 - 3 异步电机简化t 形等值电路 f i g 2 - 3s i m p l i f i e dt - t y p ee q u i v a l e n tc i r c u i to fa s y n c h r o n o u sm o t o r 但这样变动之后，使激磁支路和负载支路的电压都比原来的稍高，所算出的定、转 j。 第二章异步电机效率计算及运用高转差电机优化抽油机效率 子电流将比t 形等值电路稍大。电机容量愈小，偏差愈大。因此如需精确计算，应采用 激磁支路移前的等值电路，即修正后的较准确等值电路。在2 3 节中将重点讨论通过异步 电机修正后的较准确的等值电路来分析电机各种功率。 2 2 异步电机的工作特性 异步电机的工作特性是指电机在额定电压和额定功率下运行时，电机的转速n ( 或转 差率s ) ，定子电流五、效率，7 和输出转矩r 与输出功率忍之间的关系。下面分别对各个特 性进行讨论。如图2 _ 4 图2 4 异步电机的特性曲线 f 弛2 - 4c h a r a c t e r i s t i cc u r v eo f a s y n c h r o n o u sm o t o r ( 1 ) 转速特性萨厂( 最) 随着机械负载的增加，异步电机的转速将下降，即转差率s 增大，这样旋转磁场便以 较大的转差切割转子导体，转子导体中的感应电动势和电流增大，以便产生较大的电磁转 矩与机械负载的阻力转矩相平衡。所以异步电机的转速特性为一条稍向下倾斜的曲线( 如 图2 _ 4 中曲线1 ) 。 ( 2 ) 转矩特性t = 厂( 忍) 根据2 = 墨( 其中角速度0 3 - - - 孥) 可知，如果n 为常数，则r 正比于忍，即 0 30 0 。 t 墨f ( p 2 ) 所以异步电机转矩特性应该是通过原点的一根直线( 如图2 _ 4 中曲线3 ) 。 ( 3 ) 效率特性，7 = 八昱) 电机效率为 刁= p - - 丑2 。- iy 丑 p 9 西安理工大学项士学位论文 式中 p 为电机总损耗 从空载到额定负载运行，由于主磁通变化很小，故认为铁耗不变，在此区间转速变化 很小，故机械损耗认为不变。上述两项损耗称为不变损耗。而定、转子铜耗与各自电流的 平方成正比，附加损耗也随着负载的增加而增加，定、转子铜耗与附加损耗称为可变损耗。 当只从零开始增加时，总损耗p 增加较慢，效率上升很快，在可变损耗与不变损耗相等 时，r 达到最大值；当只继续增大，由于定、转子铜耗增加很快，效率反而下降( 如图 2 - 4 中曲线2 ) 。 2 3 异步电机数学模型建立及效率计算 图2 - 5 表示了异步电机的功率流程图，它是建立电机的能量传输数学模型的基础例。 通过电机的功率流程，分析异步电机的损耗，用1 一型等值电路去分析电机运行中各个损 耗值，最终建立输出功率芝和输入功率号的关系，达到计算电机效率与负载率的目的。 图2 - 5 异步电机功翠流程图 f i g 2 - 5p o w e r f l o wo fa s y n c h r o n o u sm o t o r 。、吃2 、毛：电机定子绕组铜耗、转子绕组铜耗、铁耗功率 匕、匕：电机杂散损耗功率、机械损耗功率 己、晶、乞：电机电磁功率、总机械功率、总损耗， 根据图2 - 5 ，可以列出如下功率平衡方程式【绉6 删： 置一己+ 毛1 + 毛 己1 1 1 1 黾2 + 圪 圪- 昱+ 。+ j 乙 吃- 吃1 + + 毛2 + 匕+ 巳 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 第二章异步电机效率计算及运用高转差电机优化抽油机效率 上述各种功率可以利用异步电机修正后的较准确等值电路求得【2 7 】，如图2 - 6 ： 图2 石异步电机修正后的较准确的等值电路 f i 吕2 - 6c o r r e c tt - t y p ee q u i v a l e n tc i r c u i to fa s y n c h r o n o u sm o t o r 图中，q ：修正系数 ( 修正系数q 岛1 0 3 - 1 0 8 )：定子相数 ：定子的励磁电流：折算后的转子侧电流 z ：折算后的转子漏抗 由文献【2 8 】可知： 毛。= q 墨e = 砚( 属+ 毛) e ：= 鸭砰砭e 尼= 明砰砭e 导 = 而鬲手去面 乒而雨雨菰舞雨丽( q 曷+ 订避j ) 2 + ( q 五+ 砰z ) 2 考虑到电机正常运行时s # e 4 、，则互多q 墨，仁荸：( q 五+ 砰z ) z ， 墨 一 s 因此转子电流可以化简为： 舟老 将式( 2 1 1 ) 代入蛩i ( 2 1 0 ) 有： ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) (